DE102008028347A1 - Laserstrahlleistungsmessmodul und Laserbearbeitungskopf mit einem Laserstrahlleistungmessmodul - Google Patents

Laserstrahlleistungsmessmodul und Laserbearbeitungskopf mit einem Laserstrahlleistungmessmodul Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Messmodul zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls in einsöffnung und einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich wie oder größer als der Strahlquerschnitt eines im Querschnitt vollständig aus dem Arbeitslaserstrahlengang ausgekoppelten Laserstrahls ist, einem Sensor mit einer Sensorfläche, deren Abmessung kleiner als der Strahlquerschnitt des ausgekoppelten Laserstrahls ist, einer Strahlenbündelungsvorrichtung zur Bündelung des ausgekoppelten Laserstrahls auf die Sensorfläche, und einer Abschwächungseinrichtung im Strahlengang zwischen Strahleneintrittsöffnung und Sensor.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Messmodul zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls und einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls, der ein solches Messmodul umfasst.
  • Mit Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, wobei zum Beispiel Schweiß- oder Schneidarbeiten durchgeführt werden können. Hierbei ist es für eine gezielte Steuerung des Bearbeitungsprozesses oder zum Erkennen von auftretenden Defekten im Strahlführungssystem notwendig, die Leistung der Laserstrahlung, die auf das Werkstück gelenkt wird, so nah wie möglich am Werkstück, also in der Regel im Bearbeitungskopf zu messen, da durch eine im Strahlführungssystem vom Werkstück weiter weg durchgeführte Messung der Laserstrahlleistung Leistungsverluste, die im weiteren Verlauf des Strahlführungssystems auftreten, nicht erkannt werden können.
  • Eine Messung der Laserstrahlleistung im Laserbearbeitungskopf ist beispielsweise aus der DE 101 13 518 A1 oder der DE 101 44 628 A1 bekannt. Bei den hier beschriebenen Laserbearbeitungsköpfen ist ein teildurchlässiger Umlenkspiegel in den Strahlengang vor einer Fokussierlinse eingesetzt, die den Arbeitslaserstrahl auf das Werkstück fokussiert, um einen ausgekoppelten Teil des Arbeitslaserstrahls auf eine Sensorfläche eines Laserstrahlleistungssensors zu lenken. Hierbei wird jedoch nur die Laserstrahlleistung eines inneren Querschnittsbereichs des Arbeitslaserstrahls von der Sensorfläche erfasst.
  • Im Falle der für die Laserbearbeitung üblicherweise eingesetzten Laser, insbesondere Faserlaser, ist jedoch die Leistungsverteilung über den Strahlquerschnitt nicht, wie im idealen Fall, gaußförmig, sondern besitzt aufgrund einer Mischung einer Vielzahl von angeregten Lasermoden eine unregelmäßige Leistungsverteilung über den Strahlquerschnitt. Ferner ist die Verteilung der Laserleistung über den Strahlquerschnitt stark abhängig von der Gesamtlaserleistung, wodurch die Messung lediglich eines ausgekoppelten Ausschnitts des Arbeitslaserstrahls die Bestimmung der Gesamtleistung des Arbeitslaserstrahls, die schließlich auf das Werkstück trifft, verfälscht. Somit ist es für die Messung der Gesamtlaserstrahlleistung des Arbeitslaserstrahls notwendig, eine Sensorvorrichtung vorzusehen, die eine über den gesamten Strahlquer schnitt des Arbeitslaserstrahls ausgekoppelte Laserstrahlung erfasst und die in dem Laserstrahl enthaltende Leistung integriert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messmodul zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls sowie einen dieses Modul umfassenden Laserbearbeitungskopf zu schaffen, die eine genaue Messung einer Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls mit einer hohen zeitlichen Auflösung und in einem weiten Laserstrahlleistungsbereich ermöglichen.
  • Diese Aufgabe wird durch das Messmodul nach Anspruch 1 und durch einen Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
  • Erfindungsgemäß ist ein Messmodul zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf vorgesehen, das eine Strahleintrittsöffnung mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich wie oder größer als der Strahlquerschnitt eines im Querschnitt vollständig aus dem Arbeitslaserstrahlengang ausgekoppelten Laserstrahls ist, einen Sensor mit einer Sensorfläche, deren Abmessung kleiner als der Strahlquerschnitt des ausgekoppelten Laserstrahls ist, eine Strahlbündelungsvorrichtung zur Bündelung des ausgekoppelten Laserstrahls auf die Sensorfläche, und eine Abschwächungseinrichtung im Strahlengang zwischen Strahleintrittsöffnung und Sensor aufweist.
