DE102007039878A1

DE102007039878A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Fokuslagen-Stabilisierung bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung

Info

Publication number: DE102007039878A1
Application number: DE102007039878A
Authority: DE
Inventors: Sven Füssler; Gunnar Köhler; Swen Lindner; Roman Niedrig; Björn Wedel
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Priority date: 2006-08-18
Filing date: 2007-08-20
Publication date: 2008-05-08
Also published as: DE202007018689U1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokuslagen-Stabilisierung bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung. Zur Lösung dieses Problems ist vorgesehen, dass der Fokus mittels beweglicher optischer Elemente und einer Steuerung bei Auftreten der Laserstrahl-induzierten Fokuslagen-Änderung in entgegengesetzter Richtung verschoben wird, so dass der Fokus in Summe in der Soll-Lage verbleibt, wobei die Information über die notwendige Korrektur nicht als Temperaturmessungen gewonnen wird, sondern entweder aus Informationen über die momentane Leistung des Laserstrahls berechnet wird oder durch einen Autofokus-Sensor direkt bestimmt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Fokuslagen-Stabilisierung bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung.
Optische Elemente haben stets eine, wenn auch zum teil sehr geringe, Absorption. Bei der Strahlführung oder Abbildung von Laserstrahlung mit sehr hoher Durchschnittsleistung führt dies zu einer Erwärmung und damit zwangsläufig zu einem Temperaturgradienten innerhalb der optischen Elemente. Durch die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl optischer Gläser entsteht daher eine zusätzliche Brechkraft (thermisch induzierte Brechkraft oder „thermische Linse").
Die thermisch induzierte Brechkraft führt zu einer Verschiebung des Fokus der Laserstrahlung. Beispielsweise wird der Fokus eines Laserstrahls von mehreren kW Leistung, der durch die Abbildung der aus einer Lichtleitfaser austretenden Strahlung zustande kommt, nach Einschalten der Laserleistung um einige Zehntel bis einige Millimeter in Richtung der Optik verschoben, wobei es einige Sekunden bis Minuten dauert, bis sich der Temperaturgradient und damit die Fokuslage stabilisiert hat. Ob diese Veränderung der Fokuslage für den Bearbeitungsprozess Auswirkungen hat oder nicht, hängt davon ab, wie groß die Schärfentiefe des Laserstrahls ist, wofür die so genannte Rayleigh-Länge ein Maß ist.
Der Fortschritt in der Lasertechnik hat zu immer leistungsfähigeren Strahlquellen mit hoher Strahlqualität geführt. Bei der Abbildung der Laserstrahlung solcher Quellen wird die Auswirkung der thermischen Linse immer größer.
Besonders groß und daher störend ist dieser Effekt bei Optiken mit hoher Vergrößerung, die bei den modernen Lasersystemen (Faserlaser, Scheibenlaser) zunehmend eingesetzt werden.
Das sich daraus ergebende Problem besteht mithin in der Änderung der Fokusposition einer Laserbearbeitungsoptik in Abhängigkeit der durchstrahlten Laserleistung.
Um dieses prinzipiell seit längerem bekannte Problem zu minimieren, sind einige Vorschläge gemacht worden. So wird in der EP 0 365 511 ein durch ein Gasstrom gekühltes Auskoppelfenster beschrieben, was sich prinzipiell auch auf Linsen anwenden lässt. In der EP 1 380 870 wird die Verwendung von Linsen mit einem ebenen Flansch zur Verbesserung der Wärmeleitung vorgeschlagen. Durch Anwendung dieser Methoden lässt sich die Laserstrahl-induzierte Fokus-Verschiebung allenfalls verringern, nicht jedoch vermeiden.
Zur Lösung dieses Problems ist aus der JP 0 112 2688 A bekannt, die thermisch induzierte Brechkraft-Änderung einer Fokussierlinse durch ein Sensorsystem zu erfassen, welches die Temperatur in der Linsenmitte mittels eines Infrarot-Strahlungs-Pyrometers sowie die Temperatur am Linsenrand mittels eines Thermo-Elements misst. Aus der Temperatur-Differenz ergibt sich die Änderung der Brechkraft der Linse. In Abhängigkeit der Brechkraft-Änderung der Fokussierlinse kann dann die Fokusposition nachgestellt werden.
