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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Gitterspiegel zur Online-Überwachung
eines Laserstrahls, eine Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung
eines Laserstrahls mit einem solchen Gitterspiegel, sowie einen
Laserresonator und eine Strahlführung mit einer solchen Überwachungsvorrichtung.
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Überwachungsvorrichtungen
zur Online-Überwachung von Laserstrahlen sind verschiedentlich
bekannt. So bietet z. B. die Firma Spiricon Überwachungsvorrichtungen
für CO2- und Festkörperlaser
zur Analyse und Überwachung von Laserstrahlen an, bei denen über
einen teiltransmissiven Strahlteiler ein Anteil des Laserstrahls
aus dem Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt und einer Detektorvorrichtung
zugeführt wird. Die Überwachungsvorrichtung umfasst
eine Fokussierlinse, Umlenkspiegel, Filter und eine Kamera.
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Problematisch
an der Verwendung von (teil-)transmissiven Materialien wie ZnSe,
GaAs, Ge, ZnS oder Si als Substrate zur Auskopplung eines Anteils
des Laserstrahls ist es, dass die ausgekoppelte Laserstrahlung durch
das Substratmaterial hindurch tritt, wodurch eine Kühlung
des optischen Elements nicht mehr vollflächig von der Rückseite
erfolgen kann und daher entlang des Umfanges erfolgen muss. Die
meisten der oben genannten Materialien haben zudem eine schlechte
Wärmeleitfähigkeit, aus der gemeinsam mit der
veränderten Kühlung eine größere
Empfindlichkeit gegenüber Zerstörung bei Verschmutzung
des zur Auskopplung verwendeten optischen Elements resultiert. Ferner
kann die Fokussierung oder Abbildung des ausgekoppelten Laserstrahls,
falls diese erforderlich ist, in der Regel nur durch ein weiteres
optisches Element erreicht werden.
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Das
deutsche Patent
DE 101 58 859 der Fachhochschule
Hildesheim/Holzminden/Göttingen offenbart ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Analyse und Überwachung der Intensitätsverteilung
eines Laserstrahls über den Laserstrahlquerschnitt. Das Überwachungsverfahren
basiert auf der Idee, dass sich in einem Laserspiegel, der einen
Laserstrahl umlenkt, aufgrund der unterschiedlichen Intensitäten
eine entsprechende Temperatur- und Wärmeverteilung und
damit einhergehend eine lokale Wärmeausdehnung im Laserspiegel
einstellt, die interferometrisch erfasst werden kann. Die Überwachungsvorrichtung
umfasst einen Laserspiegel, eine Messlichtquelle, einen Strahlteiler,
eine Referenzplatte und eine Kamera. Der Messlichtstrahl tritt ohne
Umlenkung durch den Strahlteiler hindurch und gelangt durch die
Referenzplatte auf die Spiegeloberfläche. Der Messlichtstrahl
wird in sich selbst reflektiert und bildet zwischen Spiegeloberfläche
und einer Referenzfläche ein Interferenzmuster aus, das
mit der Kamera beobachtet wird.
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Die
deutsche Patentanmeldung
DE
101 49 823 beschreibt einen Laserstrahlanalysator zum Erfassen
der Intensitätsverteilung und/oder der Lage eines von einem
Umlenkspiegel reflektierten Laserstrahls. Eine Detektoranordnung
fängt hierbei außerhalb der Reflexionsrichtung
von Streuzentren in der Spiegeloberfläche kommendes Streulicht
auf, um dessen Verteilung zu analysieren.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gitterspiegel,
eine Überwachungsvorrichtung, einen Laserresonator und
eine Strahlführung bereitzustellen, mit denen die Auskopplung
und Fokussierung eines Laserstrahls zur Online-Überwachung
mittels eines einzigen optischen Elements erfolgen kann.
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Gegenstand der Erfindung
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch
einen Gitterspiegel, der eine lokale Gitterperiode und eine lokale
Ausrichtung der Gitterlinien aufweist, die jeweils derart gewählt
sind, dass der Gitterspiegel einen in eine höhere Beugungsordnung
gebeugten Laserstrahl auf mindestens einen Fokuspunkt fokussiert.
Die Beugung in die höhere Beugungsordnung erfolgt unter
einem anderen Beugungswinkel als die nullte Beugungsordnung, die dem
reflektierten Laserstrahl bei Umlenkspiegeln ohne Gitterlinien entspricht
und im Weiteren auch als reflektierter Laserstrahl bezeichnet wird,
so dass der in die höhere Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl
auf einen Detektor verkleinert abgebildet oder (teilweise) fokussiert
werden kann, ohne den Strahlverlauf des reflektierten Laserstrahls
zu stören. Die Fokussierung des gebeugten Laserstrahls
einer höheren Beugungsordnung ermöglicht auch
bei Laserstrahlen mit großen Strahlquerschnitten die Verwendung
von Detektoren mit einer kleinen Detektorfläche, wodurch
Kosten eingespart werden können. Ferner kann zur Auskopplung
eines Messstrahls und zur Fokussierung des Messstrahls dasselbe
optische Element verwendet werden, so dass auf eine zusätzliche
Fokussierungs- bzw. Abbildungsoptik verzichtet werden kann. Die
Intensität des ausgekoppelten Teilstrahls bzw. das Verhältnis
zwischen den Intensitäten des reflektierten und des in
die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls können
hierbei über die Wahl der Form der Gitterlinien (Flankenwinkel, Tastverhältnis,
Gittertiefe) und die Polarisation des Laserstrahls eingestellt werden.
