DE102015004163B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls Download PDF

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Abstract

Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls, umfassend – eine Einrichtung (70) zur Aussendung eines Laserstrahls (10, 11) in einen Wirk-Bereich (17), – eine Detektor-Anordnung (20), die im Wirk-Bereich (17) positionierbar ist, – eine Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl (10, 11) und der Detektor-Anordnung (20), und – eine Einrichtung (50) zur Registrierung und Auswertung eines zeitlich veränderlichen Signals von der Detektor-Anordnung (20), wobei die Detektor-Anordnung (20) umfasst: – mindestens einen Lichtleiter (33) mit einer Lichtaustrittsfläche (39) und einem lichtleitenden Bereich (36), wobei der lichtleitende Bereich (36) eine längliche Form aufweist, – mindestens zwei lichtstreuende Strukturen (30), wobei eine erste lichtstreuende Struktur (31) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer ersten Richtung ausgedehnt ist und eine zweite lichtstreuende Struktur (32) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer zweiten Richtung ausgedehnt ist und wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, und – mindestens einen lichtempfindlichen Sensor (40), der für den Empfang von Strahlung angeordnet ist, die von der Lichtaustrittsfläche (39) des Lichtleiters (33) abgegeben wird, und wobei die mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) Streustrahlung aus einem Teil des auf die lichtstreuenden Strukturen (30) auftreffenden Laserstrahls (10, 11) in einen Winkelbereich bereitstellen, der zum Transport von gestreuter Laserstrahlung (18) im lichtleitenden Bereich (36) des Lichtleiters (33) zur Lichtaustrittsfläche (39) geeignet ist.

Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls. Die Eigenschaften des Laserstrahls werden durch Abtastung des Laserstrahls bestimmt. Ein typisches Einsatzgebiet ist die Strahldiagnose oder die Überprüfung von Eigenschaften eines Laserstrahls an Systemen zur Laser-Materialbearbeitung. Die Vorrichtung und das Verfahren sind geeignet zur Bestimmung von geometrischen Parameter eines Laserstrahls, wie beispielsweise des Strahl-Durchmessers oder des Fokus-Durchmessers. Die Bestimmung eines Strahlprofils des Laserstrahls ist ebenfalls vorgesehen. Die Vorrichtung und das Verfahren sind auch geeignet zur Bestimmung einer Position des Laserstrahls. 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
  • Die Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls ist in vielen technischen Bereichen von Interesse. Ein typisches Gebiet ist die Messung und Prüfung von Strahleigenschaften in Anlagen zur Laser-Materialbearbeitung zur Sicherstellung einer gleichbleibend hohen Bearbeitungs-Qualität.
  • 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 Eigenschaften 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, bei denen im Fokus des Laserstrahls extrem hohe Leistungsdichten auftreten können.
  • Zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften eines Laserstrahls sind viele verschiedene Verfahren und dafür geeignete Vorrichtungen bekannt. Eine erste grobe Einteilung der Verfahren kann danach erfolgen, ob zur Messung ein örtlich auflösender (z. B. Pixel-basierter) Sensor verwendet wird, oder ob der Strahl in einem Verfahren mit raster-ähnlicher Bewegung zeitlich-räumlich abgetastet wird. Dagegen sind Vorrichtungen mit Detektionseinrichtungen für Laserstrahlung, wie beispielsweise aus der DE 10 2008 024 068 B3 bekannt, die keine Mittel zur Erzielung einer örtlichen Auflösung aufweisen, nicht zur Bestimmung eines geometrischen Strahl-Parameters geeignet. Die DE 10 2008 024 068 B3 offenbart eine Laserschutzeinrichtung mit einem Laserschutzfenster und einer Detektoreinheit. Ein lichtempfindlicher Sensor der Detektoreinheit ist an einer Fensterstirnseite des Laserschutzfensters angeordnet und ist dazu ausgelegt, eine Sekundärstrahlung zu erfassen, die von einem auf das Laserschutzfenster auftreffenden Laserstrahl hervorgerufen wird und sich innerhalb des Laserschutzfensters ausbreitet.