Das letztgenannte Verfahren ist in der Anwendung beschränkt auf Linsenmaterialien mit einer Absorption, die zu einer deutlichen Temperaturerhöhung führt, da die Messung einer Temperatur durch Strahlungs-Pyrometer nur auf wenige Grad genau gelingt. Liegt jedoch die Temperaturerhöhung auch im Bereich nur weniger Grad, wie dies bei Linsen aus hochreinem Quarz der Fall ist, so ist dieses Verfahren bei weitem zu ungenau. Zudem muss das Strahlungs-Pyrometer in einem Spektralbereich arbeiten, in dem die zu messende Linse das Licht nicht transmittiert, sondern absorbiert, sonst ist keine Messung möglich. Bei Linsen aus Quarz, die einen be sonders breiten spektralen Transmissionsbereich aufweisen, ist dieses Verfahren also praktisch kaum durchführbar.
Da bei einer Laserbearbeitungsmaschine z.B. zum Schneiden, die häufig mit einem CO₂-Laser ausgestattet sind, die Strahlführung überwiegend direkt, d.h. nicht mittels einer Lichtleitfaser stattfindet, gibt es bei einer solchen Vorrichtung zahlreiche Einflüsse, die zur Veränderung der Strahlparameter führen: thermische induzierte Brechkräfte des Laser-Auskoppelfensters, der Kollimator-Optik und der Fokussier-Optik, aber auch die Änderung der Strahlweglänge beim Verfahren der Führungsmaschine. Entsprechend kompliziert sind bekannte Vorrichtungen, um die Strahlparameter am Werkstück möglichst konstant zu halten.
Eine solche gattungstypische Vorrichtung wird in der GB 2 354 845 A beschrieben, bei der verschiedene Signale in Abhängigkeit der thermischen Last von Auskoppelfenster, Kollimator und Fokussierung sowie in Abhängigkeit des optischen Wegs erzeugt werden und zu einer Verstellung bzw. Justierung von Kollimator und Fokussierung verwendet werden.
Hingegen sind solche, teilweise sehr aufwändigen Maßnahmen bei Lichtleitfasergeführten Hochleistungs-Festkörperlasern, wie dem Nd:YAG-Laser, Dioden-, Scheibenlaser und Faserlaser nicht anwendbar, da die Effekte andere Größenordnungen haben und die Brechkraftänderung bei hochreinen Quarzlinsen, die hier überwiegend verwendet werden, praktisch nicht durch Messung der Temperaturänderung bestimmbar ist.
Das liegt zum Einen daran, dass der Anteil der absorbierten Leistung sehr viel geringer ist, und zum Anderen daran, dass nicht die Temperatur des Linsenrands, und nur die ist genau genug messbar, maßgeblich für die Brechkraft-änderung ist, sondern die Temperaturdifferenz zwischen der Linsenmitte und dem Linsenrand, oder genauer der radiale Temperatur-Gradient der Linse.
Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Verfahren und eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, welche es ermöglicht die Fokusposition einer Laserbearbeitungsoptik während des Bearbeitungsprozesses konstant zu halten und die Drift der Laserbearbeitungsoptik wäh rend des Bearbeitungsprozesses durch geeignete Vorrichtungen und Verfahren zu kompensieren.
Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe durch die Merkmale der selbstständigen Ansprüche.
Erfindungsgemäß ist demnach ein Verfahren zur Stabilisierung der Fokuslage bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Steuerung, mit Mitteln zur Erfassung von Daten und mit einer Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen Systems in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird, vorgesehen, wobei in einer Speichereinheit der Steuerung Kalibrationsdaten zur verwendeten Optik abgelegt werden und während des Betriebs die Steuerung aus den Daten der Datenerfassungsmittel die momentane, zeitabhängige laserstrahlinduzierte Abweichung der Fokusposition zur Sollposition mittels Kalibrationsdaten berechnet wird, und in Abhängigkeit der berechneten Abweichung der Fokusposition von der gewünschten Fokusposition mittels Kalibrationsdaten ein Stellmotor derart angesteuert wird, dass dadurch die Abweichung der Fokuslage kompensiert wird und die korrigierte Fokuslage damit der Soll-Fokusposition entspricht.