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Wenn
die Ausrichtung der Gitterlinien nicht parallel ist, sondern sich
lokal über die Oberfläche des Gitterspiegels verändert,
kann die Richtung des ausgekoppelten Teilstrahls an jeder Stelle
des Gitterspiegels unterschiedlich gewählt werden. Mit
einer konzentrischen Gitteranordnung (mit Zentrum in der Umlenkebene)
kann der Laserstrahl senkrecht zur Umlenkebene fokussiert (oder
defokussiert) werden. Bei zusätzlicher Wahl einer geeignet
angepassten, lokal unterschiedlichen Gitterperiode kann der Laserstrahl
auch in der Umlenkebene fokussiert (oder defokussiert) werden. Insbesondere
sind diese beiden Fokussierungen zunächst unabhängig,
so dass eine Kombination gefunden werden kann, bei welcher der in
die höhere Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl auf einen
gemeinsamen Fokuspunkt gelenkt wird. Alternativ ist es auch möglich,
den Laserstrahl so astigmatisch auf zwei unterschiedliche Fokuspunkte
zu fokussieren, dass der elliptisch gebeugte Laserstrahl auf eine
vorgegebene Ebene kreisförmig abgebildet bzw. (teil-)fokussiert
wird.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wellenlänge
und der Einfallswinkel des Laserstrahls sowie die lokale Gitterperiode
des Gitterspiegels derart gewählt, dass neben dem reflektierten
Laserstrahl der nullten Beugungsordnung nur ein in eine höhere
Beugungsordnung gebeugter Laserstrahl, insbesondere der in die minus
erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl, auftritt. Diese höhere
Beugungsordnung ist für gewöhnlich die (positive
oder negative) erste Beugungsordnung. Laserleistung, die nicht in
der nullten oder ersten Beugungsordnung auftritt, reduziert die
Leistung des in die nullte Beugungsordnung reflektierten Laserstrahls,
ohne dass diese sinnvoll genutzt werden kann. Daher ist es günstig,
die obigen Parameter entsprechend der Beugungsgleichung derart festzulegen,
dass lediglich die nullte und (minus) erste Beugungsordnung existieren.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform sind die lokale Gitterperiode
und der lokale Winkel der Gitterlinien jeweils derart gewählt,
dass der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl
auf den mindestens einen Fokuspunkt fokussiert wird. Da physikalisch
bedingt die Intensität der gebeugten Laserstrahlung mit
zunehmender Beugungsordnung rasch abnimmt, ist es vorteilhaft, eine
möglichst niedrige Beugungsordnung zur Auskopplung zu wählen. Für
die Auskopplung der minus ersten Beugungsordnung lässt
sich hierbei eine geeignete lokale Ausrichtung der Gitterlinien
auf besonders einfache Weise auffinden.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gitterlinien
als Kreise ausgebildet, die konzentrisch um einen Mittelpunkt angeordnet
sind. In diesem Fall kann durch geeignete Variation der Gitterperiode
in radialer Richtung die Fokussierung des in eine höhere
Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf einen Fokuspunkt erfolgen.
Die Verwendung eines radial symmetrischen Gitterspiegels ist besonders
vorteilhaft, da dieser leicht herzustellen ist. Die Gitterlinien
können hierbei in einen herkömmlichen Spiegel
durch Ätzen in das Substrat oder in die dielektrischen
Schichten einer reflexionsverstärkenden Mehrlagen-Beschichtung
erfolgen. Insbesondere kann der Gitterspiegel durch off-axis-Diamantdrehen
hergestellt werden, wodurch automatisch eine konzentrische Struktur
entsteht. Da für die Online-Überwachung nur ein
geringer Anteil des Laserstrahls ausgekoppelt wird, ist die erforderliche
Strukturtiefe leicht herzustellen.
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In
einer bevorzugten Weiterbildung ist der Mittelpunkt der konzentrisch
angeordneten Gitterlinien in einem Abstand zum Schnittpunkt der
optischen Achse des in die höhere Beugungsordnung gebeugten
Laserstrahls mit dem Gitterspiegel angeordnet. In der Regel wird
bei einem Gitterspiegel mit konzentrischen Gitterlinien der Laserstrahl
mit seiner optischen Achse auf den Mittelpunkt der Gitterlinien
ausgerichtet. Im vorliegenden Fall kann durch den lateralen Versatz
der optischen Achse die Fokussierung des in die höhere
Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf einen Fokuspunkt realisiert
werden.