  • Es ist also ein Messmodul vorgesehen, welches die Leistung eines aus einem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelten Laserstrahls misst, wobei die Leistung des Arbeitslaserstrahls über seinen gesamten Strahlquerschnitt gemessen wird. Das erfindungsgemäße Messmodul weist hierbei eine Strahlbündelungsvorrichtung auf, durch die der in das Messmodul eingekoppelte Messlaserstrahl auf eine Sensorfläche eines Sensors gebündelt wird. Die Sensorfläche weist eine geringere Fläche als eine Querschnittsfläche des ausgekoppelten Laserstrahls auf, wobei zusätzlich noch eine Abschwächungseinrichtung im Strahlengang innerhalb des Messmoduls vorgesehen ist, welche den gebündelten Messlaserstrahl faltet und dessen Leistung proportional abschwächt.
  • Für eine einfache Ausgestaltung der Strahlbündelungsvorrichtung ist es zweckmäßig, wenn die Strahlbündelungsvorrichtung eine reflektierende Fokussierfläche umfasst, wobei die Fokussierfläche vorteilhafterweise ein Rotationsparaboloid ist, der auch durch eine sphärische Fläche approximiert sein kann.
  • Damit die Messung der Laserleistung mittels einer kleinen Sensorfläche des Sensors, auf welche der ausgekoppelte Laserstrahl fokussiert wird, möglichst unempfindlich gegen eine Variation der Eintrittsrichtung des ausgekoppelten Laserstrahls in die Eintrittsöffnung ist, ist es besonders von Vorteil, wenn die Fokussierfläche mit einer Beschichtung versehen ist, die das einfallende Licht des ausgekoppelten Laserstrahls diffus streut, wobei hier zweckmäßigerweise die Fokussierfläche als harteloxierte Fläche auf einer Aluminiumplatte ausgebildet ist.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abschwächungseinrichtung eine Eintrittsplatte, die derart angeordnet ist, dass das von der Strahleintrittsöffnung kommende Licht die Eintrittsplatte durchdringt, von der Strahlbündelungsvorrichtung auf eine Rückseite der Eintrittsplatte gelenkt und von der Rückseite der Eintrittsplatte in einen Seitenbereich neben der Strahlbündelungsvorrichtung reflektiert wird, der von dem Sensor beobachtbar ist. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Abschwächungseinrichtung ferner eine Umlenkplatte umfasst, die in dem Seitenbereich neben der Strahlbündelungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass der von der Eintrittsplatte reflektierte Strahl auf eine Sensorfläche des Sensors gelenkt und auf diese fokussiert wird.
  • Für eine im Wesentlichen von der Leistungsdichteverteilung über einen Strahlquerschnitt des Arbeitslaserstrahls unabhängige proportionale Abschwächung durch die Abschwächungseinrichtung ist es besonders zweckmäßig, wenn die Eintrittsplatte und die Umlenkplatte so aufeinanderfolgend angeordnet sind, dass die optische Achse des von der Strahlbündelungsvorrichtung gebündelten Laserstrahls jeweils um einen Winkel von 45° durch die Eintrittsplatte und die Umlenkplatte umgelenkt wird, wobei die Eintrittsplatte und die Umlenkplatte unbeschichtete Glasplatten sind.
  • Weiter ist es zweckmäßig, wenn die Umlenkplatte an ihrer rückseitigen Fläche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist. Es ist jedoch auch vorstellbar, dass die Umlenkplatte in einer Halterung aufgenommen ist, welche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist.
  • Um die durch die Absorption der Laserstrahlung erzeugte Wärme aus dem Messmodul abzuführen, ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Kühlvorrichtung an der Umlenkplatte und/oder der Strahlbündelungsvorrichtung vorgesehen ist.
  • Für die Messung von schnellen Leistungsänderungen des Arbeitslaserstrahls ist es besonders zweckmäßig, wenn der Sensor ein optischer Halbleitersensor wie eine Photodiode ist.
