DE102007053632B4

DE102007053632B4 - Verfahren zur koaxialen Strahlanalyse an optischen Systemen

Info

Publication number: DE102007053632B4
Application number: DE102007053632.3A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kramer Reinhard; Dipl.-Ing. Stefan (FH) Wolf; Dr.rer.nat. Märten Otto; Dr.rer.nat. Schwede Harald
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2007-11-08
Filing date: 2007-11-08
Publication date: 2017-12-14
Anticipated expiration: 2027-11-09
Also published as: DE102007053632A1

Abstract

Verfahren zur online Strahlanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass an einer reflektierenden Oberfläche eines lotrecht zum Hauptstrahl befindlichen optischen Elements ein definierter Prozentsatz eines in eine Bearbeitungszone mit Fokus geleiteten Strahles koaxial rückreflektiert wird, und dieser rückreflektierte Teilstrahl durch einen Strahlteiler vom Hauptstrahl separiert wird, so dass der rückreflektierte Teilstrahl während eines Bearbeitungsprozesses zur Strahlanalyse zur Verfügung steht, und Strahleigenschaften des rückreflektierten Teilstrahls analysiert werden.

Description

Stand der Technik
Anwendungen von Lasern erfordern in der Regel ein optisches System, um den Laserstrahl von der Strahlquelle zu seinem Einsatzort zu transportieren, und seinen Eigenschaften den Erfordernissen aus der Anwendung anzupassen.
Dabei verändern die eingesetzten optischen und mechanischen Komponenten, sowie transparente Medien den Laserstrahl nicht nur in der vorgesehenen Art und Weise, sondern können die Eigenschaften des Laserstrahls auch in ungeplanter dysfunktionaler Weise beeinflussen. Ursachen hierfür können unter Anderem Erwärmung durch Absorption, Verschmutzung oder Beschädigung von optischen Flächen sein. Darüber hinaus kann die Qualität des gesamten optischen Systems mehr oder weniger weit vom theoretischen Optimum entfernt sein, wodurch die Strahleigenschaften in der Anwendungszone unter Umständen nicht den Anforderungen entsprechen. Im Betrieb der Anwendung kann es zu ungewünschten zeitlichen Veränderungen der Strahleigenschaften, zum Beispiel durch Erwärmung, kommen, welche die Qualität des Anwendungsergebnisses zumeist negativ beeinflusst. Veränderungen am optischen System durch Verschleiß bzw. Verschmutzung können über einen längeren Zeitraum (Stunden bis Wochen) die Qualität der Anwendungsergebnisse weiter verschlechtern.
Durch Strahlanalyse lassen sich die Strahleigenschaften in der Anwendungszone bestimmen. Nach heutigem Stand der Technik werden dazu externe Messgeräte in die Anwendungszone eingebracht und mit Ihnen die Strahleigenschaften vor und nach Prozessdurchführung bestimmt.
Beispielsweise ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2006 007 750 A1 ein Verfahren und eine Anordnung zur Kontrolle der Fokustiefe eines abbildenden optischen Systems bekannt. Bei dem Verfahren werden die im Fokus rückreflektierten Anteile des Strahls ausgekoppelt und analysiert. Zur Kontrolle der Fokuslage werden spezielle optische Elemente, wie beispielsweise Pinhole-Arrays oder diffraktiv-optische Elemente, in den Strahlengang eingesetzt. Wegen der zusätzlich eingesetzten speziellen optischen Elemente ist das Verfahren nicht zur online Strahlanalyse geeignet; die Fokuslage kann nur unmittelbar vor einem Bearbeitungsprozess kontrolliert werden.
Das Patent DE 196 30 607 C1 offenbart eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines Laserstrahls. Mit der gezeigten Anordnung kann die Energie oder die Leistung des Strahls während eines Bearbeitungsprozesses überwacht werden. Es wird dazu ein schräggestelltes Fenster im fokussierten Laserstrahl angeordnet, welches einen Strahlteil aus dem Laserstrahl auskoppelt und auf einen seitlich angeordneten Detektor richtet. Die Anordnung ist nachteilig, weil das schräggestellte Fenster im fokussierten Strahlengang Abbildungsfehler, insbesondere Astigmatismus, erzeugt und dadurch die Qualität des Strahlfokus beeinträchtigt wird.
Die Offenlegungsschrift DE 101 13 518 A1 zeigt ein Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfes. Dazu wird mittels einer außerhalb des Laserstrahls angeordneten Strahlungsdetektoranordnung eine vom Laserstrahl durchsetzte Fläche eines Schutzglases beobachtet. Durch Streuung des Laserstrahls an Partikeln auf dem Schutzglas wird eine Strahlungsintensität an der Detektoranordnung gemessen, die mit einem Referenzwert verglichen werden kann. Dadurch kann der Verschmutzungsgrad während eines Bearbeitungsprozesses überwacht werden. Da die Detektoranordnung nur das von Schmutzpartikeln erzeugte Streulicht empfangen kann, ist eine Strahlanalyse mit dem gezeigten Verfahren nicht möglich.