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In
einer vorteilhaften Weiterbildung weicht der Abstand zwischen dem
Mittelpunkt der konzentrisch angeordneten Gitterlinien und dem Schnittpunkt der
optischen Achse höchstens um ±10% von einem Abstand
ab, der gegeben ist durch: YC = mλf/P0, wobei P0 die Gitterperiode
am Schnittpunkt, f den Abstand zwischen dem Schnittpunkt und dem
Fokuspunkt, λ die Wellenlänge des Laserstrahls
und m die Beugungsordnung des Laserstrahls bezeichnen. Durch obige
Gleichung ist der optimale Abstand zwischen Mittelpunkt und Schnittpunkt
für eine Fokussierung des in die höhere Beugungsordnung
gebeugten Laserstrahls auf den Fokuspunkt gegeben. Geringe Abweichungen
von diesem optimalen Abstand im Bereich von ca. ±10% können
jedoch toleriert werden.
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Bei
einer alternativen Ausführungsform verlaufen die Gitterlinien
entlang einer Kurvenschar fi(x) = yi + A(yi)x2 + B(yi)x4. Für die Bestimmung der optimalen
Kurvenschar, entlang derer die Gitterlinien verlaufen sollen, müssen
Lösungen ein nichtlinearen Gleichungssystems approximiert
werden, was auf numerischem Wege durch eine Entwicklung um den Punkt
x = 0 geschieht. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei größeren
Abweichungen von diesem Punkt obiger Ansatz zur Bestimmung der Kurvenschar
bessere Ergebnisse liefert als die Verwendung eines Ansatzes mit
konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien. Es versteht
sich, dass auch andere Ansätze zur Bestimmung der Kurvenschar
der Gitterlinien zum Einsatz kommen können, wobei der jeweils
am besten geeignete Ansatz von Parametern wie bspw. der Apertur des
Gitterspiegels abhängig ist. Sind die auftretenden Abweichungen
für einen gewählten Ansatz zu groß, wird
ein anderer Ansatz gewählt, bis eine Kurvenschar mit akzeptablen
Abweichungen ermittelt wurde.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Überwachungsvorrichtung
zur Online-Überwachung eines Laserstrahls, umfassend: einen
Gitterspiegel wie oben beschrieben, eine Detektoreinheit zur Detektion
des in die höhere Beugungsordnung gebeugten, auf den mindestens
einen Fokuspunkt fokussierten Laserstrahls, sowie eine Auswerteeinheit
zur Auswertung des detektierten Laserstrahls. Eine solche Überwachungsvorrichtung
kann in einer kompakten Bauform realisiert werden, da der Gitterspiegel
die Fokussierung bzw. Abbildung des in die höhere Beugungsordnung
gebeugten Laserstrahls auf den Detektor übernimmt, so dass
auf eine zusätzliche Fokussier- bzw. Abbildungsoptik verzichtet
werden kann.
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Bei
einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Detektoreinheit
in einem Abstand von weniger als 20% der Brennweite des Gitterspiegels
vom Fokuspunkt entfernt angeordnet. In diesem Fall kann eine Detektoreinheit
mit einer kleinen Detektorfläche gewählt werden,
wodurch einerseits Kosten gesenkt und andererseits eine weitere
Reduzierung der Größe der Überwachungsvorrichtung
realisiert werden kann.
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Bevorzugt
ist die Detektoreinheit als ortsauflösender Detektor, als
Quadrantendetektor oder als Leistungsdetektor ausgebildet. Die Verwendung
eines ortsauf lösenden Detektors, z. B. eines Array-Detektors
oder einer IR-Kamera, bietet die Möglichkeit, die Intensitätsverteilung
und damit die Strahlform des Laserstrahls online zu überwachen.
Auch ist es alternativ möglich, mittels eines Quadrantendetektors
lediglich das Pointing des Laserstrahls zu überwachen. Auch
die Verwendung eines Leistungsdetektors ist möglich, der
keine ortsaufgelöste Information liefert, sondern lediglich
die Gesamtintensität des Laserstahls detektiert. Aus der
gemessenen Intensität des in die höhere Beugungsordnung
gebeugten Laserstrahls kann die Auswerteeinheit die Gesamtleistung des
Laserstrahls ermitteln, da die Aufteilung der Intensitäts-Anteile
auf die nullte und die höhere Beugungsordnung bekannt ist.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Laserresonator
mit einer Überwachungsvorrichtung wie oben beschrieben.
Die Überwachungsvorrichtung ist hierbei typischer Weise
in den Laserresonator integriert.
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Ein
Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Strahlführung
zur Zuführung eines Laserstrahls von einem Laserresonator
zu einem Laserbearbeitungskopf mit einer Überwachungsvorrichtung
wie oben beschrieben. In diesem Fall kann ein Umlenkspiegel der
Strahlführung gegen den Gitterspiegel ausgetauscht werden.
Es versteht sich, dass der Einsatz der Überwachungsvorrichtung
nicht nur auf die oben beschriebene Strahlführung beschränkt
ist, sondern sich vorteilhaft in jeder Strahlführung für
einen Laserstrahl einsetzen lässt, welche wenigstens einen
Umlenkspiegel aufweist.
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Weitere
Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der
Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die
noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich
oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die
gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht
als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern
haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung
der Erfindung.