  • Erfindungsgemäß ist weiter ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels eines Laserstrahls vorgesehen, mit einem Gehäuse, durch das ein Arbeitslaserstrahl geführt wird, einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Arbeitslaserstrahls auf das Werkstück, einem in Strahlrichtung vor der Fokussieroptik angeordneten teildurchlässigen Umlenkspiegel, welcher einen Teil des Arbeitslaserstrahls über dessen gesamten Querschnittsbereich auskoppelt und zu einer seitlichen Gehäuseöffnung lenkt, und welcher ein erfindungsgemäßes Messmodul aufweist, das an dem Gehäuse montiert ist und dessen Strahleintrittsöffnung der seitlichen Gehäuseöffnung des Gehäuses gegenüberliegt.
  • Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
  • 1 eine stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes,
  • 2 eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Messmoduls, und
  • 3 eine nicht maßstabsgetreue schematische Ansicht einer reflektierenden Fokussierfläche gemäß der vorliegenden Erfindung.
  • In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
  • In 1 ist eine stark vereinfachte Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt, wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird. Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 12 durch ein Gehäuse 13 des Laserbearbeitungskopfs 10 hindurch auf ein Werkstück 14 gelenkt und mittels einer Optik 16 auf das Werkstück 14 fokussiert, wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 12 kann bei einer Zuführung zu dem Bearbeitungskopf 10 mittels einer Lichtleitfaser aufgrund der Auskopplung des Laserstrahls aus der Lichtleitfaser durch eine Kollimatoroptik aufgeweitet sein.
  • In dem Laserbearbeitungskopf 10 ist ein teildurchlässiger Umlenkspiegel 18 angeordnet, der einen Teillaserstrahl 20 aus dem Arbeitslaserstrahl 12 auskoppelt, welcher eine proportional verringerte Gesamtlaserleistung mit einem entsprechend leistungsmäßig geringeren Laserleistungsverteilungsprofil über den gleich großen Strahlquerschnitt wie der Arbeitslaserstrahlquerschnitt aufweist. Das Reflexions-/Transmissionsverhältnis des teildurchlässigen Umlenkspiegels 18 liegt bei etwa 0,2% und ist im Wesentlichen unabhängig von der Leistung und der Leistungsverteilung des Arbeitslaserstrahls 12. Der ausgekoppelte Laserstrahl 20 wird durch den teildurchlässigen Umlenkspiegel 18 zu einer seitlichen Gehäuseöffnung gelenkt und tritt in ein Messmodul 22 ein, in welchem die Gesamtleistung des ausgekoppelten Laserstrahls 20 und damit des Arbeitslaserstrahls 12 gemessen wird.
  • Eine detaillierte Ansicht des erfindungsgemäßen Messmoduls 22 ist in 2 gezeigt. Das Messmodul 22 ist, wie in 1 gezeigt, so an dem Laserbearbeitungskopf 10 angebracht, dass der ausgekoppelte Laserstrahl 20 in eine Strahleintrittsöffnung 24 (2) in einem Modulgehäuse 25 des Messmoduls 22 eintritt, durch eine Eintrittsplatte 26 hindurchgeht und auf eine Lichtbündelungsplatte 28 mit einer Fokussierfläche 30 trifft, an welcher der Laserstrahl 20 gebündelt und in Richtung der Eintrittsplatte 26 reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl 20 wird dann durch die Eintrittsplatte 26 durch die reflektierende Fläche 32 in Richtung einer Umlenkplatte 34 gelenkt, von der schließlich das gebündelte Licht in Richtung eines Sensors 36 mit einer Sensorfläche 38 gelenkt und auf die Sensorfläche 38 fokussiert wird.
  • In diesem Aufbau haben die Eintrittsplatte 26 und die Umlenkplatte 34 die Funktion, den einfallenden Laserstrahl 20 um einen vorbestimmten Faktor, welcher unabhängig von der Laserstrahlleistung oder dem Laserstrahlleistungsverteilungsprofil des Laserstrahls 20 sein soll, abzuschwächen sowie den von der Lichtbündelungsplatte 28 gebündelten Lichtstrahl zu falten und auf den Sensor 36 zu lenken.