In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in Verfahrensschritt 1b als Mittel zur Erfassung der Daten ein optischer Fokuslagensensor verwendet, durch welchen ein Signal geliefert wird, dass von der Abweichung der tatsächlichen Fokuslage zur Soll-Fokuslage abhängig ist.
Bei dieser Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens, liefert der Sensor direkt schon die Daten der Abweichung der tatsächlichen Fokuslage von der Sollposition.
Weiterhin ist eine Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, bei der durch die Mittel zur Erfassung von Daten in Verfahrensschritt 1b Informationen über die momentane Laserleistung an die Steuerung übertragen werden und durch die Steuerung aus den zeitabhängigen Laserleistungsdaten die zeitabhängige Fokusposition berechnet wird und daraus einen Korrekturwert zur Verstellung der Linsengruppe bestimmt wird.
Weiter ist vorgesehen, dass vor Verfahrensschritt 1a in einem vorhergehenden Verfahrensschritt die Abhängigkeit der Fokusposition von der momentanen Laserleis tung zeitabhängig ermittelt wird, wobei die ermittelten Daten als Kalibrationsdaten in der Speichereinheit abgelegt werden, oder auf Basis der ermittelten Daten Kalibrationsdaten berechnet und abgelegt werden.
Zudem ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Mittel zur Erfassung von Daten eine Schnittstelle beinhalten, an die die Information über die momentane Laserleistung von der Laserquelle oder einer übergeordneten Steuerung übertragen wird. Alternativ ist vorgesehen, dass die Mittel zur Erfassung von Daten einen optischen Sensor beinhalten, durch den ein Bruchteil der Leistung des Laserstrahls empfangen wird und durch den ein von der empfangenen Leistung abhängiges Signal geliefert wird, welches nachfolgend an die Steuerung übertragen wird.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur Stabilisierung der Fokuslage bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Steuerung, mit Mitteln zur Erfassung von Daten und mit einer Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen System in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird. Eine derartige Vorrichtung ist durch Mittel zur Erfassung von Daten, die einen optischen Sensor beinhalten, der entweder zur Messung der momentanen Intensität des Laserstrahls oder zur Messung der axialen Fokusposition geeignet ist, gekennzeichnet.
Weiterhin ist bei einer erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer aus Kollimator und Fokussierung bestehenden Optik vorgesehen, dass der Kollimator oder die Fokussierung axial verstellbar ist und zur Korrektur der Fokuslage verwendbar ist.
In einer weiteren Ausgestaltungsform ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass bei einer aus 4 Linsengruppen bestehenden Optik, wobei die erste Gruppe die Funktion eines Kollimators hat, die zweite Gruppe eine positive Brechkraft, die dritte Gruppe eine negative Brechkraft und die vierte Gruppe eine positive Brechkraft besitzt, entweder die zweite oder die dritte Linsengruppe axial verstellbar ist und zur Korrektur der Fokuslage geeignet ist.
Erfindungsgemäß ist weiter beabsichtigt, dass die Mittel zur Erfassung von Daten einen optischen Sensor beinhalten, der einen Bruchteil der Leistung des Laserstrahls empfängt und ein von der empfangenen Leistung abhängiges Signal liefert.
Vorzugsweise erfasst dann der optische Sensor die Intensität des gesamten Strahlquerschnitts und liefert somit ein zur Leistung proportionales Signal.
Alternativ erfasst der optische Sensor nur die Intensität in der Strahlmitte und liefert somit ein zur Leistungsdichte proportionales Signal, oder der optische Sensor weist mehrere über den Strahlquerschnitt verteilte aktive Flächen auf, womit die Intensitätsverteilung des Strahls erfasst werden kann.
Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass der optische Sensor hinter einem hochreflektierendem Umlenkspiegel angeordnet ist und die transmittierte Reststrahlung erfasst, oder dass der optische Sensor neben einem antireflex-beschichteten Auskoppelspiegel angeordnet ist und die reflektierte Reststrahlung erfasst.
Erfindungsgemäß sind auch erste Kallibrationsdaten vorgesehen, welche zur Berechnung der Abweichung der Fokusposition dienen und zweite Kalibrationsdaten, welche zur Nachstellung der Fokusposition dienen. Diese Daten werden entweder ermittelt oder durch Berechnungen erhalten.
Weiterhin sind Verfahren und Vorrichtung der vorliegenden Erfindung für Hochleistungsfestkörperlaser, insbesondere Faser-, Scheiben- und Diodenlaser sowie Nd:YAG-Laser mit Leistungen oberhalb 500 W, bevorzugt oberhalb 1000 W vorgesehen.
Erfindungsgemäß werden folgende Komponenten benötigt:
Mindestens ein Teil des optischen Systems, das zur Abbildung der Laserstrahlung dient, ist mittels einer Linearführung in Richtung der optischen Achse bewegbar gelagert. Dieses Teil des optischen Systems kann sein: eine einzelne Linse des Abbildungssystems, oder eine Gruppe von Linsen, z.B. das Kollimations-Linsen-System oder das Fokussier-Linsen-System, oder das ganze Linsensystem selbst.
Das bewegliche Teilsystem wird von einem Stellmotor angetrieben. Für die Ansteuerung des Stellmotors wird eine Steuerung benötigt, die eine Recheneinheit, eine Speichereinheit und eine Datenerfassungseinheit oder Datenschnittstelle beinhaltet. Über die Datenschnittstelle bekommt die Steuerung Informationen über die momentane Laserleistung. Diese Informationen können von der Laserquelle, von der übergeordneten Steuerung oder von einer Sensoreinheit geliefert werden. Die Recheneinheit der Steuerung verarbeitet die zeitabhängigen Informationen über die Laserleistung und berechnet daraus einen zeitabhängigen Korrekturwert. Mit diesem Kor rekturwert wird der Stellmotor angesteuert. Für die Berechnung des Korrekturwertes muß die Steuerung das Verhalten der Abbildungsoptik vorausberechnen, die Charakteristik der Optik muß also der Steuerung bekannt sein. Diese Charakteristik wird einmalig erfasst und in der Speichereinheit abgelegt.
Die Fokusposition wird erfindungsgemäß aktiv nachgeregelt. Dazu gibt es eine Reihe von Möglichkeiten.
Eine erste Gruppe von möglichen Ausführungsformen umfasst die folgenden Komponenten:

1) Sensor zur Ermittlung der Fokusposition.
2) Steuerrechner, der die Sensordaten verarbeitet und daraus Korrekturdaten für die verfahrbare Achse der Optik berechnet.
3) Verfahrbare Achse der Optik zur Änderung bzw. Korrektur der Fokusposition. Diese Achse kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden: a. Als Achse wird die Führungsmaschine (z.B. Roboter oder Portal) verwendet, an der die Optik befestigt ist. In diesem Fall sollten die Korrekturdaten an die Steuerung der Führungsmaschine übergeben werden. b. Zwischen Führungsmaschine und Optik wird eine zusätzliche Achse eingebaut, die die Korrektur der Fokusposition durch Verschieben der ganzen Optik vornimmt. c. In der Optik ist eine Linse oder ein Teil-Linsensystem mittels einer Zusatzachse beweglich gelagert, wodurch die Fokusposition verschoben werden kann. Die Zusatzachse ist also in die Optik integriert und damit die zusätzlich bewegten Massen besonders gering.