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Es
zeigen:
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1 einen
CO2-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator,
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2 einen
CO2-Gaslaser mit einer externen Strahlführung
und einem Bearbeitungskopf,
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3 das
Beugungsverhalten eines Gitterspiegels mit parallelen Gitterlinien,
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4a–c
die Auslegung eines Gitterspiegels in mehreren Schritten,
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5 einen
erfindungsgemäßen Gitterspiegel mit konzentrischen,
kreisförmigen Gitterlinien und
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6 eine
erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung
mit einem Gitterspiegel, der als hochreflektierender Umlenkspiegel
ausgebildet ist.
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1 zeigt
einen quadratisch gefalteten Laserresonator 1 eines CO2-Gaslasers mit acht Entladungsstrecken.
Ein teiltransmittierender Auskoppelspiegel 2, der bspw.
einen Reflexionsgrad von 70% und einen Transmissionsgrad von 30%
aufweist, und ein hochreflektierender Endspiegel 3 begrenzen
den Laserresonator 1. Ein im Laserresonator 1 erzeugter Laserstrahl 4 wird über
acht Umlenkspiegel 5 bis 12 in zwei übereinander
liegenden, parallelen Ebenen 13, 14 quadratisch
gefaltet, wobei vier Umlenkspiegel 5 bis 8 in
der oberen Ebene 13 und vier weitere Umlenkspiegel 9 bis 12 in
der unteren Ebene 14 angeordnet sind. Der Laserstrahl 4 wird
vom Endspiegel 3 kommend an den ersten drei Umlenkspiegeln 5, 6 und 7 in
der oberen Ebene 13 um jeweils 90° umgelenkt.
Der Laserstrahl 4, der vom dritten Umlenkspiegel 7 auf
den vierten Umlenkspiegel 8 in der oberen Ebene 13 umgelenkt
wird, wird von diesem und anschließend vom ersten Umlenkspiegel 9 in
der unteren Ebene 14 ebenfalls um 90° umgelenkt,
allerdings in einer zu den Ebenen 13, 14 senkrechten Richtung,
und gelangt von der oberen Ebene 13 in die untere Ebene 14.
Die weiteren drei Umlenkspiegel 10, 11 und 12 lenken
den Laserstrahl 4 um jeweils 90° in der unteren
Ebene 14 um. Vom vierten Umlenkspiegel 12 der
unteren Ebene 14 kommend trifft der Laserstrahl 4 auf
den teiltransmittierenden Auskoppelspiegel 2, an dem ein
Teil des Laserstrahls als ausgekoppelter Laserstrahl 15 aus
dem Laserresonator 1 ausgekoppelt und ein anderer Teil
als reflektierter Laserstrahl 16 in den Laserresonator 1 reflektiert
wird. Der reflektierte Laserstrahl 16 trifft in umgekehrter
Richtung zum Laserstrahl 4 auf die acht Umlenkspiegel 5 bis 12 und durchquert
sämtliche Entladungsstrecken zwischen dem Auskoppelspiegel 2 und
dem Endspiegel 3.
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Damit
der aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelte Laserstrahl 15 als
Bearbeitungswerkzeug eingesetzt werden kann, wird der Laserstrahl 15 wie in 2 gezeigt
in einer externen Strahlführung 20 über
reflektierende, teiltransmittierende und transmittierende optische
Elemente, wie z. B. Spiegel und Linsen, vom Laserresonator 1 zu
einem Bearbeitungskopf 21 geführt, in welchem
eine Fokussierung des Laserstrahls 15 erfolgt. Der ausgekoppelte
Laserstrahl 15 wird über ein Strahlteleskop 22,
das in 2 als Spiegelteleskop mit zwei Spiegeln 23, 24 ausgebildet
ist, auf einen gewünschten Strahldurchmesser aufgeweitet
und über Umlenkspiegel 25a, 25b, die
in 2 als 90°-Umlenkspiegel ausgebildet sind,
zum Bearbeitungskopf 21 umgelenkt. Der Bearbeitungskopf 21 kann
wie in 2 gezeigt als Spiegelkopf ausgebildet sein und
umfasst in diesem Fall einen Fokussierspiegel 26, der den
Laserstrahl 15 auf einen für die Bearbeitung geforderten
Strahldurchmesser fokussiert. Bei Bedarf können weitere Umlenkspiegel
in der externen Strahlführung 20 angeordnet sein,
die den Laserstrahl 15 umlenken.
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Um
den Laserstrahl 4 im Laserresonator 1 oder den
aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelten Laserstrahl 15 mit
Hilfe eines resonatorinternen Umlenkspiegels 5 bis 12 oder
eines resonatorexternen Umlenkspiegels 25a, 25b zu überwachen,
wird der Umlenkspiegel mit Gitterlinien versehen, die den Laserstrahl
in mehrere Beugungsordnungen aufspalten. Ein mit Gitterlinien versehener
Spiegel, der bspw. als Umlenkspiegel 5–12, 25a, 25b,
Auskoppelspiegel 2 oder Endspiegel 3 ausgebildet
ist, wird als Gitterspiegel bezeichnet. Bevorzugt ist der Gitterspiegel
als hochreflektierender Umlenkspiegel ausgebildet. Unter einem hochreflektierenden
Gitterspiegel wird im Sinne dieser Anmeldung ein Gitterspiegel verstanden,
bei dem der reflektierte Laserstrahl einen Anteil von 95% oder mehr
der Intensität des einfallenden Laserstrahls aufweist.
