DE102015001421B4

DE102015001421B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Strahldiagnose an Laserbearbeitungs-Optiken (PRl-2015-001)

Info

Publication number: DE102015001421B4
Application number: DE102015001421.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Stefan Wolf
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2015-02-06
Filing date: 2015-02-06
Publication date: 2016-09-15
Anticipated expiration: 2035-02-07
Also published as: US10245683B2; DE102015001421A1; US20180029164A1; WO2016124169A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls. Dazu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, welche ein optisches System, eine Einrichtung zur Auskopplung von Strahlung, eine Strahldiagnose-Einrichtung, und ein Reflektor-Element beinhaltet. Das optische System ist zur Fokussierung eines Laserstrahls in einen Bearbeitungs-Bereich ausgebildet. Die Einrichtung zur Auskopplung von Strahlung ist ausgebildet zur Auskopplung von Strahlung, die in einer dem Laserstrahl entgegengesetzten Richtung durch das optische System läuft. Das Reflektor-Element hat eine erste Fläche, die teilreflektierend und gekrümmt ist. Das Reflektor-Element ist positionierbar in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich. Dabei ist die Krümmung der ersten Fläche des Reflektor-Elements gleich einer mittleren Krümmung einer Wellenfront des vom optischen System fokussierten Laserstrahls im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Ein Laserstrahl wird mittels eines optischen Systems in einen Bearbeitungs-Bereich fokussiert. Ein Reflektor-Element mit einer ersten Fläche wird in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich positioniert. Dabei ist die erste Fläche des Reflektor-Elements gekrümmt und das Reflektor-Element wird in einem Positionier-Bereich positioniert, in dem eine mittlere Krümmung der Wellenfront des vom optischen System fokussierten Laserstrahls gleich der Krümmung der ersten Fläche des Reflektor-Elements ist. Ein Anteil des fokussierten Laserstrahls wird an der ersten Fläche des Reflektor-Elements in Richtung des optischen Systems rückreflektiert. Ein Anteil des rückreflektierten Strahls wird ausgekoppelt. Aus dem ausgekoppelten Strahl wird mittels einer Strahldiagnose-Einrichtung mindestens ein geometrischer Parameter bestimmt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahldiagnose an optischen Systemen zur Laser-Materialbearbeitung. Die Vorrichtung und das Verfahren sind geeignet zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Laserstrahls im Arbeits-Bereich einer Laserbearbeitungsmaschine, wie beispielsweise des Fokus-Durchmessers. Die Bestimmung eines Strahlprofils oder die Messung der Intensitätsverteilung des Laserstrahls ist ebenfalls vorgesehen. Die Vorrichtung und das Verfahren sind auch geeignet zur Bestimmung einer korrekten oder von einer Soll-Position abweichenden Fokuslage. Die Vorrichtung und das Verfahren sind auch vorgesehen zur Strahldiagnose an optischen Systemen zur Remote-Laser-Materialbearbeitung, bei denen die Fokus-Position mittels einer Scan-Einrichtung in einem Arbeitsbereich frei positioniert und bewegt werden kann.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Zur Erzielung einer hohen Prozess-Qualität in Laser-Materialbearbeitungsanlagen ist die Einhaltung der Prozess- und Laser-Parameter innerhalb enger Grenzen erforderlich. Insbesondere bei hochdynamischen Bearbeitungsanlagen sind die Prozessfenster sehr klein. Zur Sicherstellung der Bearbeitungsqualität ist daher eine regelmäßige und genaue Überprüfung der Parameter des Laserstrahls erforderlich. Dies gilt in besonderem Maße für Anlagen, bei denen der Laserstrahl mittels einer Scan-Einrichtung in einem zumindest zweidimensionalen Arbeitsbereich frei positioniert und bewegt werden kann, beispielsweise durch Ablenkung des Strahls über bewegliche Spiegel und einer nachfolgenden Scanner-Optik. Solche Remote-Laserbearbeitungsanlagen haben vielfältige Anwendungen, beispielsweise Beschriften, Schweißen, Schneiden, und anderes. Eine relativ neue Anwendung ist das Selective Laser Melting (SLM). Bei diesem Verfahren können durch lokales Aufschmelzen oder Sintern von aufeinanderfolgenden dünnen Lagen eines pulverförmigen Materials komplexe dreidimensionale Gegenstände hergestellt werden. Da die Produktionszeit der Gegenstände in einem solchen Verfahren naturgemäß lang ist, ist eine Verkürzung der Produktionszeit wünschenswert. Dazu muss der Laserstrahl schneller bewegt werden, wozu wiederum höhere Laser-Leistungen benötigt werden, um das Pulver in kürzerer Zeit aufzuschmelzen. In SLM-Anlagen kommen daher Laserstrahlen mit sehr kleinem Fokus und relativ hoher Leistung zum Einsatz, also Strahlquellen mit hoher Brillanz.
Zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Laserstrahls sind viele verschiedene Verfahren bekannt. Eine prinzipielle Möglichkeit zur Messung besteht beispielsweise darin, den Strahl direkt oder indirekt auf einen ortsauflösenden Sensor zu richten, zum Beispiel auf eine CCD-Kamera, und auf diese Weise die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahls zu bestimmen. Aus diesen Daten können auch weitere Informationen wie der Strahldurchmesser oder die Position des Strahls abgeleitet bzw. berechnet werden. Dabei muss grundsätzlich das Problem gelöst werden, den Laserstrahl abzuschwächen, bevor der Strahl auf den Sensor trifft, ohne dabei den Strahl in seinen Eigenschaften zu verändern.
Die Veröffentlichungen JP H01-107 990 A (Abstract) und JP 2008-264 789 A (Abstract) offenbaren beispielsweise Vorrichtungen mit ortsauflösenden Sensoren, die zur geometrischen Kalibration von Remotesystemen vorgesehen sind. Bei diesen Vorrichtungen wird das von einem im Arbeitsfeld angeordneten Substrat gestreute Licht des Laserstrahls mittels eines Objektivs auf eine Kamera abgebildet. Daraus kann die Position des Strahls im Arbeitsfeld ermittelt werden und mit der Soll-Position verglichen werden. Solche Vorrichtungen sind jedoch aufgrund der erreichbaren Ortsauflösung nicht geeignet, den Fokusdurchmesser oder die Intensitätsverteilung im Fokus des Laserstrahls zu messen.
Es sind aus dem Stand der Technik weiterhin Vorrichtungen bekannt, bei denen ein ortsauflösender Sensor in einem Strahlengang angeordnet ist, der mittels eines Strahlteilers vor der Fokussierung des Laserstrahls ausgekoppelt wird. Zur Strahldiagnose wird dann ein in die Fokussierung des Laserstrahls rückreflektierter Strahl-Anteil verwendet. Die Reflexion des Strahls erfolgt dabei beispielsweise an einer Grenzfläche des abbildenden optischen Systems, typischerweise an der letzten Grenzfläche des Fokussier-Objektivs, oder an einem nachgeordneten Schutzglas. Ein allgemeines Verfahren dieser Art ist in der DE 10 2007 053 632 A1 offenbart. Aus der DE 10 2013 008 774 B3 ist ebenfalls eine Vorrichtung dieser Art bekannt. Dort wird eine Analysevorrichtung zum Analysieren von Laserstrahlung offenbart, die eine optische Komponente in einem Hauptstrahlengang zur Einstellung des Laserstrahls, einen in einem Beobachtungsstrahlengang angeordneten Strahlsensor, sowie einen zwischen der optischen Komponente und dem Strahlsensor angeordneten teildurchlässigen Spiegel aufweist. Dabei sind eine erste Optikeinrichtung mit einem ersten Analysestrahl und eine zweite Optikeinrichtung mit zweiten Analysestrahl vorgesehen, die beide auf den Strahlsensor ausrichtbar sind. Der zweite Analysestrahl wird gebildet durch einen an der optischen Komponente erzeugbaren Laserreflexstrahl. Eine weitere Vorrichtung ähnlicher Art, die auch zur Verwendung in Scanner-Optiken vorgesehen ist, zeigt die DE 10 2011 054 941 B3 . Nachteilig bei den aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist, dass die Rück-Abbildung durch das Fokussier-Objektiv mit teilweise erheblichen Abbildungsfehlern belastet ist, da der rückreflektierte Strahl grundsätzlich andere Dimensionen und Taillen-Lagen aufweist und die Korrektion des Fokussier-Objektivs nicht gleichzeitig auf die Abbildung von Rückreflexionen mit anderen Abmessungen und Taillenlagen ausgelegt ist. Durch das in der DE 10 2011 054 941 B3 vorgeschlagene, als Hohlspiegel ausgebildete Schutzglas zur Rückreflexion wird dieser nachteilige Effekt noch verstärkt. Die bekannten Systeme sind daher nicht geeignet für eine präzise Strahldiagnose, allenfalls können mit den bekannten Systemen relative Veränderungen im Fokussier-Objektiv durch eine Messung im Neu-Zustand und Soll/Ist-Vergleich erkannt werden.
Eine andere grundsätzliche Möglichkeit zur Strahldiagnose besteht darin, den Strahl abzutasten. Dazu sind viele Varianten bekannt. Eine Abtastung kann mit einem näherungsweise punktförmigen Abtaster erfolgen, beispielsweise einer Messblende oder einer Messnadel, deren Öffnung klein gegenüber dem Strahldurchmesser ist. In diesem Fall muss der Strahl in mehreren Durchgängen mit zueinander geringfügig versetzten Zeilen abgetastet werden. Auf diese Weise kann die zweidimensionale Intensitätsverteilung des Strahls bestimmt werden.
Eine Abtastung kann aber auch mit einem linienförmigen Abtaster erfolgen, beispielsweise mit einem Schlitz oder mit einer Schlitzblende. Bei linienförmiger Abtastung ist die Strahl-Intensität in einer Richtung bereits aufintegriert. Der Vorteil besteht darin, dass der Strahldurchmesser mit einem einzigen Abtast-Durchgang ermittelt werden kann.