Eine zweite Gruppe von möglichen Ausführungsformen umfasst die folgenden Komponenten:

1) Mittel zum Erfassen der momentanen Laserleistung. Diese Mittel können sein: a. Eine Datenschnittstelle, welche Daten über die aktuelle Laserleistung von der übergeordneten Steuerung empfängt. b. Ein in der Optik angebrachter Sensor, der die Laserleistung misst. Z.B. kann das eine Photodiode sein, die einen minimalen, aber konstanten Bruchteil der Laserstrahlung empfängt.
2) Steuerrechner, der die Laserleistungsdaten verarbeitet, die zeitliche Änderung der Fokusposition berechnet und daraus Korrekturdaten für die verfahrbare Achse der Optik bestimmt.
3) Verfahrbare Achse der Optik zur Änderung bzw. Korrektur der Fokusposition. Diese Achse kann auf unterschiedliche Weise realisiert werden: a. Als Achse wird die Führungsmaschine (z.B. Roboter oder Portal) verwendet, an der die Optik befestigt ist. In diesem Fall müssen die Korrekturdaten an die Steuerung der Führungsmaschine übergeben werden. b. Zwischen Führungsmaschine und Optik wird eine zusätzliche Achse eingebaut, die die Korrektur der Fokusposition durch Verschieben der ganzen Optik vornimmt. c. In der Optik ist eine Linse oder ein Teil-Linsensystem mittels einer Zusatzachse beweglich gelagert, wodurch die Fokusposition verschoben werden kann. Die Zusatzachse ist also in die Optik integriert und damit die zusätzlich bewegten Massen besonders gering.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben. Die Erfindung wird anhand der Figuren näher beschrieben; es zeigt:
1 Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform mit verstellbarem Kollimator und der internen Erfassung der Laserleistung durch Auskopplung eines Bruchteils des Strahls und der Verwendung eines Detektors zur Messung der gesamten Strahlintensität.
2 Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform mit verstellbarer Fokussierung, mit gewinkelter Strahlführung und der internen Erfassung der Laserleistung durch Messung eines Bruchteils des Strahls hinter dem hochreflektierenden Umlenkspiegel und der Verwendung eines Detektors mit mehreren aktiven Flächen zur Messung der Verteilung der Strahlintensität.
3 Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform mit verstellbarer Linsengruppe und der internen Erfassung der Laserleistung durch Auskopplung eines Bruchteils des Strahls und der Verwendung eines Detektors zur Messung der Strahlintensität in der Strahlmitte.
4 Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform mit verstellbarer Fokussierung und der Erfassung der Fokuslage durch Verwendung eines Autofokus-Sensors.
Bevorzugt ist die Kombination der folgenden Komponenten:
Ein in der Optik integrierter Sensor 41 zur Messung der Laserleistung, eine Recheneinheit 40 zur Berechnung der Fokusverschiebung und der benötigten Korrektur, und eine in die Optik integrierte Zusatzachse in Form einer Linse oder eines Teil-Linsensystems (21, 22 oder 24), welches mit einer Linearführung (31, 32) in Strahlachse beweglich gelagert und angetrieben ist (30). Eine solche Vorrichtung arbeitet autark, da weder Daten von externen Komponenten benötigt werden und auch keine Daten an andere Steuerungen übermittelt werden müssen. Die Einbindung einer solchen Laserbearbeitungsoptik, die ihre Fokusposition selbsttätig korrigiert, in bestehende Laserbearbeitungsanlagen ist besonders einfach.
Der in die Optik integrierte Sensor 41 zur Messung der Laserleistung ist bevorzugt eine Photodiode, die einen sehr kleinen konstanten Bruchteil des Laserstrahls empfängt. Dazu ist im Strahlengang der Optik eine reflexmindernd beschichtete bzw. entspiegelte planparallele Platte 26 unter einem Winkel zur optischen Achse angeordnet. Trotz der Entspiegelung wird dadurch ein Bruchteil der Strahlung zur Seite reflektiert (typischerweise wenige Promille), der dann auf die ebenfalls seitlich angeordnete Photodiode 41 fällt und so ein zur Laserleistung proportionales Signal erzeugt. Alternativ zur Verwendung einer entspiegelten Planplatte kann der Laserstrahl durch eine im Strahlengang der Optik stehende hochreflektierend beschichtete Planplatte 27 umgelenkt werden, wobei die Photodiode 41 dann in Richtung des Strahls hinter der Planplatte steht und die transmittierte Rest-Strahlung (auch typischerweise wenige Promille) empfängt.