Ein solcher Umlenkspiegel kann einen herkömmlichen Umlenkspiegel
im Laserresonator oder in der Strahlführung ersetzen, um
eine Online-Überwachung des Laserstrahls vorzunehmen. In
der Regel bewirkt der Umlenkspiegel hierbei eine Umlenkung des Laserstrahls
um 90°.
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3 zeigt
das Beugungsverhalten eines Gitterspiegels 30 mit parallelen
Gitterlinien 31 und einer konstanten Gitterperiode P, die
als Summe aus der Gitterlinienbreite und dem Abstand zwischen zwei
Gitterlinien definiert ist. Das Beugungsverhalten des Gitterspiegels 30 wird
durch die allgemein gültige Beugungsgleichung P[sin(βm) – sin(Θ)]
= m·λbeschrieben, die besagt, dass bei einer
gewählten Gitterperiode P und gegebenen Wellenlänge λ des Laserstrahls
nur eine begrenzte Zahl von Beugungsordnungen m auftritt (m = 0, ±1, ±2,
...), die sich im Raum unter verschiedenen Beugungswinkeln βm ausbreiten. Dabei sind der Winkel zwischen
der Flächennormale 32 des Gitterspiegels 30 und
der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 als Einfallswinkel Θ und
der Winkel zwischen der Oberfläche 35 des Gitterspiegels 30 und
der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 als
Winkel γ definiert.
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Die
optische Achse 36 des gebeugten Laserstrahls der nullten
Beugungsordnung (m = 0), der im Folgenden als reflektierter Laserstrahl 37 bezeichnet wird,
verläuft unter einem Beugungs- oder Ausfallswinkel β0, der dem Einfallswinkel Θ entspricht.
Die optische Achse 38 des gebeugten Laserstrahls der minus
ersten Beugungsordnung (m = –1) 39 verläuft unter
einem Beugungswinkel β–1 =
arcsin[–λ/P + sin(Θ)], der vom Beugungswinkel β0 des reflektierten Laserstrahls 37 verschieden
ist.
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Im
Folgenden wird anhand der 4a–c schrittweise
dargestellt, wie ein Gitterspiegel 30 gemäß 3 zu
modifizieren ist, damit eine höhere Beugungsordnung auf
einen Fokuspunkt fokussiert und der Laserstrahl mit Hilfe des Gitterspiegels überwacht
werden kann.
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4a zeigt
einen Umlenkspiegel 40, der zunächst keine Gitterlinien
aufweist, sowie einen einfallenden Laserstrahl 34, der
unter einem Winkel γ relativ zur Oberfläche des
Umlenkspiegels 40 auf den Umlenkspiegel 40 auftrifft
und von dort als reflektierender Laserstrahl 37 unter dem
Winkel γ reflektiert wird. Die Oberfläche des
Umlenkspiegels 40 ist als Spiegelebene 41 definiert.
Als Umlenkebene 42 ist die Ebene definiert, die durch die
optische Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 und
die optische Achse 36 des reflektierten Laserstrahls 37 aufgespannt
ist. Das Koordinatensystem XYZ ist so ausgerichtet, dass die Spiegelebene 41 die
XY-Ebene und die Umlenkebene 42 die YZ-Ebene des Koordinatensystems
XYZ darstellen. Die optischen Achsen 33, 36 des
einfallenden Laserstrahls 34 und des reflektierten Laserstrahls 37 schneiden
sich im Koordinatenursprung (0, 0, 0).
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Der
einfallende Laserstrahl 34 weist eine räumliche
Ausdehnung auf und besteht aus parallelen Teilstrahlen, die um die
optische Achse 33 angeordnet sind. Alle Teilstrahlen treffen
unter dem gleichen Winkel γ auf den Umlenkspiegel 40,
allerdings weist jeder Teilstrahl unterschiedliche Koordinaten (XS, YS, 0) eines Schnittpunkts 43 mit
der Spiegelebene 41 auf. Damit die parallelen Teilstrahlen
des einfallenden Laserstrahls 34 auf einen gemeinsamen Fokuspunkt 44 mit
den Koordinaten (XF, YF,
ZF) fokussiert werden, müssen die
Teilstrahlen unterschiedlich abgelenkt werden. In 4a ist
der Fokuspunkt 44 in der Umlenkebene 42, welche
die YZ-Ebene bildet, angeordnet, d. h. für die Koordinaten
des Fokuspunkts 44 gilt (0, YF,
ZF). Die Gleichungen, die im Folgenden hergeleitet
werden, gelten für den Fall, dass der Fokuspunkt 44 in
der Umlenkebene 42 liegt. Soll der Fokuspunkt außerhalb
der Umlenkebene 42 liegen, muss bei den Berechnungen zusätzlich
die X-Koordinate XF des Fokuspunkts 44 berücksichtigt werden.