Zur Abtastung ist eine Relativ-Bewegung zwischen Strahl und Abtaster erforderlich. Bei einem ortsfesten Strahl muss zwangsläufig der Abtaster bewegt werden. Zu diesem Mess-Prinzip sind zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die nicht speziell für die Anwendung in Remote-Systemen vorgesehen sind. Vorrichtungen mit quasi-punktförmig abtastenden Systemen sind beispielsweise aus der DE 199 09 595 A1 und der EP 0 461 730 A1 bekannt. Die Veröffentlichungen US 5 078 491 A und JP S62-24 117 A (Abstract) offenbaren beispielhaft Vorrichtungen mit linienförmig abtastenden Systemen. Eine weitere Vorrichtung mit im wesentlichen linienförmiger Abtastung ist aus der WO 98/50 196 A1 bekannt, bei der beispielsweise eine optische Faser zur Abtastung des Strahls vorgeschlagen wird.
Bei den abtastenden Systemen wird die erreichbare Auflösung immer beschränkt durch die Größe der abtastenden Blende. Zur Bestimmung des gewünschten Parameters, beispielsweise des Strahldurchmessers oder des Strahlprofils, ist zudem eine rechnerische Entfaltung mit der Abtast-Funktion erforderlich. Es müssen also aufwändige Operationen und Berechnungen durchgeführt werden, um die gewünschten Parameter zu erhalten. Nachteilig ist weiterhin, dass eine Abtastung lange dauert und aufwändige Vorrichtungen zur präzisen Steuerung und Bewegung des Abtasters benötigt werden.
Bei Vorrichtungen zur Strahldiagnose in Remote-Laserbearbeitungsanlagen besteht aber die Besonderheit, dass der Laserstrahl mittels einer Scanvorrichtung in zwei Dimensionen ausgelenkt werden kann, damit der Strahl in einem flächigen oder manchmal auch dreidimensionalen Arbeitsraum frei positioniert werden kann. In diesem Fall ist es also auch möglich, dass der Abtaster ortsfest ist und der Strahl mittels der Scanvorrichtung über den Abtaster bewegt wird.
Nach dem letztgenannten Prinzip funktioniert beispielsweise das in der DE 2005 038 587 A1 offenbarte Verfahren. Es wird dort ein Messsystem vorgeschlagen, bei dem mittels eines Ablenksystems ein Laserstrahl in einem vorgebbaren Muster über eine Detektoranordnung verfahrbar ist. Eine ähnliches Verfahren nach diesem Prinzip zeigt die DE 10 2011 006 553 A1 . Es wird dort ein Verfahren zum Ermitteln der Fokuslage oder des Strahlprofils eines Laserstrahls mittels einer Scanneroptik angegeben, bei dem an mehreren Messpunkten im Arbeitsraum des Laserstrahls eine Lochblende mit nachgeordnetem Detektor angeordnet ist. Dabei wird an jedem der Messpunkte für eine x-y-Fokuslagen- oder Strahlprofilvermessung der Laserstrahl mittels der Scanneroptik einem x-y-Raster über das Messloch der Lochblende bewegt.
Eine weitere, ähnliche Vorrichtung der vorgenannten Art ist in der US 6 501 061 B1 offenbart. Dabei wird der Laserstrahl über eine Apertur (Blende) gescannt und durch einen Vergleich der Scanner-Positions-Daten zum Zeitpunkt der Detektion des Laserstrahls kann der Scanner Positions-kalibriert werden.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen, die eine Scanner-Optik zur Abtastung nutzen, weisen folgende Nachteile auf: einerseits können die Strahl-Daten meist nur an einzelnen Positionen erfasst werden. Andererseits ist die erzielbare Ortsauflösung unmittelbar gekoppelt an die Genauigkeit, mit welcher der Laserstrahl mittels der Scanner-Optik verfahren bzw. positioniert werden kann. Die präzise Messung des Strahlprofils eines fein-fokussierten Laserstrahls geringer Modenordnung ist auf diese Weise in der Regel nicht möglich.
Ein grundsätzliches Problem bei der Messung von Laserstrahlung ist weiterhin die hohe Leistungsdichte im Strahl, die schnell zur Zerstörung der zum Einsatz kommenden Sensoren führen kann. Halbleitersensoren wie Photodioden oder CCD-Kameras sind in dieser Hinsicht besonders empfindlich, weswegen der Laserstrahl zuvor um viele Größenordnungen abgeschwächt werden muss. Die zur Abschwächung verwendeten Elemente verändern jedoch oftmals den Strahl derart, dass es problematisch ist, auf die exakten Strahl-Parameter des ursprünglichen Strahls zurückzurechnen. Optische Elemente können durch eine geringe Absorption der Laserstrahlung bereits thermisch induzierte Veränderungen der Abbildung verursachen. Wenn mittels einer Strahldiagnose-Vorrichtung genau solche Effekte in der Laserbearbeitungs-Optik nachgewiesen werden sollen, dann ist es nachteilig, wenn abschwächende Elemente diesen Effekt vergrößern. Abtastende Systeme können demgegenüber einen Vorteil haben, da der Strahl relativ zum Abtaster bewegt wird und daher die Einwirkung nur kurzzeitig erfolgt. Allerdings sind meist viele Durchläufe zur Abtastung erforderlich, so dass eine Einwirkung sehr oft hintereinander stattfindet. Außerdem weisen aktuelle hochbrillante Laserquellen derart hohe Leistungsdichten im Strahl auf, dass auch es auch bei abtastenden Systemen meist erforderlich ist, nur einen Bruchteil der Strahl-Intensität auf den jeweils verwendeten Sensor zu leiten.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen demnach erhebliche Nachteile auf sowohl im Hinblick auf die erreichbare Genauigkeit und Ortsauflösung als auch bezüglich der Verträglichkeit mit Laserstrahlen hoher Leistung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Strahldiagnose an optischen Systemen zur Lasermaterialbearbeitung zu schaffen, die für die Vermessung von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistung geeignet sind und eine genaue Bestimmung mindestens eines geometrischen Strahl-Parameters wie beispielsweise des Fokus-Durchmessers ermöglichen, und welche auch in einem ausgedehnten Arbeitsbereich des Laserstrahls verwendet werden können.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls vorgeschlagen, welche ein optisches System, eine Einrichtung zur Auskopplung von Strahlung, eine Strahldiagnose-Einrichtung, und ein Reflektor-Element beinhaltet. Das optische System ist zur Fokussierung eines Laserstrahls in einen Bearbeitungs-Bereich ausgebildet. Die Einrichtung zur Auskopplung von Strahlung ist ausgebildet zur Auskopplung von Strahlung, die in einer dem Laserstrahl entgegengesetzten Richtung durch das optische System läuft. Das Reflektor-Element hat eine erste Fläche, die teilreflektierend und gekrümmt ist. Das Reflektor-Element ist positionierbar in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich. Die Krümmung der ersten Fläche des Reflektor-Elements ist gleich einer mittleren Krümmung einer Wellenfront des vom optischen System fokussierten Laserstrahls im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die erste Fläche des Reflektor-Elements konzentrisch zur Wellenfront des fokussierten Laserstrahls eingestellt ist.
Der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche des Reflektor-Elements kann auf eine Soll-Position des Laserstrahl-Fokus des fokussierten Laserstrahls eingestellt sein.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, die weiterhin eine Positionier-Vorrichtung beinhaltet. Dabei ist das Reflektor-Element mit der Positionier-Vorrichtung gekoppelt. Die Positionier-Vorrichtung ist dazu ausgebildet, das Reflektor-Element an verschiedenen Positionen in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich zu positionieren.
Die Positionier-Vorrichtung kann ausgebildet sein, das Reflektor-Element in verschiedenen Abständen zur optischen Achse des optischen Systems zu positionieren.
Die Positionier-Vorrichtung kann auch ausgebildet sein, das Reflektor-Element in verschiedenen Winkeln zur optischen Achse des optischen Systems auszurichten und zu positionieren.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, die zusätzlich zu dem Reflektor-Element weitere Reflektor-Elemente mit jeweils einer ersten Fläche beinhaltet. Dabei haben die erste Fläche des Reflektor-Elements und die ersten Flächen der weiteren Reflektor-Elemente die gleiche Krümmung. Das Reflektor-Element und die weiteren Reflektor-Elemente sind an verschiedenen Positionen in einem flächigen Bereich parallel zum Bearbeitungs-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich angeordnet.
Das optische System zur Fokussierung des Laserstrahls kann Bestandteil einer Scanner-Optik in einer Remote-Laser-Materialbearbeitungsanlage sein.
Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der die Strahldiagnose-Einrichtung eine Einrichtung zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung und einen ortsauflösenden Sensor beinhaltet.
Die Einrichtung zur Fokussierung kann in einer Ausführungsform der Vorrichtung ein Linsen-Array beinhalten.
Die Strahldiagnose-Einrichtung kann weiterhin eine Einrichtung zur Bild-Abstands-Verstellung beinhalten, die zur Änderung eines axialen Abstandes zwischen dem ortsauflösenden Sensor und einer Position eines Bildes des Laserstrahl-Fokus ausgebildet ist.
Es ist eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Einrichtung zur Bild-Abstands-Verstellung eine Einrichtung zur axialen Verschiebung der Einrichtung zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung beinhaltet.
Es ist auch eine Vorrichtung vorgesehen, bei der die Einrichtung zur Bild-Abstands-Verstellung eine Fokussierlinse mit einstellbarer Brennweite beinhaltet.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls die Bestimmung wenigstens einer der folgenden Größen umfassen: Durchmesser eines Laserstrahls, Fokusdurchmesser eines Laserstrahls, seitliche Position eines Laserstrahls in einem Bearbeitungs-Bereich, axiale Fokus-Position, Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, Strahlprofil eines Laserstrahls, Wellenfront eines Laserstrahls, Bahngeschwindigkeit eines Laserstrahls, Naht-Energie einer Bearbeitungsspur.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch ein Verfahren zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls zur Verfügung gestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Ein Laserstrahl wird mittels eines optischen Systems in einen Bearbeitungs-Bereich fokussiert. Ein Reflektor-Element mit einer ersten Fläche wird in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungs-Bereich positioniert. Dabei ist die erste Fläche des Reflektor-Elements gekrümmt und das Reflektor-Element wird in einem Positionier-Bereich positioniert, in welchem eine mittlere Krümmung der Wellenfront des vom optischen System fokussierten Laserstrahls gleich der Krümmung der ersten Fläche des Reflektor-Elements ist. Ein Anteil des fokussierten Laserstrahls wird an der ersten Fläche des Reflektor-Elements in Richtung des optischen Systems rückreflektiert. Ein Anteil des rückreflektierten Strahl-Anteils wird ausgekoppelt. Aus dem ausgekoppelten Strahl-Anteil wird mittels einer Strahldiagnose-Einrichtung mindestens ein geometrischer Parameter bestimmt.