Ferner ist es vorgesehen, die in die Optik integrierte Zusatzachse mit einem größeren Verstellbereich auszustatten. Die Zusatzachse dient dann nicht nur zur laserleistungsabhängigen Korrektur der Fokusposition, sondern zusätzlich zur gezielten Verstellung der Fokusposition 15 in Richtung der Strahlachse. Damit sind verschiedene Aufgaben erfüllbar, z.B. die Korrektur der Fokusposition bei Werkstücktoleranzen, oder zur Einstellung einer erwünschten Defokussierung, was zur Erhöhung der Nahtqualität zu Beginn und Ende einer Naht sinnvoll sein kann.
Zu diesem Zweck ist die Optik bevorzugt aus insgesamt vier Gruppen aufgebaut, wie in 3 dargestellt. Die erste Gruppe 21 (in Strahlrichtung) ist eine Gruppe mit positiver Brechkraft, bestehend aus 2 bis 4 Linsen (bevorzugt 2), die die Funktion eines Kollimators hat, wonach der Strahl 12 also kollimiert ist, d.h. annähernd parallel verläuft. Die zweite Gruppe 22 hat ebenfalls eine positive Brechkraft und besteht aus 1 oder 2 Linsen (bevorzugt 1 Linse). Aufgrund der positiven Brechkraft der zweiten Gruppe verläuft der Strahl nun konvergent. Es schließt sich eine dritte Gruppe 23 an mit negativer Brechkraft, bestehend aus 1 oder 2 Linsen, wonach der Strahl nun divergent verläuft, d.h. aufgeweitet wird. Schließlich folgt die vierte Gruppe 24 mit insgesamt positiver Brechkraft, bestehend aus 1 bis 4 Linsen, die den Strahl endgültig fokussiert. Zur Verstellung der Fokusposition 15 ist entweder die zweite Gruppe 22 oder die dritte Gruppe 23 beweglich gelagert, bevorzugt die zweite Gruppe 22. Die sich ergebenden Vorteile sind: der Kollimator (Gruppe 1) 21 kann zur Änderung der Vergrößerung des optischen Systems leicht ausgetauscht werden; ebenso die Fokussierung (Gruppe 4) 24. Ferner ist bei einer geeigneten Wahl der Brechkräfte und der Abstände der Gruppen 2 bis 4 eine Verstellung der Fokusposition 15 bei gleich bleibender Fokusgröße bzw. Vergrößerung möglich.

10: Lichtleitfaserspitze
11: divergenter Laserstrahl
12: kollimierter Laserstrahl
15: Laserstrahlfokus in Soll-z-Lage
18: Laserstrahlfokus mit z-Lagen-Korrektur ohne Fokus-Shift
19: Laserstrahlfokus ohne z-Lagen-Korrektur mit Fokus-Shift
21: erste Linsengruppe (Kollimator)
22: Linsengruppe
23: Linsengruppe
24: letzte Linsengruppe (Fokussierung)
26: Strahlteiler, für die Laserstrahlung antireflex-beschichtet
27: Strahlteiler, für die Laserstrahlung hochreflektierend beschichtet
30: Stellmotor
31: Linearführung
32: Schlitten
40: Steuerung mit Rechen- und Speichereinheit
41: optischer Sensor
42: schematische Kennzeichnung der aktiven Fläche des Sensors
43: optischer Fokuslagen-Sensor bzw. Autofokus-Sensor

Claims

Verfahren zur Stabilisierung der Fokuslage bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Steuerung, mit Mitteln zur Erfassung von Daten und mit einer Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen Systems in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass a. in einer Speichereinheit der Steuerung Kalibrationsdaten zur verwendeten Optik abgelegt werden und dass b. während des Betriebs die Steuerung aus den Daten der Datenerfassungsmittel die momentane, zeitabhängige laserstrahlinduzierte Abweichung der Fokusposition zur Sollposition mittels Kalibrationsdaten berechnet wird, und c. in Abhängigkeit der berechneten Abweichung der Fokusposition von der gewünschten Fokusposition mittels Kalibrationsdaten ein Stellmotor derart angesteuert wird, dass dadurch die Abweichung der Fokuslage kompensiert wird und die korrigierte Fokuslage damit der Soll-Fokusposition entspricht.