Eine weitere Möglichkeit zur Überwachung von Komponenten während des Prozesses ist beispielsweise aus dem Patent DE 103 10 854 B3 bekannt. Dort sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Überwachung von Fehlstellen an einer optischen Komponente einer Laserbearbeitungsanlage beschrieben. Die Vorrichtung umfasst ein erstes optisches System, welches zur Bestrahlung eines Objektes dient, weiterhin ein zweites optisches System, sowie ein bildgebendes Sensorsystem und ein damit verbundenes Auswertesystem. Das zweite optische System bildet die Emissionszone am Bestrahlungsort auf einen Detektor des bildgebenden Sensorsystems ab, wobei gleichzeitig die optische Komponente, typischerweise das Schutzglas, durchstrahlt wird und auf diese Weise Ablagerungen oder andere Fehlstellen des Schutzglases als unscharfer Schleier das Bild der Emissionszone überlagern. Mittels einer Auswertung von Änderungen der Helligkeitswerte des Bildes der Wechselwirkungszone kann somit das Schutzglas überwacht werden. Eine Strahlanalyse, also eine Analyse des zur Bearbeitung eingesetzten Laserstrahls, kann mit dem gezeigten Verfahren nicht durchgeführt werden, da einerseits das Sensorsystem zur Abbildung der Prozesszone eingerichtet ist, und weil andererseits im Strahlengang des zweiten optischen Systems zur Unterdrückung des aus der Prozesszone gestreuten oder reflektierten Laserlichts ein wellenlängenselektives Element vorgesehen ist.
Eine online Strahlanalyse, während des Prozesses, ist mit dieser Art von Messgeräten in der Regel nicht möglich, da während der Messung die Prozesszone nicht frei zugänglich ist. Voraussetzung für eine online Strahlanalyse ist die Auskopplung eines Teilstrahls aus dem zur Prozesszone transportierten Laserstrahls, beispielsweise über einen Strahlteiler oder ein holografisches Gitter. Hier können nach heutigem Stand der Technik wichtige Strahleigenschaften unter Anderem wie Leistung, Polarisation, Leistungsdichteverteilung, Strahlqualität und Wellenlänge bestimmt werden.
Nachteil dieser Verfahren ist, dass in der Regel nicht die Beiträge aller optischen Komponenten zu den Strahleigenschaften in der Prozesszone betrachtet werden können. Exemplarisch sei auf die durch Abbildungsoptiken und Schutzgläser hervorgerufenen, von der Einschaltdauer abhängige, Fokusposition bei einer Laserbearbeitungsanwendung hingewiesen.
Die hier beschriebene Erfindung zielt darauf ab, Strahlanalyse online unter Einbeziehung aller im optischen System vorhandenen Komponenten und Medien zu ermöglichen.
Beschreibung der Erfindung
Kern dieser Erfindung ist es, die an einem beliebigen transmissiven oder teiltransmissiven optischen Element entstehende gerichtete Rückreflexion zur Strahlanalyse heranzuziehen. Dieser rückreflektierte Teilstrahl kann an einer geeigneten Stelle im Strahlengang vom Hauptstrahl, mittels einem geeigneten optischen Element, zum Beispiel ein Strahlteiler, separiert werden. Im weiteren können die Strahleigenschaften des Teilstrahls mit geeigneten Sensoren analysiert werden. Alternativ kann mit einem optischen Abbildungssystem die aus der Prozesszone gerichtet rückreflektierte Laserstrahlung auf die Sensoren abgebildet und analysiert werden. Ist die reflektierende Fläche die letzte optische Fläche im System, so kann das gesamte Strahlführungssystem überwacht werden.
Die Durchführung dieser Erfindung ist im folgenden beispielhaft an einer Bearbeitungsoptik für die Lasermaterialbearbeitung dargestellt.
zeigt schematisch das optische Layout in einer Bearbeitungsoptik. Der an der Faser (1) divergent austretende Laserstrahl (2) wird zuerst mittels einer Optik kollimiert (3), über einen Strahlteiler (4) um 90° umgelenkt, mit einer Optik fokussiert (5) und schließlich durch ein Schutzglas (6) in die Bearbeitungszone (7) mit Fokus geleitet.
In diesem Beispiel werden an allen optischen Flächen der Elemente 5, 6 und 7 reflektierte Teilstrahlen, überlagernd am Strahlteiler (4) ausgekoppelt. Über ein geeignetes optisches System (10) kann nun jeder der Teilstrahlen auf einen Sensor (11) (zum Beispiel Kamerasystem) abgebildet und analysiert werden. Beispielhaft zeigt den, gestrichelt dargestellten, Strahlengang, des an der letzten optischen Fläche rückgestreuten Teilstrahls (8, 9, 10).