Die erste Fläche des Reflektor-Elements kann konzentrisch zur Wellenfront des fokussierten Laserstrahls eingestellt werden.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche des Reflektor-Elements auf eine Soll-Position des Laserstrahl-Fokus des fokussierten Laserstrahls eingestellt wird.
In einer Ausführungsform des Verfahrens beinhaltet das Bestimmen wenigstens eines geometrischen Parameters mittels der Strahldiagnose-Einrichtung die folgenden Verfahrensschritte. Mindestens ein Teilbereich des ausgekoppelten Strahl-Anteils wird auf einen ortsauflösenden Sensor fokussiert. Die vom ortsauflösenden Sensor gelieferten Intensitäts-Daten werden aufgezeichnet. Aus den aufgezeichneten Intensitäts-Daten des ortsauflösenden Sensors wird mindestens ein geometrischer Parameter bestimmt.
In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird ein axialer Abstand zwischen dem ortsauflösenden Sensor und einer Position eines Bildes des Laserstrahl-Fokus variiert.
Es wird auch ein Verfahren vorgeschlagen, bei dem die Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls das Bestimmen wenigstens einer der folgenden Größen umfasst: Durchmesser eines Laserstrahls, Fokusdurchmesser eines Laserstrahls, seitliche Position eines Laserstrahls in einem Bearbeitungs-Bereich, axiale Fokus-Position, Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, Strahlprofil eines Laserstrahls, Wellenfront eines Laserstrahls, Bahngeschwindigkeit eines Laserstrahls, Naht-Energie einer Bearbeitungsspur.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
1: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem gering reflektierenden Strahlteiler als Einrichtung zur Auskopplung des rückreflektierten Strahl-Anteils.
2: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem hochreflektierenden Spiegel als Einrichtung zur Auskopplung des rückreflektierten Strahl-Anteils.
3: Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform gemäß 1 in einer Anwendungs-Situation, bei der die Fokus-Position des Laserstrahls von der Position des Krümmungsmittelpunktes der ersten Fläche des Reflektor-Elements geringfügig seitlich abweicht.
4: Eine schematische Darstellung der Erfindung in der Ausführungsform gemäß 1 in einer Anwendungs-Situation, bei der die Fokus-Position des Laserstrahls von der Position des Krümmungsmittelpunktes der ersten Fläche des Reflektor-Elements geringfügig axial abweicht.
5: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einer Einrichtung zur axialen Verschiebung der Einrichtung zur Fokussierung des ausgekoppelten Strahl-Anteils.
6: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Einrichtung zur Fokussierung des ausgekoppelten Strahl-Anteils ein Linsen-Element mit verstellbarer Brennweite umfasst.
7: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Reflektor-Element mittels einer Positionier-Vorrichtung im Laserstrahl positionierbar und ausrichtbar ist.
8: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Reflektor-Element mittels einer Positionier-Vorrichtung im Laserstrahl seitlich positionierbar ist.
9: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der das Reflektor-Element und weitere Reflektor-Elemente auf einer Trägerplatte angeordnet sind und die Trägerplatte im Laserstrahl positionierbar ist.
10: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strahldiagnose-Einrichtung ein Wellenfront-Sensor ist.
11: Eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strahldiagnose-Einrichtung ein Wellenfront-Sensor ist, und bei der das Reflektor-Element mittels einer Positionier-Vorrichtung im Laserstrahl in drei Raumrichtungen verschiebbar und positionierbar ist.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Ein Laserstrahl 10 mit einer Wellenfront 18 durchlauft eine Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Strahl-Anteils. Der Laserstrahl 10 wird von einem optischen System 20 fokussiert. Der vom optischen System 20 fokussierte Laserstrahl 11 weist einen Laserstrahl-Fokus 12 auf, der sich in einem Bearbeitungs-Bereich 17 befindet. Der fokussierte Laserstrahl 11 ist konvergent und besitzt daher konkav gekrümmte Wellenfronten.
In den Strahlengang des fokussierten Laserstrahls 11 ist ein Reflektor-Element 40 einbringbar. Das Reflektor-Element 40 hat eine erste Fläche 41, die konvex gekrümmt ist und zum optischen System 20 orientiert ist. Die erste Fläche 41 reflektiert einen Teil des fokussierten Laserstrahls 11 zurück in das optische System 20. Das optische System 20 bildet den rückreflektierten Strahl-Anteil 13 in umgekehrter Richtung ab, der rückreflektierte Strahl-Anteil wird also kollimiert. Mittels der Einrichtung 30 zur Auskopplung wird ein Teil der rückreflektierten Strahlung ausgekoppelt. Die ausgekoppelte Strahlung 14 wird mittels der Strahldiagnose-Einrichtung 31 vermessen. Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 kann optional über eine opto-mechanische Schnittstelle 28 angekoppelt sein. In der Strahldiagnose-Einrichtung 31 wird die ausgekoppelte Strahlung 14 von einer Einrichtung zur Fokussierung 32 auf einen ortsauflösenden Sensor 34 fokussiert und formt auf dem ortsauflösenden Sensor 34 ein Bild 15 des Laserstrahl-Fokus.
Bei der in der 1 gezeigten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einrichtung 30 zur Auskopplung des rückreflektierten Strahl-Anteils einen gering reflektierenden Strahlteiler. Der Laserstrahl 10 transmittiert also den Strahlteiler nahezu vollständig in gerader Richtung. Der rückreflektierte Strahl-Anteil 13, der in umgekehrter Richtung das optische System 20 durchläuft, transmittiert den Strahlteiler ebenfalls fast vollständig in gerader Richtung. Ein kleiner Bruchteil der rückreflektierten Strahlung 13 wird am Strahlteiler reflektiert und bildet auf diese Weise einen seitlich ausgekoppelten Strahl-Anteil 14.
In der 2 ist eine zweite Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform ist der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ähnlich und unterscheidet sich in der konkreten Ausgestaltung der Einrichtung 30 zur Auskopplung. Bei der in 2 gezeigten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Einrichtung 30 zur Auskopplung des rückreflektierten Strahl-Anteils einen hoch reflektierenden Strahlteiler. Der Laserstrahl 10 wird also durch den Strahlteiler nahezu vollständig reflektiert bzw. umgelenkt. Der rückreflektierte Strahl-Anteil 13 wird ebenfalls vom Strahlteiler fast vollständig reflektiert. Ein kleiner Bruchteil der rückreflektierten Strahlung 13 transmittiert den hochreflektierenden Strahlteiler und wird auf diese Weise in gerader Richtung ausgekoppelt.
3 zeigt die Erfindung in einer Ausführungsform nach 1. Dargestellt ist eine Situation bei der Vermessung des Laserstrahls, bei der die Fokus-Position, d. h. also die Position des Laserstrahl-Fokus 12 des fokussierten Laserstrahls 11, von der Position des Krümmungsmittelpunktes der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 geringfügig seitlich abweicht. Eine derartige Situation tritt beispielsweise dann auf, wenn die Position des Reflektor-Elements 40 auf eine Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus kalibriert ist und die tatsächliche Position des Laserstrahl-Fokus 12 durch eine ungenaue Führung der Laserbearbeitungsoptik von der Soll-Position 55 geringfügig abweicht. Die vom Reflektor-Element 40 rückreflektierte Strahlung 13 weicht dann um einen kleinen Winkel vom fokussierten Laserstrahl 11 ab. Das von der Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 erzeugte Bild 15 des Laserstrahl-Fokus ist dann auf dem ortsauflösenden Sensor 34 seitlich verschoben. Auf diese Weise kann eine ungenaue Führung, Steuerung oder Positionierung des fokussierten Laserstrahls 11 bzw. der Laserbearbeitungsoptik detektiert werden.
In 4 ist die Erfindung ebenfalls in einer Ausführungsform nach 1 schematisch dargestellt. 4 zeigt eine Situation bei der Vermessung des Laserstrahls, bei der die Position des Laserstrahl-Fokus 12 des fokussierten Laserstrahls 11 von der Position des Krümmungsmittelpunktes der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 geringfügig axial abweicht. Diese Situation ist beispielsweise typisch für den Fall, dass das optische System 20 leicht verschmutzt ist und durch den Laserstrahl aufgeheizt wird, wodurch die Fokuslage axial verschoben wird. Dieser Effekt wird thermischer Fokus-Shift genannt. Wenn die Position des Reflektor-Elements 40 auf die korrekte Soll-Lage (z. B. die Bearbeitungs-Ebene 17) des Laserstrahl-Fokus kalibriert ist und die tatsächliche Position des Laserstrahl-Fokus 12 axial verschoben ist, dann weicht der Divergenzwinkel der vom Reflektor-Element 40 rückreflektierten Strahlung 13 vom Konvergenzwinkel des fokussierten Laserstrahls 11 ab. Das von der Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 erzeugte Bild 15 des Laserstrahl-Fokus ist dann ebenfalls axial verschoben. Auf dem ortsauflösenden Sensor 34 ist dadurch der Strahldurchmesser vergrößert, so dass ein thermischer Fokus-Shift detektiert werden kann.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Bei dieser Ausführungsform ist die Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 mittels einer Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung axial verschiebbar angeordnet. Mittels der Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung kann der Abstand 35 zwischen dem Bild 15 des Laserstrahl-Fokus und dem ortsauflösenden Sensor 34 variiert werden.