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Verfahrensschritt 1b als Mittel zur Erfassung der Daten ein optischer Fokuslagensensor verwendet wird, durch welchen ein Signal geliefert wird, dass von der Abweichung der tatsächlichen Fokuslage zur Soll-Fokuslage abhängig ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Mittel zur Erfassung von Daten in Verfahrensschritt 1b Informationen über die momentane Laserleistung an die Steuerung übertragen werden und durch die Steuerung aus den zeitabhängigen Laserleistungsdaten die zeit abhängige Fokusposition berechnet wird und daraus einen Korrekturwert zur Verstellung der Linsengruppe bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor Verfahrensschritt 1a in einem vorhergehenden Verfahrensschritt die Abhängigkeit der Fokusposition von der momentanen Laserleistung zeitabhängig ermittelt wird, wobei die ermittelten Daten als Kalibrationsdaten in der Speichereinheit abgelegt werden, oder auf Basis der ermittelten Daten Kalibrationsdaten berechnet und abgelegt werden.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung von Daten eine Schnittstelle beinhaltet, an die die Information über die momentane Laserleistung von der Laserquelle oder einer übergeordneten Steuerung übertragen wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung von Daten einen optischen Sensor beinhalten, durch den ein Bruchteil der Leistung des Laserstrahls empfangen wird und durch den ein von der empfangenen Leistung abhängiges Signal geliefert wird, welches nachfolgend an die Steuerung übertragen wird.
Vorrichtung zur Stabilisierung der Fokuslage bei Optiken für Hochleistungs-Laserstrahlung zur Lasermaterialbearbeitung mit einer Steuerung, mit Mitteln zur Erfassung von Daten und mit einer Optik, bei der mindestens ein Teil des optischen System in axialer Richtung bewegbar gelagert ist und durch einen Stellmotor angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung von Daten einen optischen Sensor beinhalten, der entweder zur Messung der momentanen Intensität des Laserstrahls oder zur Messung der axialen Fokusposition geeignet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer aus Kollimator und Fokussierung bestehenden Optik der Kollimator oder die Fokussierung axial verstellbar ist und zur Korrektur der Fokuslage verwendbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet dadurch, dass bei einer aus 4 Linsengruppen bestehenden Optik, wobei die erste Gruppe die Funktion ei nes Kollimators hat, die zweite Gruppe eine positive Brechkraft, die dritte Gruppe eine negative Brechkraft und die vierte Gruppe eine positive Brechkraft besitzt, entweder die zweite oder die dritte Linsengruppe axial verstellbar ist und zur Korrektur der Fokuslage geeignet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel zur Erfassung von Daten einen optischen Sensor beinhalten, der einen Bruchteil der Leistung des Laserstrahls empfängt und ein von der empfangenen Leistung abhängiges Signal liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor die Intensität des gesamten Strahlquerschnitts erfasst und somit ein zur Leistung proportionales Signal liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor nur die Intensität in der Strahlmitte erfasst und somit ein zur Leistungsdichte proportionales Signal liefert.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor mehrere über den Strahlquerschnitt verteilte aktive Flächen aufweist, womit die Intensitätsverteilung des Strahls erfasst werden kann.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor hinter einem hochreflektierendem Umlenkspiegel angeordnet ist und die transmittierte Reststrahlung erfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Sensor neben einem antireflex-beschichteten Auskoppelspiegel angeordnet ist und die reflektierte Reststrahlung erfasst.
Verwendung einer Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 10 bis 15 für die Modifikation von Werkstücken, insbesondere dem Fügen, Beschichten oder Trennen von Werkstücken.