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Die
Richtung eines jeweiligen abgelenkten Teilstrahls 45 ist
durch eine Gerade zwischen den Koordinaten (XS,
YS, 0) des jeweiligen Schnittpunkts 43 mit
der Spiegelebene 41 und den Koordinaten (0, YF,
ZF) des gemeinsamen Fokuspunkts 44 festgelegt. Ausgehend
vom Schnittpunkt 43 kann die Richtung des abgelenkten Teilstrahls 45 durch
zwei Winkel ω und τ beschrieben werden, wobei
der erste Winkel ω als der Winkel zwischen dem abgelenkten
Teilstrahl 45 und einer Parallelen zur Y-Achse und der
zweite Winkel τ als der Winkel zwischen dem abgelenkten Teilstrahl 45 und
einer Parallelen zur X-Achse definiert ist. Für die Winkel ω und τ ergeben
sich folgende Gleichungen in Abhängigkeit von den Koordinaten (XS, YS, 0) des Schnittpunkts 43 und
den Koordinaten (0, YF, ZF)
des Fokuspunkts 44: cos(180° – ω)
= –cos(ω) = |YF – YS|/√[XS 2 + (YF – YS)2 + ZF 2] cos(180° – τ)
= –cos(τ) = XS/√[XS 2 + (YF – YS)2 + ZF 2].
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4b zeigt
den Umlenkspiegel 40 gemäß 4a,
bei dem drei verschiedene Schnittpunkte 43a–c
von parallelen Teilstrahlen des einfallenden Laserstrahls 34 mit
der Spiegelebene 41 eingezeichnet sind. Der untere Schnittpunkt 43a weist
die Koordinaten (0, 0, 0) auf, der mittlere Schnittpunkt 43b die Koordinaten
(XS1, YS1, 0) und
der obere Schnittpunkt 43c die Koordinaten (XS2,
YS2, 0). Damit der gebeugte Laserstrahl
der minus ersten Beugungsordnung 39 auf den Fokuspunkt 44 fokussiert
wird, müssen die verschiedenen Teilstrahlen 45a–c
in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Die Richtungen
der Teilstrahlen 45a–c, die von den Schnittpunkten 43a–c ausgehen
und sich im Fokuspunkt 44 schneiden, sind durch unterschiedliche
Winkel ω und τ gemäß den obigen
Gleichungen definiert.
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Ein
Gitterspiegel gemäß 3 mit linearen Gitterlinien
und konstanter Gitterperiode zerlegt einen einfallenden Laserstrahl 34 in
mehrere Beugungsordnungen, die in unterschiedliche Richtungen gebeugt
werden. Allerdings kann ein solcher Gitterspiegel einen gebeugten
Laserstrahl einer höheren Beugungsordnung, bspw. den gebeugten
Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39, nicht
auf einen Fokuspunkt fokussieren.
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Ein
Gitterspiegel mit linearen Gitterlinien und variabler Gitterperiode
erzeugt eine Fokuslinie, die senkrecht zur Umlenkebene 42 verläuft.
Ein Gitterspiegel mit gekrümmten Gitterlinien, bspw. kreisförmigen
Gitterlinien, und konstanter Gitterperiode fokussiert einen Laserstrahl
linienförmig in einer Ebene parallel zur Umlenkebene 42.
Eine Fokussierung des Laserstrahls auf einen Fokuspunkt 44 ergibt
sich durch Kombination dieser beiden Gittertypen, also durch gekrümmte
Gitterlinien mit variabler Gitterperiode. Aufgabe ist es nun, den
Umlenkspiegel 40 von 4a, b
derart mit gekrümmten Gitterlinien zu versehen, dass der
gebeugte Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39 auf
den Fokuspunkt 44 fokussiert wird.
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Ein
Gitter ist lokal, d. h. an einem Punkt, durch einen Winkel α der
Gitterlinien und die Gitterperiode P festgelegt. Dabei ist der Winkel α definiert als
der Winkel zwischen der Tangente an die jeweiligen Gitterlinie und
einer Parallelen zur Y-Achse. Gesucht sind Winkel α und
Gitterperioden P, die die Teilstrahlen 45a–c ausgehend
von den Schnittpunkten 43a–c auf den Fokuspunkt 44 ablenken.
Damit ergeben sich die folgenden Bestimmungsgleichungen für den
Winkel α und die Gitterperiode P: cos(ω)
= cos(γ)– mλsin(α)/P cos(τ) = λcos(α)/P
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Für
die drei Schnittpunkte 43a–c sind in 4b lokale
Gitterlinien eingezeichnet, die als lineare Gitterlinien mit konstanter
Gitterperiode P dargestellt sind. Diese Näherung (lineare
Gitterlinien, konstante Gitterperiode) gilt für einen kleinen
Bereich um die Schnittpunkte 43a–c. In der Praxis
können diese lokal linearen Gitterbereiche zu einer zu
starken Rasterung führen und die Fokussierung auf den Fokuspunkt
kann zu grob sein. Um die Auflösung des Gitterspiegels
zu erhöhen, ist die Aufgabe nun, eine Kurvenschar von geschlossenen
Gitterlinien zu finden, welche die gezeigten lokalen Winkel α und
Gitterperioden P an den Schnittpunkten 43a–c erzeugt. Ein
Gitterspiegel mit geschlossenen Gitterlinien lässt sich
zudem bei einer Herstellung des Gitterspiegels mittels Lithographie
oder Diamantdrehen einfacher herstellen als Gitterspiegel mit lokal
linearen Gitterbereichen.