In der 6 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. In dieser Ausführungsform ist, ähnlich wie bei der in 5 gezeigten Ausführungsform, eine Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung vorgesehen. In der Ausführungsform nach 6 umfasst dazu die Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 ein Linsen-Element 38 mit verstellbarer Brennweite.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in 7 schematisch dargestellt. Das optische System 20 ist in dieser Ausführungsform Bestandteil einer Scanner-Optik. Die Scanner-Optik beinhaltet weiterhin typischerweise zwei drehbar gelagerte Scanner-Spiegel 24, die von einem Galvanometer-Antrieb angesteuert werden. Zur Vereinfachung der Darstellung ist in 6 nur ein Scanner-Spiegel 24 gezeigt. Mit den Scanner-Spiegeln kann der Laserstrahl-Fokus 12 im Bearbeitungs-Bereich 17 beliebig positioniert werden und entlang einer Bearbeitungs-Spur geführt werden. Das Reflektor-Element 40 ist mit einer Positionier-Vorrichtung 50 gekoppelt. Zu diesem Zweck kann sich das Reflektor-Element 40 in einer Halterung 52 befinden. Mittels der Positionier-Vorrichtung 50 kann das Reflektor-Element 40 passend zur Position des Laserstrahl-Fokus 12 und zur Lage des fokussierten Laserstrahls 11 positioniert und ausgerichtet werden.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Ausführungsform ist der in 7 gezeigten Ausführungsform ähnlich, jedoch ist die Positionier-Vorrichtung 50 in dieser Ausführungsform ausgebildet zur seitlichen Positionierung des Reflektor-Elements 40 in einer Ebene parallel zur Bearbeitungs-Ebene 17. Der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 kann dadurch besonders einfach und exakt auf die Soll-Positionen 55 des Laserstrahl-Fokus 12 eingestellt werden. Dazu durchstößt die Symmetrie-Achse 42 des Reflektor-Elements 40 die jeweilige Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus 12.
In 9 ist eine weitere Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist das optische System 20 Bestandteil einer Scanner-Optik, ähnlich wie bei den in 7 und 8 gezeigten Ausführungsformen. In der Ausführungsform nach 9 wird auf eine Positionier-Vorrichtung zur Positionierung des Reflektor-Elements 40 verzichtet. Stattdessen ist eine Trägerplatte 60 in eine Ebene parallel zur Bearbeitungs-Ebene 17 einbringbar. Auf der Trägerplatte 60 sind das Reflektor-Element 40 und weitere Reflektor-Elemente 44 an verschiedenen Positionen angeordnet. An allen Positionen des Laserstrahl-Fokus 12, die durch die Symmetrie-Achsen 42 des Reflektor-Elements 40 und der weiteren Reflektor-Element 44 definiert sind, kann der Laserstrahl vermessen werden.
10 zeigt noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung. Die Einrichtung 32 zur Fokussierung innerhalb der Strahldiagnose-Einrichtung 31 umfasst hierbei ein Linsen-Array. Das Linsen-Array und der ortsauflösende Sensor 34 bilden einen Wellenfront-Sensor, auch als Shack-Hartmann-Sensor bezeichnet.
Schließlich zeigt 11 zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der das optische System 20 Bestandteil einer Scanner-Optik ist und bei der die Strahldiagnose-Einrichtung 31 als Wellenfront-Sensor ausgeführt ist, mit einem Linsen-Array als Einrichtung 32 zur Fokussierung und mit einem ortsauflösenden Sensor 34. In dieser Figur ist auch beispielhaft gezeigt, dass die Positionier-Vorrichtung 50 dazu ausgebildet sein kann, das Reflektor-Element 40 in drei Raumachsen zu verschieben und zu positionieren.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll ein Lösung für das Problem angegeben werden, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Strahldiagnose an optischen Systemen zur Lasermaterialbearbeitung zu schaffen, welche für sehr hohe Leistungen geeignet sind, welche auch in einem ausgedehnten Arbeitsbereich des Laserstrahls verwendbar sind und welche höhere Genauigkeiten bei der Bestimmung geometrischer Strahl-Parameter ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die ein optisches System 20, welches zur Fokussierung eines Laserstrahls 10 in einen Bearbeitungs-Bereich 17 ausgebildet ist, eine Einrichtung 30 zur Auskopplung von Strahlung, die in einer dem Laserstrahl 10 entgegengesetzten Richtung durch das optische System 20 läuft, eine Strahldiagnose-Einrichtung 31, und ein Reflektor-Element 40 beinhaltet. Das Reflektor-Element 40 hat eine erste Fläche 41, die teilreflektierend und gekrümmt ist. Das Reflektor-Element 40 ist positionierbar in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System 20 und dem Bearbeitungs-Bereich 17. Die Krümmung der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 ist gleich einer mittleren Krümmung einer Wellenfront 16 des vom optischen System 20 fokussierten Laserstrahls 11 im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements 40.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird auch ein Verfahren mit den folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Ein Laserstrahl 10 wird mittels eines optischen Systems 20 in einen Bearbeitungs-Bereich 17 fokussiert. Ein Reflektor-Element 40 mit einer ersten Fläche 41 wird in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System 20 und dem Bearbeitungs-Bereich 17 positioniert. Dabei ist die erste Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 gekrümmt und das Reflektor-Element wird in einem Positionier-Bereich positioniert, in dem eine mittlere Krümmung der Wellenfront des vom optischen System fokussierten Laserstrahls gleich der Krümmung der ersten Fläche des Reflektor-Elements ist. Ein Anteil des fokussierten Laserstrahls 11 wird an der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 in Richtung des optischen Systems 20 rückreflektiert. Ein Anteil des rückreflektierten Strahl-Anteils 13 wird ausgekoppelt. Aus dem ausgekoppelten Strahl-Anteil 14 wird mittels einer Strahldiagnose-Einrichtung 31 mindestens ein geometrischer Parameter bestimmt.
Im Folgenden werden weitere Einzelheiten des erfindungsgemäßen Verfahrens und der Vorrichtung sowie weitere Ausführungsformen der Erfindung beschrieben. Dabei ist die Erfindung nicht beschränkt auf die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen. Vielmehr können einzelne Merkmale verschiedener Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Der Laserstrahl 10 wird von dem optischen System 20 in einen Bearbeitungs-Bereich 17 fokussiert. In dem Bearbeitung-Bereich 17 befinden sich üblicherweise während der Lasermaterialbearbeitung die zu fügenden Werkstücke oder das zu bearbeitende Material. Der Bearbeitungs-Bereich 17 kann flächig, beispielsweise eine Ebene sein. Der Bearbeitungs-Bereich 17 kann auch ein dreidimensionaler Bereich sein, also eine Ausdehnung in Richtung der optischen Achse 22 des optischen Systems 20 aufweisen. Der Laserstrahl 10 kann direkt als annähernd paralleles bzw. kollimiertes Lichtbündel von einer Laserquelle erzeugt werden und auf das optische System 20 gerichtet sein. Der Laserstrahl 10 kann ebenso über ein Strahlführungssystem wie beispielsweise eine Lichtleitfaser bereitgestellt werden. Im letzteren Fall kann sich an das Ende der Lichtleitfaser, aus dem ein Laserstrahl austritt, eine Kollimations-Optik anschließen, um einen annähernd parallelen bzw. kollimierten Laserstrahl 10 zu erzeugen. Im Strahlengang des Laserstrahls 10 ist eine Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls angeordnet. Die Einrichtung zur 30 Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls kann beispielsweise in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls 10 vor dem optischen System 20 angeordnet sein. Diese Anordnung kann bevorzugt sein, um den Arbeitsabstand zwischen dem optischen System 20 und dem Laserstrahl-Fokus 12 nicht zu verringern. Es ist aber auch möglich, die Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls nach dem optischen System 20 anzuordnen.
Die Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls kann beispielsweise einen Strahlteiler-Spiegel mit einem sehr geringen Reflexionsgrad wie eine reflexmindernd beschichtete Planplatte oder Keilplatte umfassen. Der Laserstrahl 10 transmittiert zu etwa 99% oder mehr den Strahlteiler-Spiegel in gerader Richtung. In umgekehrter Richtung wird ein rückreflektierter Teilstrahl 13 ebenfalls zu 99% oder mehr hindurchgelassen, ein Anteil von etwa 1% oder weniger wird reflektiert und steht dann als ausgekoppelter Teilstrahl 14 für die Strahlanalyse in der Strahldiagnose-Vorrichtung 31 zur Verfügung. Eine solche mögliche Anordnung der Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls ist schematisch in den 1 sowie 3 bis 11 dargestellt. Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die Einrichtung 30 zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls einen Strahlteiler-Spiegel mit einem sehr hohen Reflexionsgrad wie eine dielektrisch beschichteten Spiegelplatte oder Keilplatte umfasst. In dieser Ausführungsform wird der Laserstrahl 10 zu ungefähr 99% oder mehr reflektiert, er wird also umgelenkt. In umgekehrter Richtung wird ein rückreflektierter Teilstrahl 13 ebenfalls zu 99% oder mehr reflektiert, ein Anteil von etwa 1% oder weniger wird in gerader Richtung transmittiert und steht dann als ausgekoppelter Teilstrahl 14 für die Strahlanalyse in der Strahldiagnose-Vorrichtung 31 zur Verfügung. Eine derartige Anordnung zeigt beispielhaft die 2. Es sind auch andere Möglichkeiten zur Auskopplung eines rückreflektierten Teilstrahls vorgesehen, beispielsweise kann die Auskopplung auch über einen Strahlteiler mit einer darauf aufgebrachten Beugungsstruktur erfolgen.
Das optische System 20 kann beispielsweise ein Fokussier-Objektiv als Bestandteil einer Laserbearbeitungsoptik sein. Das optische System 20 kann als ein weiteres Beispiel auch ein sogenanntes f-theta-Objektiv als Bestandteil einer Scanner-Optik sein. Das optische System 20 kann auch eine Planfeld-Optik sein. Die in den 1 bis 6 und 10 dargestellte einzelne Linse des optischen Systems 20 steht also stellvertretend für optische Systeme oder Objektive mit einem oder mehreren Linsen-Elementen. Ebenso steht das in den 7 bis 9 und 11 beispielhaft gezeigte Objektiv aus drei Linsen stellvertretend für optische Systeme oder Objektive mit einem oder mehreren, auch mehr als drei, Linsen-Elementen.
Zur Erzeugung eines rückreflektierten Teilstrahls 13 wird im Strahlengang des fokussierten Laserstrahls 11 ein Reflektor-Element 40 positioniert. Das Reflektor-Element 40 befindet sich beispielsweise während der Laserbearbeitung nicht im Strahlengang des fokussierten Laserstrahls 11. Das Reflektor-Element 40 wird zur Vermessung des Laserstrahls in einem Bereich zwischen dem optischen System 20 und dem Bearbeitungs-Bereich 17 positioniert. Das Reflektor-Element 40 umfasst eine erste Fläche 41, die gekrümmt und teilreflektierend ausgebildet ist. Die erste Fläche 41 kann beispielsweise eine dem optischen System 20 zugewandte Fläche (bzw. Grenzfläche) des Reflektor-Elements 40 sein. Die Krümmung der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 ist etwa gleich groß wie die mittlere Krümmung der Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements 40.