  • Bei der ersten Gruppe von Verfahren unter Verwendung eines örtlich auflösenden Sensors ist immer das Problem vorhanden, dass übliche Pixel-basierte Sensoren keine hohen Leistungsdichten vertragen und daher immer eine Strahlteilung (bzw. Auskopplung oder Sampling), eine Abschwächung und/oder eine Abbildung des Strahls erforderlich ist, wenn ein Strahl mit hoher Leistungsdichte gemessen werden soll. Durch die Strahlteilung, Abschwächung oder Abbildung wird der Strahl jedoch immer auch in seinen Eigenschaften beeinflusst. Beispielsweise können optische Elemente wie Linsen, Strahlteiler und Abschwächer durch eine auch nur geringe Absorption der Laserstrahlung bereits thermisch induzierte Veränderungen der Abbildung verursachen. Es ist daher kaum sicherzustellen, dass die gemessenen Größen in einem eindeutigen und bekannten Zusammenhang zu den gesuchten Größen direkt im Strahl stehen. Stellvertretend für diese Problematik wird auf die Veröffentlichung DE 10 2012 106 779 A1 verwiesen. Dort wird eine Optik zur Vermessung von Laserstrahlung offenbart. Bei der offenbarten Vorrichtung kann nur in einem komplexen Zusammenspiel von diversen Strahlteilern und abbildenden Elementen aus unterschiedlichen Materialien erreicht werden, dass die gemessenen Größen näherungsweise in einem eindeutigen und bekannten Zusammenhang zu den gesuchten Größen direkt im Strahl stehen. Ferner ist die offenbarte Vorrichtung nur zur Vermessung ortsfester Laserstrahlen geeignet.
  • Weitere Vorrichtungen zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls, bei denen zur Messung ein örtlich auflösender Sensor eingesetzt wird, werden im folgenden nur der Vollständigkeit halber kurz erwähnt.
  • Die Veröffentlichungen JP H01 107 990 A und JP 2008 264 789 A 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 ein Strahlprofil im Fokus des Laserstrahls zu messen.
  • Bei den in der DE 10 2007 053 632 A1 und der DE 10 2011 054 941 B3 gezeigten Vorrichtungen wird ein Bruchteil des zu vermessenden Laserstrahls reflektiert und in das optische System, das den Laserstrahl aussendet, zurückgeworfen. Dabei wird der zurückreflektierte Strahl innerhalb des optischen Systems ausgekoppelt und von einem ortsauflösenden Sensor ausgewertet. 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. Nachteilig bei diesen Vorrichtungen ist, dass die Rück-Abbildung durch das Fokussier-Objektiv mit teilweise erheblichen Abbildungsfehlern belastet ist, da der rückreflektierte Strahl 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. Die aus dem Stand der Technik bekannten Systeme dieser Art sind daher nicht geeignet für eine präzise Strahlvermessung.
  • Die zweite Gruppe von Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls ist gekennzeichnet durch eine räumlich-zeitliche Abtastung des Strahls in einer raster-ähnlichen Bewegung. Diese Gruppe kann in zwei Untergruppen danach eingeteilt werden, ob der Strahl quasi-punktförmig abgetastet wird, oder ob durch die Art der Abtastung ein Signal generiert wird, welches bereits in einer Raumrichtung integrierte Informationen beinhaltet. Zur letzten Untergruppe gehören Vorrichtungen mit Abtastung durch Spalt- oder Schlitzblenden und Schneiden.
  • Vorrichtungen mit quasi-punktförmig abtastenden Systemen, beispielsweise mittels einer Messblende oder einer Messnadel, deren Öffnung klein gegenüber dem Strahldurchmesser ist, sind beispielsweise aus der DE 199 09 595 A1 und der EP 0 461 730 A1 bekannt. Dabei wird der Detektor typischerweise in einer zeilenweise abtastenden Bewegung durch den Querschnitt des Strahls geführt. Dabei muss der Strahl in vielen Durchgängen mit zueinander geringfügig versetzten Zeilen abgetastet werden.
  • Bei Vorrichtungen zur Strahldiagnose in Remote-Laserbearbeitungsanlagen besteht die Besonderheit, dass der Laserstrahl mittels einer Scanvorrichtung in typischerweise 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 geführt wird.
  • Nach dem letztgenannten Prinzip funktioniert beispielsweise das in der DE 10 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. Ein 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 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 Veröffentlichung KR 10 2013 0 121 413 A zeigt ebenfalls ein Kalibrations-System für einen Laserstrahl-Scanner. Dabei wird eine Kalibrations-Platte eingesetzt, in welcher Licht-streuende Bereiche in mehreren Punkten ausgebildet sind. Das von den Lichtstreuenden Bereichen der Kalibrations-Platte reflektierte Licht wird von einem Licht-Sensor-Part empfangen, welcher an der Kalibrations-Platte angrenzend angeordnet ist. Die gezeigte Vorrichtung ist damit nicht geeignet zur Bestimmung eines Strahldurchmessers oder eines Strahlprofils des Laserstrahls. Weiterhin kann mit der gezeigten Vorrichtung auch nicht exakt diskrimiert werden, welcher der Licht-streuenden Punkte vom Laserstrahl getroffen wird.