  • Die Lichtbündelungsplatte 28 kann wie das Modulgehäuse 25 aus Metall, vorzugsweise Aluminium gefertigt sein. Die Lichtbündelungsplatte 28 weist einen zylinderförmigen Abschnitt 40 und einen Flanschabschnitt 42 auf, wobei die Lichtbündelungsplatte 28 in eine der Eintrittsöffnung 24 gegenüberliegende Öffnung des Modulgehäuses 25 eingesetzt ist. Hierbei ist der Flanschabschnitt 42 in eine kreisrunde Ausnehmung 44 in der Außenwand des Modulgehäuses 25 bündig eingesetzt und stößt an diese an. An der der Außenwand des Modulgehäuses 25 zugewandten Stirnfläche des Flanschabschnitts 42 der Lichtbündelungsplatte 28 ist ferner eine Ringnut 46 vorgesehen, in welcher ein Dichtungsring 48 angeordnet ist, der im eingesetzten Zustand der Lichtbündelungsplatte 28 ein Eindringen von Schmutz oder Staub in das Modulgehäuse 25 verhindert. In der der reflektierenden Fokussierfläche 30 entgegengesetzten Seite der Lichtbündelungsplatte 28 ist weiter ein mit einem Gewinde versehendes Bohrloch 50 vorgesehen, an welchem eine Kühlvorrichtung (nicht gezeigt) montiert werden kann, um die Lichtbündelungsplatte 28 zu kühlen.
  • Die Lichtbündelungsplatte 28 ist an ihrer reflektierenden Fokussierfläche 30 derart ausgehöhlt, dass die reflektierende Fokussierfläche 30 die Form eines Rotationsparaboloids aufweist, wobei die Rotationsachse dieses Paraboloids im eingesetzten Zustand der Lichtbündelungsplatte 28 in das Modulgehäuse 25 mit der optischen Achse L' des ausgekoppelten Laserstrahls 20 zusammenfällt.
  • Die Ausbildung der reflektierenden Fokussierfläche 30 in Form eines Rotationsparaboloids ist zwar rein theoretisch für eine Abbildung eines parallelen Strahlenbündels in einen Punkt ideal, aus Sicht der technischen Verwirklichung der reflektierenden Fokussierfläche 30 ist es jedoch bevorzugt, die Fläche des Rotationsparaboloids aufgrund ihrer Flachheit als sphärische Fläche zu approximieren, da hierdurch die Fläche wesentlich einfacher hergestellt werden kann und der Näherungsfehler im Wesentlichen vernachlässigbar ist.
  • Die reflektierende Fokussierfläche 30 kann hierbei mit einer Beschichtung versehen sein, die das einfallende Licht des Laserstrahls 20 diffus streut und entsprechend abschwächt. In 3 ist das Prinzip eines streuenden Fokussierers, wie er durch die reflektierende Fokussierfläche 30 verwirklicht ist, illustriert, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Krümmung der in der in 3 dargestellten reflektierenden Fokussierfläche 30 stark überhöht ist, um das Funktionsprinzip der reflektierenden Fokussierfläche 30 veranschaulichen zu können. Das entlang der optischen Achse L' auf die reflektierende Fokussierfläche 30 auftreffende Licht wird an Streuzentren 30 auf der reflektierenden Fokussierfläche 30 gestreut, wobei die winkelabhängige Streuintensität schematisch durch die Streukeulen 30'' angezeigt wird. Durch die Krümmung der reflektierenden Fokussierfläche 30, welche exakt oder angenähert ein Rotationsparaboloid ist, wird das Licht des parallel entlang der optischen Achse L' einlaufenden Strahlenbündels von der reflektierenden Fokussierfläche 30 so gestreut, dass die Mittelachsen der Streukeulen 30' auf einen Punkt 30''' gerichtet werden. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Beschichtung mit Harteloxal besonders geeignet. Neben der Abschwächung des einfallenden Lichts ist ein weiterer Vorteil, dass aufgrund der diffusen Reflexion die auf den in 2 gezeigten Sensor 36 gebündelte Lichtintensität nicht in dem Maße von einer Einfallsrichtung des ausgekoppelten Laserstrahls 20 abhängig ist, wie dies bei einer spekulären Reflexion der Fall wäre, wodurch das Messmodul hinsichtlich einer Justage des Laserstrahls aufgrund der nur teilweise reflektierenden Fokussierfläche 30 im Wesentlichen unempfindlich ist.