Die erste Fläche 41 kann auch eine von dem optischen System 20 abgewandte Fläche des Reflektor-Elements 40 sein. In dem Fall transmittiert der vom optischen System 20 fokussierte Laserstrahl 11 zunächst das Reflektor-Element 40, bevor ein Bruchteil der Strahlung an der ersten Fläche 41 reflektiert wird. Der Krümmungsradius der ersten Fläche 41 ist in diesem Fall etwa gleich dem mittleren Krümmungsradius der Wellenfront 16 des fokussierten Strahls 11 nach der Transmission durch das Reflektor-Element 40. Wenn der Strahl dabei gebrochen wird, ergibt sich der Krümmungsradius der ersten Fläche 41 und der mittlere Krümmungsradius der Wellenfront 16 des fokussierten Strahls 11 nach der Transmission durch das Reflektor-Element 40 ungefähr aus der folgenden Gleichung 1: R_ab = (n s R_zu)/[R_zu + s(n – 1)] [Gleichung 1]
Dabei haben die Formelsymbole folgende Bedeutung: R_ab ist der Krümmungsradius der Fläche des Reflektor-Elements 40 auf der von dem optischen System 20 abgewandten Seite des Reflektor-Elements 40. R_zu ist der Krümmungsradius der Fläche des Reflektor-Elements 40 auf der dem optischen System 20 zugewandten Seite des Reflektor-Elements 40. n ist die Brechzahl des Materials, aus dem das Reflektor-Element 40 besteht. s ist der Abstand des Reflektor-Elements 40 von der Ebene, in welcher der Laserstrahl-Fokus 12 ohne Brechung durch das Reflektor-Element 40 liegt.
Das Reflektor-Element 40 kann beispielsweise aus einem optisch transparenten Material bestehen. Vorteilhaft ist die Verwendung eines optischen Materials mit sehr geringer Absorption wie beispielsweise Quarzglas. Von der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 wird zumindest ein Bruchteil des vom optischen System 20 fokussierten Laserstrahls 11 reflektiert. Die erste Fläche 41 kann mit einer reflexmindernden Beschichtung versehen sein, dann wird ein Bruchteil im Bereich von typischerweise etwa 0,1% bis 1% reflektiert. Die erste Fläche 41 kann auch unbeschichtet sein, in diesem Fall wird typischerweise ein Bruchteil im Bereich von etwa 3% bis 5% reflektiert.
Als Reflektor-Element 40 kann eine optische Linse mit einer sphärischen Fläche verwendet werden, beispielsweise eine Plankonvex-Linse.
Es ist in einer Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass das Reflektor-Element 40 eine konzentrische Meniskus-Linse ist. Das Reflektor-Element 40 hat dann keine optische Auswirkung auf den fokussierten Laserstrahl. Das Reflektor-Element 40 kann bei dieser Ausführungsform auch während der Laserbearbeitung im Strahlengang verbleiben. Es ist bei dieser Ausführungsform auch möglich, dass beide Grenzflächen, also Vorderseite und Rückseite des Reflektor-Elements 40, teilreflektierende Flächen sind und somit zwei Bilder 15 des Laserstrahl-Fokus auf dem ortsauflösenden Sensor 34 entstehen. Daher können bei dieser Ausführungsform die beiden Grenzflächen des Reflektor-Elements senkrecht zur optischen Achse etwas gegeneinander verschoben sein, damit die beiden Bilder 15 des Laserstrahl-Fokus ebenfalls seitlich gegeneinander verschoben sind und nicht auf dem ortsauflösenden Sensor miteinander interferieren.
Das Reflektor-Element 40 wird so positioniert und ausgerichtet, dass der rückreflektierte Anteil 13 des fokussierten Laserstrahls 11 zurück in das optische System 20 gerichtet ist und von dem optischen System 20 in umgekehrter Richtung wie der Laserstrahl 10 abgebildet wird.
Der vom optischen System 20 fokussierte Laserstrahl 11 ist konvergent. Die Wellenfront 16 bzw. die Phasenfläche des fokussierten Laserstrahls 11 ist daher in Ausbreitungsrichtung betrachtet konkav gekrümmt. Betrachtet man einen Bereich des fokussierten Laserstrahls 11, der mindestens einige Rayleigh-Längen von der Position des Laserstrahl-Fokus 12 entfernt ist, dann entspricht der Krümmungsradius der konkav gekrümmten Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 ungefähr dem Abstand der jeweiligen Wellenfront 16 zur Position des Laserstrahl-Fokus 12.
Erfindungsgemäß ist die erste Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 gekrümmt und die Krümmung der ersten Fläche 41 entspricht der Krümmung der Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements 40. Die Wirkung des Reflektor-Elements 40 ist daher vergleichbar mit einem phasenkonjugierenden Spiegel, das heißt, der fokussierte Laserstrahl 11 wird von der ersten Fläche 41 teilweise in sich selbst zurückreflektiert.
Aus der erfindungsgemäßen Vorrichtung und der Ausgestaltung des Reflektor-Elements 40 ergeben sich zahlreiche Vorteile bei der Bestimmung von Parametern des Laserstrahls:

– Fokuslage und Divergenz- bzw. -Konvergenzwinkel der rückreflektierten Strahlung stimmen mit der Fokuslage und dem Divergenz- bzw. -Konvergenzwinkel des Laserstrahls überein.
– Das optische System 20, dessen Korrektion auf die Abbildung des Laserstrahls 10 abgestimmt ist, bildet daher auch in umgekehrter Strahlrichtung den rückreflektierten Teilstrahl 13 optimal und mit minimalen Abbildungsfehlern ab.
– Die Ausdehnung bzw. der Durchmesser und die Schwerpunkt-Achse des rückreflektierten Teilstrahls 13 stimmen mit den Größen des Laserstrahls 11 überein, so dass es bei der Rück-Abbildung des reflektierten Teilstrahls 13 nicht zu einer teilweisen Abschattung bzw. Vignettierung durch die begrenzten Ausdehnungen der Linsen des optischen Systems oder der Umlenk- oder Scanner-Spiegel kommt.
– Der Laserstrahl-Fokus 12 im Bearbeitungs-Bereich 17 und das Bild 15 des Laserstrahl-Fokus auf dem ortsauflösenden Sensor 34 stehen in einem klar definierten Abbildungsverhältnis, so dass aus der Vermessung des Bildes 15 des Laserstrahl-Fokus exakt auf die Parameter des Laserstrahls in der Bearbeitungs-Ebene 17 zurückgerechnet werden kann.
– Eine abweichende Fokus-Position in der Bearbeitungs-Ebene 17 wird durch eine Abweichung der Position des Bildes 15 des Laserstrahl-Fokus auf dem ortsauflösenden Sensor 34 erkannt, wenn die Position des Reflektor-Elements 40 zuvor kalibriert wurde.
– Winkel- und Polarisations-Abhängigkeiten des Reflexionsgrades der ersten Fläche 41 bzw. der Beschichtung der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 haben keine Auswirkung, da der Ausbreitungsvektor des fokussierten Laserstrahls 11 praktisch immer senkrecht auf der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 steht; der Reflexionsgrad ist somit konstant, wodurch auch eine quantitative Kalibration, beispielsweise zur Bestimmung der Leistungsdichte, ermöglicht wird.
– Durch die Rückreflexion eines kleinen Anteils der Strahlung und durch die Auskopplung wird der Strahl-Anteil auf dem Sensor insgesamt um mehrere Größenordnungen abschwächt, so dass auch Laserstrahlung mit sehr hoher Leistung vermessen werden kann. Außerdem transmittiert der rückreflektierte, zu vermessende Anteil des Strahls nicht das Reflektor-Element, so dass keine zusätzlichen thermisch induzierten Brechkraft-Änderungen die Strahldiagnose beeinflussen.

Mittels der Einrichtung 30 zur Auskopplung des rückreflektierten Strahl-Anteils 13 wird ein Bruchteil des rückreflektierten Strahls 13 vom Strahlengang des Laserstrahls 10 getrennt, beispielsweise seitlich ausgespiegelt, und steht als ausgekoppelter Strahlanteil 14 der Strahldiagnose-Einrichtung 31 zur Verfügung. Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 kann optional über eine opto-mechanischen Schnittstelle 28 mit dem anderen Teil der Vorrichtung gekoppelt sein. Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 beinhaltet beispielsweise eine Einrichtung 32 zur Fokussierung und einen ortsauflösenden Sensor 34. Der ausgekoppelte Strahlanteil 14 wird mittels der Einrichtung 32 zur Fokussierung auf den örtlich auflösenden Sensor 34 fokussiert. Der örtlich auflösende bzw. ortsauflösende Sensor 34 kann ein pixel-basierter Sensor wie beispielsweise eine CCD-Kamera oder ein CMOS-Sensor sein.
Bei der Einrichtung 32 zur Fokussierung kann die benötigte Brechkraft mit unterschiedlichen optischen Elementen erzeugt werden. Es kann eine einzelne Linse oder ein System aus mehreren Linsen zum Einsatz kommen. Es können auch Gradienten-Index-Linsen, Fresnel-Linsen oder Beugungslinsen verwendet werden. Die Verwendung von Spiegel-Linsen ist ebenso möglich.
Der ortsauflösende Sensor 34 detektiert die Intensitätsverteilung des rückreflektierten, ausgekoppelten und fokussierten Strahlanteils. Diese Intensitätsverteilung ist somit ein direktes Abbild der Intensitätsverteilung des Laserstrahl-Fokus 12 im Bearbeitungs-Bereich 17. Aus den Intensitätsdaten des ortsauflösenden Sensors 34 können verschiedene Parameter des Laserstrahls bestimmt werden, beispielsweise der Durchmesser des Laserstrahls, der Fokusdurchmesser des Laserstrahls, die seitliche Position des Laserstrahls in der Bearbeitungs-Ebene, die axiale Fokus-Position, die Intensitätsverteilung des Laserstrahls, das Strahlprofil des Laserstrahls, die Wellenfront des Laserstrahls, die Bahngeschwindigkeit des Laserstrahls, oder die Naht-Energie der Bearbeitungsspur.