Claims

Verfahren zur online Strahlanalyse, dadurch gekennzeichnet, dass an einer reflektierenden Oberfläche eines lotrecht zum Hauptstrahl befindlichen optischen Elements ein definierter Prozentsatz eines in eine Bearbeitungszone mit Fokus geleiteten Strahles koaxial rückreflektiert wird, und dieser rückreflektierte Teilstrahl durch einen Strahlteiler vom Hauptstrahl separiert wird, so dass der rückreflektierte Teilstrahl während eines Bearbeitungsprozesses zur Strahlanalyse zur Verfügung steht, und Strahleigenschaften des rückreflektierten Teilstrahls analysiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierende Oberfläche die letzte optische Fläche in einem optischen System vor der Bearbeitungszone mit Fokus ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch ein optisches Abbildungssystem sowohl ein Bild des zur Bearbeitung eingesetzten Fokus, als auch ein Bild der reflektierenden Oberfläche auf einem zur Beobachtung eingesetzten Kamerasystem abgebildet werden kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass durch Raumfilterung des rückreflektierten Teilstrahls der Kontrast des Bildes der reflektierenden Oberfläche erhöht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das lotrecht zum Hauptstrahl befindliche optische Element mit der reflektierenden Oberfläche einen Keilwinkel aufweist, um eine Reflexion an der reflektierenden Oberfläche des optischen Elements von einer Reflexion an einer anderen Oberfläche des optischen Elements bildseitig zu trennen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem polarisierten Hauptstrahl durch Einsatz von phasenschiebenden optischen Elementen und Polarisatoren der Hauptstrahl und der rückreflektierte Teilstrahl von einander getrennt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein optisches Abbildungssystem so gestaltet und/oder verändert wird, dass die Bereiche Lichtleitkabel (1), divergenter Laserstrahl (2) und Kollimationsoptik (3) auf einer Kamera abgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der rückreflektierte Teilstrahl mit interferometrischen Verfahren auf Störungen der Phasenflächen untersucht wird und so eine Qualität und eine Beanspruchung der optischen Elemente untersucht wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die rückreflektierten Teilstrahlen, die an einer Ober- und/oder Unterseite des optischen Elementes entstehen, das einen Keilwinkel besitzt, getrennt vermessen werden, um eine Verschmutzung des optischen Elements auf einer Seite zu diagnostizieren.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Leistungsunterschied zwischen dem rückreflektierten Teilstrahl an einer Unterseite und dem rückreflektierten Teilstrahl an einer Oberseite des optischen Elementes mit einem Keilwinkel zur Detektion von Verschmutzung des optischen Elements benutzt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenflächen des rückreflektierten Teilstrahls mit einem Hartmann-Shack Sensor untersucht werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Qualität eines optischen Systems bestimmt wird, indem die Strahleigenschaften eines am Strahlteiler ausgekoppelten, vorwärtslaufenden Strahls mit denen des rückreflektierten Teilstrahls verglichen werden.