  • Die Eintrittsplatte 26 ist für eine einfache Montage in dem Modulgehäuse 25 wie die Lichtbündelungsplatte 28 kreisrund ausgebildet. Die Eintrittsplatte 26 liegt hierbei in montiertem Zustand auf einem Schulterabschnitt 52 auf, welcher sich in einer sich von der Strahleintrittsöffnung 24 in das Gehäuseinnere erstreckenden Ausnehmung in dem Modulgehäuse 25 befindet. Die Eintrittsplatte 26 wird durch einen Haltering 54, der mit einem Außengewinde 56 in ein Innengewinde 58 in dem Modulgehäuse 25 eingreift, fest gegen den Schulterabschnitt 52 gedrückt und somit in der sich in das Gehäuseinnere erstreckenden Ausnehmung befestigt.
  • Die Eintrittsplatte 26 ist so in dem Modulgehäuse 25 eingesetzt, dass die optische Achse L' des ausgekoppelten Laserstrahls 20 durch das Zentrum der kreisrunden Eintrittsplatte 26 hindurchgeht. Ferner ist die Eintrittsplatte 26 schräg hinsichtlich der optischen Achse L' angeordnet, um das von der reflektierenden Fokussierfläche 30 der Lichtbündelungsplatte 28 zurückgeworfene Licht in einen Seitenbereich zu reflektieren, der sich neben der Lichtbündelungsplatte 28 befindet. Vorzugsweise ist dabei der Winkel zwischen einer auf der Reflexionsebene der Eintrittsplatte 26 stehenden Senkrechten und der optischen Achse L' des einfallenden Laserstrahls 20 gleich 22,5°, wie später noch ausführlich erläutert wird. Die Eintrittsplatte 26 ist vorzugsweise als planparallele Glasplatte ausgebildet, wobei hierfür Glas mit einer hohen Temperaturwiderstandsfähigkeit von Vorteil ist, wie beispielsweise Borofloat-Glas.
  • Die Umlenkplatte 34 ist auf einer Halterung 60 montiert, welche in ein in einer Montageöffnung des Modulgehäuses 25 befindliches Innengewinde 62 mit einem Außengewinde 64 eingeschraubt ist. An der Rückseite der Halterung 60 sind Bohrlöcher 66 vorgesehen, um eine Kühlvorrichtung zur Kühlung der Halterung 60 zu montieren. In einer Ausführungsform ist die Halterung 60 an der der Umlenkplatte 34 gegenüberliegenden Seite mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung versehen. Es ist jedoch auch denkbar, die Umlenkplatte 34 selbst an ihrer der reflektierenden Fläche entgegengesetzten Fläche mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung zu versehen. Die Umlenkplatte 34 ist wie die Eintrittsplatte 26 als kreisrunde planparallele Glasplatte ausgebildet, wobei auch hier ein Glas mit hoher Temperaturwiderstandfähigkeit von Vorteil ist. Wie bei der Eintrittsplatte 26 ist auch die Umlenkplatte 34 so schräg in dem Modulgehäuse 25 eingesetzt, dass die Senkrechte auf der Reflexionsebene der Umlenkplatte 34 mit der von der Eintrittsplatte 26 reflektierten optischen Achse L'' einen Winkel von 22,5° einschließt, wobei die optische Achse L'' die kreisrunde Umlenkplatte 34 zentral trifft. Das von der Eintrittsplatte 26 kommende gebündelte Licht wird an der Umlenkplatte 34 reflektiert und entlang der optischen Achse L''' auf eine Sensorfläche 38 des Sensors 36 gelenkt.