Der Laserstrahl-Fokus 12 in der Bearbeitungs-Ebene 17 und das Bild 15 des Laserstrahl-Fokus auf dem ortsauflösenden Sensor 34 stehen in einem exakt definierten Abbildungs-Verhältnis zueinander. Dies wird erreicht durch die quasi phaseninvertierte Reflexion des fokussierten Laserstrahls 11 an der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40. Die Reflexion wirkt nahezu phaseninvertierend, wenn die Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 deckungsgleich bzw. konzentrisch zur ersten Fläche 41 ist. Dazu muss sich der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 ungefähr an der Position des Laserstrahl-Fokus 12 befinden, da die Wellenfronten eines fokussierten Strahls konzentrisch zum Fokus-Punkt verlaufen, sofern die Wellenfronten mehr als einige Rayleigh-Längen vom Fokus-Punkt entfernt sind. Der Laserstrahl 10, 11 kann eine höhere Moden-Ordnung und/oder Aberrationen aufweisen. Die Wellenfront 18 des Laserstrahls 10 ist dann nicht ideal eben, und die Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls kann eine von einer idealen sphärischen Form leicht abweichende Form aufweisen. Es ist daher vorgesehen, dass die Krümmung der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 der mittleren Krümmung der Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 entspricht.
Das Abbildungsverhältnis M bzw. die Vergrößerung zwischen dem Bild 15 des Laserstrahl-Fokus auf dem ortsauflösenden Sensor 34 und dem Laserstrahl-Fokus 12 in der Bearbeitungs-Ebene 17 wird durch die folgende Gleichung 2 bestimmt: M = f_FA/f_OS [Gleichung 2]
Dabei ist f_OS die Brennweite des optischen Systems 20 und f_FA ist die Brennweite der Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14. Somit können die mittels des ortsauflösenden Sensors 34 ermittelten Parameter des ausgekoppelten Strahls 14 exakt auf die Parameter des fokussierten Strahls 11 umgerechnet werden. Der Fokus-Durchmesser ∅_Fok des Laserstrahl-Fokus 12 wird demnach über die folgende Relation aus dem mit dem ortsauflösenden Sensor 34 gemessenen Fokus-Durchmesser ∅_Mess bestimmt: ∅_Fok = ∅_Mess ☐ f_OS/f_FA [Gleichung 3]
Um eine hohe Auflösung bei der Bestimmung der Strahl-Parameter zu erzielen, kann es demnach vorteilhaft sein, die Brennweite f_FA der Einrichtung 32 zur Fokussierung groß zu wählen, was einen entsprechend langen Strahlweg zur Folge hat. Damit die Vorrichtung dennoch kompakt bleibt, ist es in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Einrichtung 32 zur Fokussierung eine Tele-Konstruktion umfasst, also eine Kombination von zwei beabstandeten Linsen-Gruppen, wobei die eine Linsen-Gruppe eine positive Brennweite aufweist und die andere Linsen-Gruppe eine negative Brennweite besitzt. Damit kann eine wesentlich kürzere Baulänge trotz langer Gesamt-Brennweite erreicht werden. Alternativ oder zusätzlich kann der Strahlengang zwischen der Einrichtung 32 zur Fokussierung und dem ortsauflösenden Sensor 34 mittels Verwendung von Umlenkspiegeln gefaltet sein.
Wenn das Reflektor-Element 40 so positioniert ist, dass der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 mit der Position des Laserstrahl-Fokus 12 übereinstimmt, dann entspricht der rückreflektierte Strahl-Anteil 13 genau dem fokussierten Strahl 11 in umgekehrter Richtung. In dem Fall liegt das Bild 15 des Laserstrahl-Fokus auf der Achse, ist also mittig auf dem ortsauflösenden Sensor 34. Diese Situation ist in den 1 und 2 dargestellt.
Wenn bei der Vermessung des Laserstrahls die tatsächliche Position des Laserstrahl-Fokus 12 des fokussierten Laserstrahls 11 von der Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus 12 seitlich abweicht und die Position des Reflektor-Elements 40 auf die Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus eingestellt ist, dann stimmt die Position des Krümmungsmittelpunktes der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 nicht mehr mit der tatsächlichen Position des Laserstrahl-Fokus 12 überein. Bei dieser in der 3 dargestellten Situation weicht die vom Reflektor-Element 40 rückreflektierte Strahlung 13 um einen kleinen Winkel vom fokussierten Laserstrahl 11 ab. Das von der Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 erzeugte Bild 15 des Laserstrahl-Fokus ist dann auf dem ortsauflösenden Sensor 34 seitlich verschoben. Auf diese Weise kann eine ungenaue Führung, Steuerung oder Positionierung des fokussierten Laserstrahls 11 bzw. der Laserbearbeitungsoptik detektiert werden.
Eine axiale Abweichung der tatsächlichen Position des Laserstrahl-Fokus 12 von der Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus 12 hat eine etwas andere Auswirkung, diese Situation ist in der 4 dargestellt. Wiederum wird angenommen, dass die Position des Reflektor-Elements 40 auf die Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus eingestellt ist. Eine axiale Abweichung der tatsächlichen Position des Laserstrahl-Fokus 12 bewirkt, dass der Divergenzwinkel der vom Reflektor-Element 40 rückreflektierten Strahlung 13 vom Konvergenzwinkel des fokussierten Laserstrahls 11 abweicht. Das von der Einrichtung 32 zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung 14 erzeugte Bild 15 des Laserstrahl-Fokus ist dann axial verschoben, so dass auf dem ortsauflösenden Sensor 34 ein vergrößerter Strahldurchmesser registriert wird. Auf diese Weise kann beispielsweise ein thermischer Fokus-Shift des optischen Systems 20 oder des Schutzglases 21 erkannt werden.
Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 beinhaltet die Einrichtung 32 zur Fokussierung und den ortsauflösenden Sensor 34. Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 kann weitere Komponenten umfassen, beispielsweise Elemente zum spektralen Filtern der Strahlung, Elemente zum Abschwächen der Strahlung, Elemente zum Erzeugen von Teilbereichen oder Sub-Aperturen der Strahlung, Strahlteiler zum Aufteilen der ausgekoppelten Strahlung, sowie weitere Sensoren.
Im Strahlengang zwischen der Einrichtung 30 zur Auskopplung und dem ortsauflösenden Sensor 34 können Blenden oder Blendenplatten angeordnet sein. Die Blenden können dazu vorgesehen sein, Reflexionen von anderen Grenzflächen im optischen System 20 auszublenden oder zu verringern. Eine Blendenplatte kann beispielsweise eine Lochraster-Platte umfassen. Damit kann die Vermessung des ausgekoppelten Strahls auf einzelne oder mehrere Teilbereiche oder Sub-Aperturen des Strahls selektiv angewendet werden.
Zwischen der Einrichtung 30 zur Auskopplung und der Einrichtung 32 zur Fokussierung kann eine opto-mechanische Schnittstelle 28 vorgesehen sein. Mittels dieser Schnittstelle 28 kann die Strahldiagnose-Einrichtung 31, umfassend die Einrichtung 32 zur Fokussierung und den ortsauflösende Sensor 34, trennbar mit einem anderen Teil der Vorrichtung, beispielsweise einer Laserbearbeitungs-Optik oder einer Scanner-Optik, verbunden sein. Die Strahldiagnose-Einrichtung 31 kann permanent mit der Laserbearbeitungs-Optik oder der Scanner-Optik verbunden sein. Die opto-mechanische Schnittstelle 28 ermöglicht aber auch, dass die Strahldiagnose-Einrichtung 31 zur nur zur Vermessung des Laserstrahls mit der Laserbearbeitungs-Optik oder der Scanner-Optik verbunden wird.
Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der die Einrichtung 32 zur Fokussierung ein Linsen-Array umfasst. Das Linsen-Array beinhaltet eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten kleinen Linsen. Das Linsen-Array kann auch ein Mikro-Linsen-Array sein. Die kleinen Linsen erfassen Teilbereiche (Sub-Aperturen) des ausgekoppelten Strahls 14 und fokussieren diese Teilbereiche auf den ortsauflösenden Sensor 34. Auf dem Sensor wird dadurch eine Mehrzahl von räumlich getrennten, einzelnen Spots erzeugt. Jeder Spot ist ein Bild 15 des Laserstrahl-Fokus. Aus der Position der einzelnen Spots auf dem Sensor 34 kann die Neigung der Wellenfront des ausgekoppelten Strahls 14 in der zum jeweiligen Spot gehörenden Sub-Apertur des Strahls ermittelt werden. Aus der Gesamtheit der einzelnen Spots auf dem Sensor 34 kann auf diese Weise die Wellenfront des ausgekoppelten Strahls 14 rekonstruiert und daraus die Parameter des Laserstrahls 10, 11 berechnet werden. Die Kombination aus Linsen-Array und ortsauflösendem Sensor wird auch „Wellenfront-Sensor” oder „Shack-Hartmann-Sensor” genannt. Zur Anpassung der Dimension des ausgekoppelten Strahls 14 an die Dimensionen von Linsen-Array und ortsauflösenden Sensor 34 kann zwischen der Einrichtung 30 zur Auskopplung und der Einrichtung 32 zur Fokussierung ein Teleskop angeordnet sein.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist mittels einer Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung der axiale Abstand 35 zwischen dem ortsauflösenden Sensor 34 und dem Bild 15 des Laserstrahl-Fokus veränderbar. Dazu ist beispielsweise die Einrichtung 32 zur Fokussierung des ausgekoppelten Strahlanteils 14 axial beweglich gelagert und kann mittels eines Antriebs axial verstellt werden. Es ist ebenso vorgesehen, dass zur Verstellung des Bild-Abstandes eine einzelne Linse innerhalb der Einrichtung 32 zur Fokussierung axial verschoben werden kann. Es ist weiterhin eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung eine Einrichtung zur Verschiebung der axialen Position des ortsauflösenden Sensors 34 beinhaltet. In dieser Ausführungsform ist der ortsauflösende Sensor 34 axial verschiebbar gelagert und kann mittels eines Antriebs verschoben werden. Es ist auch vorgesehen, dass die Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung ein Linsen-Element 38 mit variabler Brennweite umfasst, beispielsweise eine elektrisch einstellbare Flüssigkeits-Linse.