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4c zeigt
den Umlenkspiegel 40 gemäß 4a,
b mit geschlossenen Gitterlinien 46. Die Gitterlinien 46 werden
mathematisch als Kurvenschar fi(x) dargestellt,
wobei der Index i als ganzzahliger Wert die einzelnen Funktionen
der Kurvenschar angibt. Für die Kurvenschar fi(x)
gilt die Bedingung fi(x) = tan(90° – α).
Durch Auflösung der obigen Gleichungen cos(ω)
= ... und cos(τ) = ... nach dem Winkel α und der
Gitterperiode P ergibt sich nachfolgendes Gleichungssystem für
fi(x) in Abhängigkeit von den Winkeln γ, ω und τ: fi(x) = tan(90° – α) sin(α) = √[1 – P2cos(τ)2/(m2λ2)] P = – mλ/√[cos(τ)2 + (cos(ω) – cos(γ))2]
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Dieses
Gleichungssystem lässt sich im Allgemeinen analytisch nicht
exakt lösen, sondern muss mit Hilfe numerischer Rechenmethoden
gelöst werden. Dazu werden die Lösungen des Gleichungssystems
um den Punkt x = 0 entwickelt. Als Lösung für
die Gitterlinien 46 können konzentrische, kreisförmige
Gitterlinien approximiert werden. Allerdings zeigt sich, dass die
Abweichungen mit zunehmendem Abstand vom Punkt x = 0 anwachsen.
Sind die Abweichungen bei konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien
zu groß, kann bspw. der Ansatz fi(x)
= yj + Ax2 + Bx4 gewählt werden, wobei die Parameter
A = A(yi) und B = B(yi)
jeweils vom Parameter yi, der den Schnittpunkt
von fi(x = 0) mit der Y-Achse darstellt, abhängen.
Es versteht sich, dass der gewählte Ansatz für
die Kurvenschar fi(x) von verschiedenen
Parametern, wie bspw. der Apertur des Gitterspiegels, abhängt.
Bei Bedarf, d. h. wenn die auftretenden Abweichungen für
einen gewählten Ansatz zu groß sind, wird ein
anderer Ansatz gewählt. Es handelt sich um einen iterativen
Prozess, bei dem der Ansatz für die Kurvenschar fi(x) variiert und die auftretenden Abweichungen
berechnet werden, bis eine Kurvenschar mit akzeptablen Abweichungen
ermittelt wurde.
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5 zeigt
einen Gitterspiegel 50, der als Umlenkspiegel mit kreisförmigen
Gitterlinien 51 ausgebildet ist, die konzentrisch um einen
gemeinsamen Mittelpunkt 52 angeordnet sind. Der Mittelpunkt 52 der
konzentrischen Gitterlinien 51 weist die Koordinaten (0,
YC, 0) auf, wobei die Y-Koordinate YC gegeben ist durch: Y
= mλf/P0,wobei P0 =
P(X = 0, Y = 0, 0) die Gitterperiode im Koordinatenursprung und
f = √[YF 2 +
ZF 2] den Abstand zwischen
dem Koordinatenursprung (0, 0, 0) und dem Fokuspunkt 44 mit
den Koordinaten (0, YF, ZF) angeben.
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Für
die Gitterperiode P der konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien 51 gilt
aufgrund der Beugungsgleichung für die minus erste Beugungsordnung
(m = –1) der Zusammenhang: P = –λ/[sin(β–1) – cos(γ)],mit β–1 = arctan[tan(δ0) – Yi/(fcos(δ0))] und δ0 =
arctan(–YF/ZF).
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δ0 ist hierbei definiert als der Winkel zwischen
der Z-Achse und einer Geraden 53, die durch den Koordinatenursprung
(0, 0, 0) und den Fokuspunkt 44 verläuft. Yi ist definiert als Schnittpunkt der i-ten
Gitterlinie mit der Y-Achse, d. h. als Abstand der i-ten Gitterlinie
vom Koordinatenursprung an der Position x = 0.
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An
der Oberfläche des Gitterspiegels 50 können
bspw. durch off-axis-Diamantdrehen die Gitterlinien 51 erzeugt
werden, so dass der Gitterspiegel 50 die gewünschte
fokussierende Wirkung erzeugt. Ein solcher Gitterspiegel 50 mit
Gitterlinien 51 kann in Überwachungsvorrichtungen
zur Online-Überwachung eines Laserstrahls eingesetzt werden,
von denen beispielhaft eine Ausführungsform in 6 dargestellt
ist.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung 60 zur
Online-Überwachung eines Laserstrahls mit einem hochreflektierenden
Umlenkspiegel 61, der mit Gitterlinien 62 versehen
ist und im Folgenden als Gitterspiegel 61 bezeichnet wird.