  • Der Sensor 36 ist in dem Modulgehäuse 25 an einer der Umlenkplatte 34 gegenüberliegenden Seite in einer kreisrunden Ausnehmung 68 eingesetzt und darin montiert. Der Sensor 36 ist ein optischer Sensor wie beispielsweise eine Fotodiode, wobei die Art der Fotodiode an die verwendete Laserstrahlung und deren Wellenlängenbereich angepasst ist. Die Sensorfläche 38 kann, da die gesamte Laserleistung auf die Fläche 38 gebündelt wird, geringe Abmessungen im Millimeterbereich aufweisen. Hinsichtlich der räumlichen Anordnung der Sensorfläche 38 in Bezug auf das aus der reflektierenden Fokussierfläche 30, der Eintrittsplatte 26 und der Umlenkplatte 34 gebildeten optischen System ist zu beachten, dass sowohl an der planparallelen Eintrittsplatte 26 als auch an der planparallelen Umlenkplatte 34 das von der reflektierenden Fokussierfläche 30 kommende Licht sowohl an der Vorderseite als auch an der Rückseite der jeweiligen planparellen Platten 26, 34 reflektiert wird, wodurch Mehrfachfoki in dem Bereich des in 2 dargestellten Sensors 36 ausgebildet werden. Hierbei ist es bevorzugt, die Sensorfläche 38 des Sensors 36 an die Position eines ”mittleren Fokus” zu setzen, welcher den geometrischen Schwerpunkt zwischen den mehreren Foki bildet. In dem in 2 gezeigten Beispiel werden im Bereich des Sensors 36 vier in einem Parallelogramm angeordnete Fokuspunkte aufgrund der zweifachen Reflektion an den planparallelen Glasplatten 26 und 34 ausgebildet, wobei der Mittelpunkt dieses Parallelogramms (der mittlere Fokus) vorzugsweise einem zentralen Punkt der Sensorfläche 38 entspricht. Weiter ist in dem Modulgehäuse 25 ein hinter dem Sensor 36 angeordneter Hohlraum 70 vorgesehen, welcher durch einen Deckel 72 verschlossen und durch Dichtungsringe 74 abgedichtet wird, um eine Auswerteelektronik für den Sensor 36 aufzunehmen.
  • Durch die erfindungsgemäße Anordnung der Eintrittsplatte 32 und der Umlenkplatte 34 ist es auch bei einer unregelmäßigen Leistungsdichteverteilung des zu messenden ausgekoppelten Laserstrahls 20 möglich, die Gesamtintensität des Laserstrahls 20 um einen vorbestimmten leistungsunabhängigen Proportionalitätsfaktor abzuschwächen, wie im Folgenden erläutert werden soll.
  • Das durch die Eingangsöffnung 24 eintretende Licht mit einer vorgegebenen Leistungsdichteverteilung über den Querschnitt des Laserstrahls 20 trifft auf die reflektierenden Fokussierfläche 30 der Lichtbündelungsplatte 28 und wird von dieser zurückgeworfen und gebündelt. Hierbei trifft das zurückgeworfene Strahlenbündel unter unterschiedlichen Winkeln auf die reflektierende Fläche 32 der Eintrittsplattes 26, wobei die Einfallswinkel des Strahlenbündels symmetrisch um den Einfallswinkel der reflektierten optischen Achse L' gleich 22,5° variiert sind. Aufgrund der Winkelabhängigkeit des Reflexions-/Transmissions-Verhältnisses (gemäß den Fresnelschen Gleichungen) bei einem Übergang zwischen verschiedenen optischen Medien, wie hier zwischen Luft und Glas, ist also der Reflexionsgrad abhängig von der Lage im Strahlquer schnitt des Laserstrahls 20. Diese Abweichung des Reflexions/Transmissionsverhältnisses wird jedoch durch die Anordnung der Umlenkplatte 34, welche ebenfalls eine planparallele Glasplatte ist, kompensiert, da nun Teile des Lichtbündels, die zunächst unter steilem Winkel auf die Eintrittsplatte 26 getroffen sind, nun unter flachem Winkel von der Umlenkplatte 34 reflektiert werden und umgekehrt. Somit ist der Reflexionsgrad im Wesentlichen unabhängig von der Entfernung eines Lichtstrahlanteils von der optischen Achse L' im ausgekoppelten Laserstrahl 20, wodurch eine fehlerfreie Integration über die Gesamtintensität des Laserstrahls 20 auch bei einer unregelmäßigen Leistungsdichteverteilung über den Laserstrahlquerschnitt möglich wird.