Mittels der Einrichtung 33 zur Bild-Abstands-Verstellung kann der axiale Abstand 35 zwischen dem ortsauflösenden Sensor 34 und der Position des Bildes 15 des Laserstrahl-Fokus (d. h. der Fokus-Position der ausgekoppelten Strahlung 14) variiert werden und so in verschiedenen Ebenen des ausgekoppelten, fokussierten Strahl-Anteils jeweils die Intensitätsverteilung mit dem ortsauflösenden Sensor 34 aufgezeichnet werden. Auf diese Weise kann die Kaustik des Strahls im Bereich der Strahltaille (d. h. im Bereich nahe des Bildes 15 des Laserstrahl-Fokus) abgetastet werden. Mittels dieser Daten kann zum einen die axiale Fokus-Position bestimmt werden. Aus dem Vergleich mit einer als Referenz gespeicherten axialen Fokus-Position kann weiterhin eine Abweichung festgestellt werden, beispielsweise wenn ein thermischer Fokus-Shift vorliegt, das heißt, wenn sich aufgrund thermischer Veränderungen im optischen System 20 oder des Schutzglases 21 die axiale Fokus-Position des fokussierten Laserstrahls 11 ändert und so der Laserstrahl-Fokus 12 nicht mehr in der Bearbeitungs-Ebene 17 liegt. Zum anderen kann durch die Abtastung der Strahl-Kaustik auch das Strahlparameter-Produkt des Laserstrahls bestimmt werden, also das Produkt aus dem Durchmesser der Strahl-Taille (Fokusdurchmesser) und dem Divergenzwinkel des Strahls.
Es sind weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, bei denen mehrere Ebenen oder Strahlquerschnitte im ausgekoppelten Strahl 14 gleichzeitig aufgenommen werden. Dazu sind beispielsweise ein oder mehrere zusätzliche Strahlteiler im ausgekoppelten Strahl angeordnet, die einen Teil des Strahls jeweils auf einen oder mehrere weitere ortsauflösende Sensoren umlenken, die in unterschiedlichen Abständen (bzw. in unterschiedlichen optischen Weglängen) von der Einrichtung 32 zur Fokussierung angeordnet sind. Die mehrfach geteilten Teilstrahlen des ausgekoppelten Strahls 14 können auch gemeinsam auf einen ortsauflösenden Sensor 34 gerichtet werden. Die einzelnen Teilstrahlen werden dann vorzugsweise mit einem kleinen seitlichen Versatz auf den ortsauflösenden Sensor 34 gerichtet. Dazu kann beispielsweise ein Etalon verwendet werden, welches unter einem Winkel zur optischen Achse im Strahlengang vor dem ortsauflösenden Sensor 34 positioniert ist. Vorder- und Rückseite des Etalons sind teilreflektierend. Dadurch wird eine Vielzahl von Teilstrahlen mit unterschiedlichen Weglängen und seitlichem Versatz erzeugt. Statt eines Etalons können zu diesem Zweck auch eine planparallele Platte, zwei parallel zueinander angeordnete Strahlteiler, oder ein Keilplatten-Paar eingesetzt werden. Durch die gleichzeitige Aufnahme mehrerer Ebenen oder Strahlquerschnitte kann die Strahl-Kaustik bestimmt werden.
Das optische System 20 kann Bestandteil einer Laserbearbeitungs-Optik sein. Die Laserbearbeitungsoptik ist üblicherweise an einem automatisierten Handhabungssystem wie einer Führungsmaschine oder einem Roboter montiert. Mit dem Handhabungssystem wird der Laserstrahl-Fokus 12 entlang einer Werkstück-Füge-Kontur geführt. Zur Bestimmung von dynamischen Bearbeitungs-Parametern ist es vorgesehen, dass das Reflektor-Element 40 oberhalb eines Punktes der gewünschten Füge-Kontur positioniert ist. Dieser Punkt kann eine Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus 12 sein und das Reflektor-Element 40 ist so positioniert, dass der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 und die Soll-Position 55 des Laserstrahl-Fokus 12 übereinstimmen. Beim Führen des Laserstrahls entlang der Füge-Kontur wird damit der Laserstrahl auch über das Reflektor-Element geführt. Gleichzeitig können mittels des ortsauflösenden Sensors in rascher Folge mehrere Aufnahmen mit kurzer Belichtungszeit aufgenommen, ausgelesen und aufgezeichnet werden. Bei der zu dem Zeitpunkt aufgezeichneten Aufnahme, bei dem der Laserstrahl-Fokus 12 gerade die Soll-Position 55 kreuzt, liegt das Bild 15 des Laserstrahl-Fokus mittig auf dem ortsauflösenden Sensor 34. Davor und danach ist das Bild 15 auf dem Sensor 34 seitlich verschoben. Beim Vergleich zweier aufeinanderfolgender Aufnahmen kann aus dem zeitlichen Aufnahme-Abstand und dem Versatz des Bildes 15 des Laserstrahl-Fokus die Bahngeschwindigkeit bestimmt werden. Es ist auch vorgesehen, eine Aufnahme mit einer langen Belichtungszeit aufzunehmen, während der Laserstrahl entlang der Füge-Kontur und damit über das Reflektor-Element 40 geführt wird. Die aufgezeichnete Aufnahme enthält dann eine „Schmier”-Spur des Laserstrahls, deren Intensität ein Maß für die Naht-Energie der Bearbeitungsspur ist.
Das optische System 20 kann auch Bestandteil einer Scanner-Optik sein, bei welcher der Laserstrahl 10 beispielsweise mittels Galvanometer-angetriebener Umlenkspiegel seitlich abgelenkt und damit der Laserstrahl-Fokus 12 innerhalb einer Bearbeitungs-Ebene 17 positioniert und bewegt werden kann. Eine Ablenkung des Strahls kann auch mittels eines Polygon-Spiegel-Scanners erfolgen. Eine weitere Möglichkeit zur Ablenkung des Strahls ist die Verwendung von akusto-optischen Modulatoren. Mittels der genannten Einrichtungen kann der Laserstrahl-Fokus 12 innerhalb des Bearbeitungs-Bereichs 17 bewegt bzw. positioniert werden. Der adressierbare Bearbeitungs-Bereich 17 kann eine Fläche oder eine Ebene sein. Es auch möglich, mittels einer zusätzlichen Einrichtung die axiale Position des Laserstrahl-Fokus 12 verstellbar vorzusehen. Diese zusätzliche Einrichtung kann beispielsweise eine axial verstellbare Linse sein, die vor oder nach der Strahl-Ablenkung angeordnet sein kann. Ein solches System wird auch als 3D-Scanner bezeichnet. Damit kann der Laserstrahl-Fokus 12 innerhalb eines dreidimensionalen Bearbeitungs-Bereichs 17 bewegt bzw. positioniert werden.
Bei derartigen Anordnungen ist es wünschenswert, die Parameter des Laserstrahls an mehreren verschiedenen Positionen im Arbeitsraum bzw. in der Bearbeitungs-Ebene 17 bestimmen zu können.
Es ist daher in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das Reflektor-Element 40 oder die Halterung 52 des Reflektor-Elements 40 mit einer Positionier-Vorrichtung 50 gekoppelt ist. Mittels der Positionier-Vorrichtung 50 kann das Reflektor-Element 40 passend zur Position des Laserstrahl-Fokus 12 und zur Lage des fokussierten Laserstrahls 11 positioniert und ausgerichtet werden. 7 zeigt dazu eine Ausführungsform, bei der das Reflektor-Element näher an dem optischen System 20 positioniert ist. Vorteilhaft ist dabei, dass die Leistungsdichte auf dem Reflektor-Element relativ gering ist und dass die Positionier-Vorrichtung einen kleineren Positionier-Bereich abdecken kann. Nachteilig ist, dass zusätzlich zur seitlichen Positionierung auch eine Neigungs-Einstellung bzw. eine Winkel-Ausrichtung des Reflektor-Elements erforderlich ist.
Es ist auch eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der die Positionierung des Reflektor-Elements mittels der Positionier-Vorrichtung 50 näher an der Bearbeitungs-Ebene 17 erfolgt. Die Ausführungsform ist in 8 gezeigt. Da das Reflektor-Element 40 näher am Laserstrahl-Fokus 12 positioniert ist, muss die erste Fläche 41 stärker gekrümmt sein. Das Reflektor-Element 40 kann dann ausreichend groß dimensioniert werden, so dass auf eine Winkel-Ausrichtung verzichtet werden kann. Die Positionier-Vorrichtung muss dann nur dazu ausgebildet sein, das Reflektor-Element 40 in einer Ebene parallel zur Bearbeitungs-Ebene 17 seitlich zu positionieren. Die Positionier-Vorrichtung 50 muss zwar einen größeren Positionierbereich abdecken, kann aber aufgrund der fehlenden Winkel-Ausrichtung wesentlich einfacher gestaltet sein. Der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 des Reflektor-Elements 40 kann damit besonders einfach und exakt auf die Soll-Positionen 55 des Laserstrahl-Fokus 12 eingestellt werden.
In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Positionier-Vorrichtung 50 zur Positionierung des Reflektor-Elements 40 in drei Raumrichtungen ausgebildet. In einem zugehörigen Verfahren wird bei einem feststehenden, fokussierten Laserstrahl 11 das Reflektor-Element 40 mittels der Positionier-Vorrichtung 50 in den drei Raumrichtungen verschoben und so positioniert, dass das der ausgekoppelte, fokussierte Strahl-Anteil (also das Bild 15 des Laserstrahl-Fokus) mittig auf dem ortsauflösenden Sensor 34 liegt, und so, dass der Durchmesser des ausgekoppelten, fokussierten Strahl-Anteils auf dem ortsauflösenden Sensor minimal ist. Dann ist die erste Fläche 41 des Reflektor-Elements exakt konzentrisch zur Wellenfront 16 des fokussierten Laserstrahls 11 und somit liegt der Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche 41 in der Position des Laserstrahl-Fokus 12. Aus den Positions- und/oder Ansteuer-Daten der Positionier-Vorrichtung 50 kann dann die exakte Position des Laserstrahl-Fokus 12 ermittelt werden.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung wird eine Möglichkeit zur Vermessung des Laserstrahls an vielen Positionen in der Bearbeitungs-Ebene 17 zur Verfügung gestellt, ohne dass dafür eine Verstellung der Position des Reflektor-Elements 40 mittels einer Positionier-Vorrichtung erforderlich ist. In dieser Ausführungsform ist eine Trägerplatte 60 in eine Ebene parallel zum Bearbeitungs-Bereich 17 einbringbar. Die Position der Trägerplatte 60 kann reproduzierbar sein, beispielsweise mittels Passstiften an der Trägerplatte 60, die in entsprechende Aufnahmen im Bearbeitungs-Bereich 17 eingreifen. Auf der Trägerplatte 60 sind das Reflektor-Element 40 und weitere Reflektor-Elemente 44 an verschiedenen Positionen angeordnet. An allen Positionen des Laserstrahl-Fokus 12, die durch die Symmetrie-Achsen 42 des Reflektor-Elements 40 und der weiteren Reflektor-Element 44 definiert sind, kann der Laserstrahl vermessen werden. Als Reflektor-Elemente 40, 44 können beispielsweise Plankonkav-Linsen verwendet werden, die in Form einer Matrix auf einer transparenten Glasplatte als Trägerplatte 60 angeordnet sind.