Der Gitterspiegel 61 kann sowohl im Laserresonator 1 von 1 zur Überwachung
des resonatorinternen Laserstrahls 4 als auch in der externen
Strahlführung 20 von 2 zur Überwachung
des ausgekoppelten Laserstrahls 15 angeordnet sein und
ersetzt einen der Umlenkspiegel 5 bis 12 oder 25a, 25b.
Der einfallende Laserstrahl 34 fällt unter einem Einfallswinkel Θ relativ
zur Flächennormale 63 des Gitterspiegels 61 bzw.
unter einem Winkel γ relativ zur Spiegelebene 41 auf
den Gitterspiegel 61, an dem der Laserstrahl 34 in
mehrere Beugungsordnungen m zerlegt wird, die in unterschiedliche
Richtungen βm gebeugt werden.
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In 6 treten
der in die nullte Beugungsordnung reflektierte Laserstrahl 37 als
Bearbeitungslaserstrahl und der in die minus erste Beugungsordnung
gebeugte Laserstrahl 39 als Messstrahl zur Online-Überwachung
des Laserstrahls auf. Die optische Achse 36 des in die
nullte Beugungsordnung reflektierten Laserstrahls 37 weist
bezüglich der Flächennormalen 63 des
Gitterspiegels 61 einen Beugungs- oder Ausfallswinkel β0 auf, der dem Einfallswinkel Θ zwischen
der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 und
der Flächennormalen 63 entspricht. Der in die
minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl wird unter einem
Beugungswinkel β_1 reflektiert,
der vom Ausfallswinkel Θ des reflektierten Laserstrahls 37 verschieden
ist. Der Beugungswinkel β_1 wird
ebenfalls zwischen der optischen Achse 38 des gebeugten
Laserstrahls der minus ersten Beugungsordnung 39 und der
Flächennormalen 63 des Gitterspiegels 61 gemessen.
Zur Überwachung des Laserstrahls wird der gebeugte Laserstrahl 39 auf
einen Fokuspunkt 64 fokussiert.
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Im
Bereich des Fokuspunktes 64, d. h. in einem Abstand von
weniger als 20% der Distanz zwischen Fokuspunkt 64 und
dem Schnittpunkt 65 der optischen Achsen 33, 36 des
einfallenden Laserstrahls 34 und des reflektierten Laserstrahls 37 ist eine
Detektoreinheit 66 angeordnet, auf die der fokussierte
Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39 abgebildet
wird. Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt 65 der optischen
Achsen 33, 36 und dem Fokuspunkt 64 definiert
die Brennweite f des Gitterspiegels 61. In einer Auswerteeinheit 67 erfolgt die
Analyse des detektierten fokussierten Laserstrahls 39.
Abhängig von der Ausgestaltung der Detektoreinheit 66 z.
.B. als Leistungsmesser, als Quadrantendetektor oder als ortsauflösender
Detektor können die Laserleistung, Pointing und/oder die
Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls 34 überwacht werden.
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Um
Beugungsverluste des Laserstrahls 34 zu begrenzen, sind
die Gitterspiegel 40, 50, 61 gemäß 4a–c, 5, 6 so
ausgelegt, dass neben dem reflektierten Laserstrahl der nullten
Beugungsordnung 37, der den Bearbeitungslaserstrahl darstellt,
nur eine weitere Beugungsordnung auftritt, was durch geeignete Wahl
der Parameter in der Beugungsgleichung (Einfallswinkel, Gitterperiode,
Wellenlänge des Laserstrahls) erreicht wird. Laserleistung,
die in weiteren höheren Beugungsordnungen auftritt, steht
dem Bearbeitungslaserstrahl nicht zur Verfügung. Vielmehr
können höhere Beugungsordnungen zu einer unerwünschten
Erwärmung der Spiegelhalterung und umgebender Komponenten führen.
Die Gitterspiegel 40, 50, 61 werden daher
so ausgelegt, dass nur der Teil, der für eine Online-Überwachung
aus dem Laserstrahl 34 ausgekoppelt werden muss, in einer
höheren Beugungsordnung auftritt.
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Zusammenfassend
gesagt erlaubt die Fokussierung des in eine höhere Beugungsordnung
gebeugten Laserstrahls 39 auf einen Fokuspunkt eine kompakte
Realisierung einer Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung,
deren Einsatzbereich selbstverständlich nicht auf die in 6 beschriebene Überwachungsvorrichtung
beschränkt ist. Es versteht sich, dass die in 6 gezeigte Überwachungsvorrichtung 60 mit
Einheiten zur Ansteuerung des Laserresonators 1 bzw. der
Strahlführung 20 verbunden sein kann, um die Laserleistung
des Laserstrahls 34 bzw. deren Verteilung auf einen Sollwert
zu regeln.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 10158859 [0004]
- - DE 10149823 [0005]