  • Somit ist also eine genaue Messung der Gesamtleistung des ausgekoppelten Laserstrahls 20 und damit der Gesamtleistung des Arbeitslaserstrahls 12 möglich. Darüber hinaus ist es aufgrund des Einsatzes eines einfachen Halbleitersensors oder eines vergleichbaren optischen Sensors möglich, schnelle Leistungsänderungen in der Gesamtleitung des Arbeitslaserstrahls zu messen, wie beispielsweise bei gepulsten Lasern, bei denen die Pulslänge mit dieser Art von Aufbau bestimmt werden kann.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 10113518 A1 [0003]
    • - DE 10144628 A1 [0003]

Claims (15)

  1. Messmodul (22) zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls (12) in einem Laserbearbeitungskopf (10), mit: – einer Strahleintrittsöffnung (24) mit einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich wie oder größer als der Strahlquerschnitt eines im Querschnitt vollständig aus dem Arbeitslaserstrahlengang ausgekoppelten Laserstrahls (20) ist, – einem Sensor (36) mit einer Sensorfläche (38), deren Abmessung kleiner als der Strahlquerschnitt des ausgekoppelten Laserstrahls (20) ist, – einer Strahlbündelungsvorrichtung zur Bündelung des ausgekoppelten Laserstrahls (20) auf die Sensorfläche (38), und – einer Abschwächungseinrichtung im Strahlengang zwischen Strahleintrittsöffnung und Sensor.
  2. Messmodul (22) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbündelungsvorrichtung eine reflektierende Fokussierfläche (30) umfasst.
  3. Messmodul (22) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierfläche (30) ein Rotationsparaboloid oder eine sphärische Fläche ist.
  4. Messmodul (22) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierfläche (30) mit einer Beschichtung versehen ist, die das einfallende Licht des ausgekoppelten Laserstrahls (20) diffus streut.
  5. Messmodul (22) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierfläche (30) als harteloxierte Fläche auf einer Aluminiumplatte ausgebildet ist.
  6. Messmodul (22) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungseinrichtung eine Eintrittsplatte (26) umfasst, die derart angeordnet ist, dass das von der Strahleintrittsöffnung (24) kommende Licht die Eintrittsplatte (26) durchdringt, von der Strahlbündelungsvorrichtung auf eine rückseitige Fläche der Eintrittsplatte (26) gelenkt und von dieser in einen Seitenbereich neben der Strahlbündelungsvorrichtung reflektiert wird, der von dem Sensor (36) beobachtbar ist.
  7. Messmodul (22) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abschwächungseinrichtung ferner eine Umlenkplatte (34) umfasst, die in dem Seitenbereich neben der Strahlbündelungsvorrichtung derart angeordnet ist, dass der von der Eintrittsplatte (26) reflektierte Strahl auf eine Sensorfläche (38) des Sensors (36) gelenkt und auf diese fokussiert wird.
  8. Messmodul (22) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsplatte (26) und die Umlenkplatte (34) so aufeinanderfolgend angeordnet sind, dass die optische Achse des von der Strahlbündelungsvorrichtung gebündelten Laserstrahls jeweils um einen Winkel von 45° durch die Eintrittsplatte (26) und die Umlenkplatte (34) umgelenkt wird.
  9. Messmodul (22) nach Anspruch 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittsplatte (26) eine unbeschichtete Glasplatte ist.
  10. Messmodul (22) nach Anspruch 7, 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkplatte (34) eine unbeschichtete Glasplatte ist.
  11. Messmodul (22) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkplatte (34) an ihrer rückseitigen Fläche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist.
  12. Messmodul (22) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkplatte (34) in einer Halterung aufgenommen ist, welche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist.
  13. Messmodul (22) nach einem der Ansprüche 7 bis 12, ferner mit einer Kühlvorrichtung zum Kühlen der Umlenkplatte (34) und/oder der Strahlbündelungsvorrichtung.