  • Die Genauigkeit der quasi-punktförmig abtastenden Verfahren ist prinzipiell begrenzt, unter anderem durch die Größe der Messblende, die Genauigkeit der Führungsbewegung, der Synchronisation der einzelnen Zeilen, und nicht zuletzt durch die Reproduzierbarkeit bzw. die zeitliche Konstanz des Laserstrahls. Ein bewegter Laserstrahl kann mittels Verfahren dieser Art daher nicht oder nur unter sehr speziellen Umständen vermessen werden. Zudem sind die Messblenden oder Messnadeln der bekannten Vorrichtungen auch nur für gewisse maximale Leistungsdichten geeignet und können bei hochbrillanter, fokussierter Laserstrahlung zerstört werden.
  • Eine Abtastung kann auch mit einem linienförmigen Abtaster erfolgen, beispielsweise mit einem Spalt, einer Schneide 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. Die Veröffentlichungen US 5 078 491 A und JP S62 24 117 A offenbaren beispielhaft Vorrichtungen mit linienförmig abtastenden Systemen. Jedoch ist auch bei diesen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen nachteilig, dass die Messblenden oder Schneiden und ebenso die dahinterliegenden Detektoren nur für gewisse maximale Leistungsdichten geeignet sind und bei hochbrillanter, fokussierter Laserstrahlung zerstört werden können, und auch die Vermessung bewegter Laserstrahlen ist nicht sinnvoll möglich.
  • Die Veröffentlichung WO 98/50 196 A1 offenbart eine Einrichtung zum Detektieren und Berechnen einer Fokus-Punkt-Position, einer Gestalt und einer Leistungsverteilung eines Laserstrahls nach einem Fokussier-Objektiv. Die beschriebene Einrichtung umfasst unter anderem einen Licht-beeinflussenden Körper und einen Licht-Sensor. Der Laserstrahl und der Licht-beeinflussende Körper sind relativ zueinander bewegbar, um eine Verfolgungs-Bewegung durch den Laserstrahl durchzuführen. Die Licht-beeinflussenden Körper werden als optische Fasern beschrieben; als Alternativen werden reflektierende, z. B. Silber-haltige Körper, oder absorbierende Körper beschrieben. Somit sind auch hier die gezeigten Ausführungsformen einerseits nicht für Laserstrahlung höchster Leistung und Brillanz geeignet, und andererseits ist die beschriebene Vorrichtung nicht zur Erzielung hoher örtlicher Auflösung geeignet, da die Offenbarung keinen Aufschluss gibt über eine exakt definierte Wechselwirkungs-Geometrie an oder in den Licht-beeinflussenden Körpern.
  • Aus der Veröffentlichung JP 2000 310 559 A ist eine Vorrichtung bekannt, bei der ein Strahl, der von einem Polygon-Scanner abgelenkt wird, über optische Gitter mit unterschiedlichen Orientierungen geführt wird. Das Licht, welches das Gitter passiert, wird mit einem photoelektrischen Konverter-Element aufgefangen und das erhaltene Signal ist ein oszillierendes Signal, aus dessen Amplitude ein Strahldurchmesser bestimmt werden kann. Das gezeigte Verfahren ist somit nicht geeignet zur Bestimmung einer Strahlposition und eines Strahlprofils. Auch ist die Verwendung mit Laserstrahlung hoher Leistung begrenzt durch die Leistungsverträglichkeit der eingesetzten Gitter und des photoelektrischen Konverter-Elements.
  • Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen mit Linien- oder Schneiden-Abtastung weisen demnach ebenfalls die bereits bekannten Nachteile auf: Die Leistungsverträglichkeit ist begrenzt; die eingesetzten Schneiden, Schlitzblenden oder sonstigen linienförmig detektierenden Elemente können durch einen fokussierten, hochbrillanten Laserstrahl hoher Leistung zerstört werden. Bei der Mehrzahl der bekannten Verfahren können zudem nur Strahl-Abmessungen in der Abtast-Richtung ermittelt werden. Im allgemeinen ist die erreichbare örtliche Auflösung begrenzt, insbesondere bei Abtast-Systemen, die für höhere Leistung geeignet sein sollen. Bei vielen Verfahren ist eine Ermittlung eines Strahlprofils nicht oder nur mit geringer Auflösung möglich. Die Bestimmung einer seitlichen Position des Laserstrahls in einem Arbeitsfeld ist ebenfalls meist nicht möglich. Weiterhin ist die Vermessung eines bewegten Laserstrahls nicht oder nur in speziellen Fällen mit vorgegebener Strahlsteuerung möglich.