Zum Auffangen der Laserleistung während der Vermessung des Laserstrahls kann unterhalb des Reflektor-Elements 40 oder unterhalb der Trägerplatte 60 ein Absorber angeordnet sein. Um die Leistungsdichte des Strahls auf dem Absorber zu verringern, ist es vorgesehen, die Unterseite des Reflektor-Elements 40 oder der Trägerplatte 60 mit einer streuenden Struktur zu versehen.
Es ist weiterhin vorgesehen, dass der ortsauflösende Sensor 34 während der normalen Laserbearbeitung, also ohne im fokussierten Laserstrahl 11 positioniertes Reflektor-Element 40, die vom Bearbeitungs-Prozess zurückgestreute Strahlung empfängt und das Bild dieser Streustrahlung permanent ausgewertet wird. Da die Rückstreuung Prozessdynamischen Schwankungen unterworfen sein kann und in beliebige Richtungen erfolgen kann, werden die daraus gewonnenen Informationen über den Durchmesser des Laserstrahl-Fokus 12 im allgemeinen weniger genau sein. Jedoch können deutliche Abweichungen von einem Sollwert auf diese Weise erfasst werden und bei Auftreten solcher Abweichungen kann ein Signal gesetzt werden, woraufhin eine genaue Überprüfung des oder der Laserstrahl-Parameter mittels der Positionierung des Reflektor-Elements 40 oder der Trägerplatte 60 im fokussierten Laserstrahl bei nächstmöglicher Gelegenheit im Prozess-Ablauf veranlasst wird.
Bezugszeichenliste

10: Laserstrahl
11: Fokussierter Laserstrahl
12: Laserstrahl-Fokus
13: Rückreflektierter Teilstrahl
14: Ausgekoppelter Teilstrahl
15: Bild des Laserstrahl-Fokus
16: Wellenfront des fokussierten Laserstrahls
17: Bearbeitungs-Bereich
18: Wellenfront des Laserstrahls
20: Optisches System
21: Schutzglas
22: Optische Achse des optischen Systems
24: Scanner-Spiegel
28: Opto-mechanische Schnittstelle
30: Einrichtung zur Auskopplung von Strahlung
31: Strahldiagnose-Einrichtung
32: Einrichtung zur Fokussierung
33: Einrichtung zur Bild-Abstands-Verstellung
34: Ortsauflösender Sensor
35: Abstand zwischen Bild des Laserstrahl-Fokus und ortsauflösendem Sensor
38: Linsen-Element mit verstellbarer Brennweite
40: Reflektor-Element
41: Erste Fläche des Reflektor-Elements
42: Symmetrie-Achse des Reflektor-Elements
43: Krümmungsradius
44: weitere Reflektor-Elemente
50: Positionier-Vorrichtung
52: Halterung
55: Soll-Position des Laserstrahl-Fokus
60: Trägerplatte

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls, umfassend ein optisches System (20), welches zur Fokussierung eines Laserstrahls (10) in einen Bearbeitungs-Bereich (17) ausgebildet ist, eine Einrichtung (30) zur Auskopplung von Strahlung, die in einer dem Laserstrahl (10) entgegengesetzten Richtung durch das optische System (20) läuft, eine Strahldiagnose-Einrichtung (31), und ein Reflektor-Element (40) mit einer ersten Fläche (41), wobei das Reflektor-Element (40) in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System (20) und dem Bearbeitungs-Bereich (17) positionierbar ist, wobei die erste Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) teilreflektierend ist, wobei die erste Fläche (41) gekrümmt ist und wobei die Krümmung der ersten Fläche (41) gleich einer mittleren Krümmung einer Wellenfront (16) des vom optischen System (20) fokussierten Laserstrahls (11) im Positionier-Bereich des Reflektor-Elements (40) ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die erste Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) konzentrisch zur Wellenfront (16) des fokussierten Laserstrahls (11) eingestellt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei ein Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) auf eine Soll-Position (55) des Laserstrahl-Fokus (12) des fokussierten Laserstrahls (11) eingestellt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend eine Positionier-Vorrichtung (50), wobei das Reflektor-Element (40) mit der Positionier-Vorrichtung (50) gekoppelt ist, und wobei die Positionier-Vorrichtung (50) ausgebildet ist, das Reflektor-Element (40) an verschiedenen Positionen im Positionier-Bereich zwischen dem optischen System (20) und dem Bearbeitungs-Bereich (17) zu positionieren.
Vorrichtung nach Anspruch 4, wobei die Positionier-Vorrichtung (50) ausgebildet ist, das Reflektor-Element (40) in verschiedenen Abständen zur optischen Achse (22) des optischen Systems (20) zu positionieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 oder 5, wobei die Positionier-Vorrichtung (50) ausgebildet ist, das Reflektor-Element (40) in verschiedenen Winkeln zur optischen Achse (22) des optischen Systems (20) auszurichten und zu positionieren.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Vorrichtung zusätzlich zu dem Reflektor-Element (40) weitere Reflektor-Elemente (44) mit jeweils einer ersten Fläche (41) umfasst, wobei die erste Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) und die ersten Flächen (41) der weiteren Reflektor-Elemente (44) die gleiche Krümmung aufweisen, und wobei das Reflektor-Element (40) und die weiteren Reflektor-Elemente (44) an verschiedenen Positionen in einem flächigen Bereich parallel zum Bearbeitungs-Bereich (17) zwischen dem optischen System (20) und dem Bearbeitungs-Bereich (17) angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das optische System (20) zur Fokussierung des Laserstrahls (10) Bestandteil einer Scanner-Optik in einer Remote-Laser-Materialbearbeitungsanlage ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Strahldiagnose-Einrichtung (31) eine Einrichtung (32) zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung (14) und einen ortsauflösenden Sensor (34) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei die Einrichtung (32) zur Fokussierung ein Linsen-Array umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, wobei die Strahldiagnose-Einrichtung (31) weiterhin eine Einrichtung (33) zur Bild-Abstands-Verstellung umfasst, und wobei die Einrichtung (33) zur Bild-Abstands-Verstellung ausgebildet ist, einen axialen Abstand (35) zwischen dem ortsauflösenden Sensor (34) und einer Position eines Bildes (15) des Laserstrahl-Fokus zu ändern.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung (33) zur Bild-Abstands-Verstellung eine Einrichtung zur axialen Verschiebung der Einrichtung (32) zur Fokussierung der ausgekoppelten Strahlung (14) umfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung (33) zur Bild-Abstands-Verstellung ein Linsen-Element (38) mit einstellbarer Brennweite umfasst.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei die Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls die Bestimmung wenigstens einer der folgenden Größen umfasst: Durchmesser eines Laserstrahls, Fokusdurchmesser eines Laserstrahls, seitliche Position eines Laserstrahls in einem Bearbeitungs-Bereich, axiale Fokus-Position, Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, Strahlprofil eines Laserstrahls, Wellenfront eines Laserstrahls, Bahngeschwindigkeit eines Laserstrahls, Naht-Energie einer Bearbeitungsspur.
Verfahren zur Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls, umfassend die Verfahrensschritte: – Fokussieren eines Laserstrahls (10) mittels eines optischen Systems (20) in einen Bearbeitungs-Bereich (17), – Positionieren eines Reflektor-Elements (40) mit einer ersten Fläche (41) in einem Positionier-Bereich zwischen dem optischen System (20) und dem Bearbeitungs-Bereich (17), – Rückreflektieren eines Anteils des fokussierten Laserstrahls (11) an der ersten Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) in Richtung des optischen Systems (20), – Auskoppeln eines Anteils des rückreflektierten Strahl-Anteils (13), – Bestimmen mindestens eines geometrischen Parameters aus dem ausgekoppelten Strahl-Anteil (14) mittels einer Strahldiagnose-Einrichtung (31), wobei die erste Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) gekrümmt ist und wobei das Reflektor-Element (40) in einem Positionier-Bereich positioniert wird, in welchem eine mittlere Krümmung der Wellenfront (16) des vom optischen System (20) fokussierten Laserstrahls (11) gleich der Krümmung der ersten Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) ist.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei die erste Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) konzentrisch zur Wellenfront (16) des fokussierten Laserstrahls (11) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei ein Krümmungsmittelpunkt der ersten Fläche (41) des Reflektor-Elements (40) auf eine Soll-Position (55) des Laserstrahl-Fokus (12) des fokussierten Laserstrahls (11) eingestellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Bestimmen mindestens eines geometrischen Parameters aus dem ausgekoppelten Strahl-Anteil (14) mittels der Strahldiagnose-Einrichtung (31) die Verfahrensschritte umfasst: – Fokussieren mindestens eines Teilbereichs des ausgekoppelten Strahl-Anteils (14) auf einen ortsauflösenden Sensor (34), – Aufzeichnen der vom ortsauflösenden Sensor (34) gelieferten Intensitäts-Daten, – Bestimmen mindestens eines geometrischen Parameters aus den aufgezeichneten Intensitäts-Daten des ortsauflösenden Sensors (34).
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 18, wobei ein axialer Abstand (35) zwischen dem ortsauflösenden Sensor (34) und einer Position eines Bildes (15) des Laserstrahl-Fokus variiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, wobei die Bestimmung geometrischer Parameter eines Laserstrahls das Bestimmen wenigstens einer der folgenden Größen umfasst: Durchmesser eines Laserstrahls, Fokusdurchmesser eines Laserstrahls, seitliche Position eines Laserstrahls in einem Bearbeitungs-Bereich, axiale Fokus-Position, Intensitätsverteilung eines Laserstrahls, Strahlprofil eines Laserstrahls, Wellenfront eines Laserstrahls, Bahngeschwindigkeit eines Laserstrahls, Naht-Energie einer Bearbeitungsspur.