  14. Messmodul (22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (36) eine Fotodiode ist.
  15. Laserbearbeitungskopf (10) zur Bearbeitung eines Werkstücks (14) mittels eines Laserstrahls (12), mit: – einem Gehäuse (13), durch das ein Arbeitslaserstrahl (12) geführt wird, – einer Fokussieroptik (16) zum Fokussieren des Arbeitslaserstrahls (12) auf das Werkstück (14), – einem in Strahlrichtung vor der Fokussieroptik (16) angeordneten teildurchlässigen Umlenkspiegel (18), welcher einen Teil des Arbeitslaserstrahls (12) über dessen gesamten Querschnittsbereich auskoppelt und zu einer seitlichen Gehäuseöffnung lenkt, und – einem Messmodul (22) nach einem der vorstehenden Ansprüche, das an dem Gehäuse (13) montiert ist und dessen Strahleintrittsöffnung (24) der seitlichen Gehäuseöffnung des Gehäuses (13) gegenüberliegt.
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Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010026443A1 (de) 2010-07-08 2012-01-12 Precitec Kg Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls und Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Vorrichtung
DE202012102794U1 (de) 2012-07-25 2012-08-28 Highyag Lasertechnologie Gmbh Optik für Strahlvermessung
DE102012106779A1 (de) 2012-07-25 2014-01-30 Highyag Lasertechnologie Gmbh Optik für Strahlvermessung
DE102014012913A1 (de) 2014-09-05 2016-03-10 Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung Energiestrahl-Leistungsmessung
CN109579984A (zh) * 2018-12-27 2019-04-05 西北核技术研究所 一种激光光束匀化衰减器
EP3683002A4 (de) * 2017-09-11 2020-11-04 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Laserbearbeitungskopf, glasfaserprüfvorrichtung und verfahren zur prüfung von glasfasern

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4024929A1 (de) * 1990-08-06 1992-02-13 Gao Ges Automation Org Ulbrichtkugel
DE10113518A1 (de) 2001-03-20 2002-10-02 Precitec Kg Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfs sowie Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE10144628A1 (de) 2001-09-11 2003-04-03 Precitec Kg Laserbearbeitungsanlage und Verfahren zur Überwachung ihres Betriebs
US6724472B2 (en) * 2000-03-24 2004-04-20 Ushikata Mfg. Co., Ltd. Light monitoring device
DE102005024085A1 (de) * 2005-05-25 2006-11-30 Precitec Kg Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs und Laserbearbeitungskopf

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4024929A1 (de) * 1990-08-06 1992-02-13 Gao Ges Automation Org Ulbrichtkugel
US6724472B2 (en) * 2000-03-24 2004-04-20 Ushikata Mfg. Co., Ltd. Light monitoring device
DE10113518A1 (de) 2001-03-20 2002-10-02 Precitec Kg Verfahren zur Messung des Verschmutzungsgrades eines Schutzglases eines Laserbearbeitungskopfs sowie Laserbearbeitungsanlage zur Durchführung des Verfahrens
DE10144628A1 (de) 2001-09-11 2003-04-03 Precitec Kg Laserbearbeitungsanlage und Verfahren zur Überwachung ihres Betriebs
DE102005024085A1 (de) * 2005-05-25 2006-11-30 Precitec Kg Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs und Laserbearbeitungskopf

Cited By (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102010026443A1 (de) 2010-07-08 2012-01-12 Precitec Kg Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls und Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Vorrichtung
DE102010026443B4 (de) * 2010-07-08 2016-08-04 Precitec Kg Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls und Laserbearbeitungskopf mit einer derartigen Vorrichtung
DE202012102794U1 (de) 2012-07-25 2012-08-28 Highyag Lasertechnologie Gmbh Optik für Strahlvermessung
DE102012106779A1 (de) 2012-07-25 2014-01-30 Highyag Lasertechnologie Gmbh Optik für Strahlvermessung
DE102014012913A1 (de) 2014-09-05 2016-03-10 Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung Energiestrahl-Leistungsmessung
WO2016034160A1 (de) 2014-09-05 2016-03-10 Primes Gmbh Messtechnik Für Die Produktion Mit Laserstrahlung Energiestrahl-leistungsmessung
DE102014012913B4 (de) * 2014-09-05 2016-05-19 Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung Energiestrahl-Leistungsmessung
EP3683002A4 (de) * 2017-09-11 2020-11-04 Panasonic Intellectual Property Management Co., Ltd. Laserbearbeitungskopf, glasfaserprüfvorrichtung und verfahren zur prüfung von glasfasern
CN109579984A (zh) * 2018-12-27 2019-04-05 西北核技术研究所 一种激光光束匀化衰减器

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