  • 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, und schließlich auch im Hinblick auf die Vermessung von Laserstrahlung in ausgedehnten Arbeitsbereichen oder bei bewegten Laserstrahlen.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls zu schaffen, die für die Vermessung von Laserstrahlung mit höchster Leistung und Brillanz geeignet sind und eine genaue Bestimmung mindestens eines geometrischen Strahl-Parameters wie beispielsweise eines Strahl-Durchmessers oder eines Strahl-Profils ermöglichen, und welche auch in einem ausgedehnten Arbeitsbereich des Laserstrahls oder mit bewegten Laserstrahlen verwendet werden können.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls vorgeschlagen, welche eine Einrichtung zur Aussendung eines Laserstrahls in einen Wirk-Bereich, eine Detektor-Anordnung, die im Wirk-Bereich positionierbar ist, eine Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Detektor-Anordnung, und eine Einrichtung zur Registrierung und Auswertung eines zeitlich veränderlichen Signals von der Detektor-Anordnung umfasst. Dabei beinhaltet die Detektor-Anordnung mindestens einen Lichtleiter, mindestens zwei lichtstreuende Strukturen, und mindestens einen lichtempfindlichen Sensor. Der mindestens eine Lichtleiter hat eine Lichtaustrittsfläche und einen lichtleitenden Bereich, wobei der lichtleitende Bereich eine längliche Form aufweist. Die mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen umfassen eine erste lichtstreuende Struktur und eine zweite lichtstreuende Struktur. Dabei ist die erste lichtstreuende Struktur im wesentlichen längs einer ersten Richtung ausgedehnt, und ist die zweite lichtstreuende Struktur im wesentlichen längs einer zweiten Richtung ausgedehnt. Die erste Richtung und die zweite Richtung schließen einen von Null verschiedenen Winkel ein. Der mindestens eine lichtempfindliche Sensor ist zum Empfang von Strahlung ausgebildet, die von der Lichtaustrittsfläche des Lichtleiters abgegeben wird. Weiterhin sind die mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen ausgebildet, einen Teil des auf die lichtstreuenden Strukturen auftreffenden Laserstrahls in einen Winkelbereich zu streuen, der zum Transport von gestreuter Laserstrahlung im lichtleitenden Bereich des Lichtleiters zur Lichtaustrittsfläche geeignet ist.
  • Es ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung ausgebildet ist, einen Querschnitt des Laserstrahls mittels der Detektor-Anordnung abzutasten.
  • Die Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung kann auch ausgebildet sein, einen Querschnitt des Laserstrahls mittels der Detektor-Anordnung in zwei unterschiedlichen Richtungen abzutasten.
  • In einer Ausführungsform der Erfindung kann die Relativbewegung im wesentlichen eine Kreisbewegung oder eine elliptische Bewegung sein.
  • Die Relativbewegung kann auch im wesentlichen eine Rotationsbewegung sein.
  • Es ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Relativbewegung eine erste und eine zweite Komponente umfasst und die erste Komponente eine zumindest teilweise periodische schnelle Bewegung ist und die andere Komponente eine langsame Bewegung in einer von der Bewegungsrichtung der ersten Komponente linear unabhängigen Richtung ist.
  • In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung sind sowohl die in der ersten Richtung ausgedehnte erste lichtleitende Struktur als auch die in der zweiten Richtung ausgedehnte zweite lichtleitende Struktur Bestandteile des mindestens einen Lichtleiters.
  • In einer weiteren Ausführungsform umfasst die Detektor-Anordnung mindestens zwei Lichtleiter. Dabei ist die in der ersten Richtung ausgedehnte erste lichtleitende Struktur Bestandteil eines ersten der mindestens zwei Lichtleiter und die in der zweiten Richtung ausgedehnte zweite lichtleitende Struktur ist Bestandteil eines zweiten der mindestens zwei Lichtleiter.
  • Der mindestens eine Lichtleiter kann aus einem transparenten optischen Material mit sehr geringer Absorption bestehen.
  • Es ist in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass das transparente optische Material des Lichtleiters eine für die Wellenlänge der Laserstrahlung spezifische Absorption von weniger als 300 ppm/cm aufweist.
  • In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung eine Einrichtung zur Bewegung der Detektor-Anordnung beinhalten.
  • Die Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung kann auch eine Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls beinhalten.
  • Es ist in einer weiteren Ausführungsform vorgesehen, dass die Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls eine Scanner-Optik umfasst.
  • Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls vorgeschlagen, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst. Ein Laserstrahl wird in einen Wirk-Bereich ausgesendet. Eine Detektor-Anordnung wird im Wirk-Bereich positioniert. Dabei beinhaltet die Detektor-Anordnung mindestens einen Lichtleiter, mindestens einen lichtempfindlichen Sensor und mindestens zwei lichtstreuende Strukturen, und eine erste lichtstreuende Struktur der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen ist im wesentlichen längs einer ersten Richtung ausgedehnt und eine zweite lichtstreuende Struktur der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen ist im wesentlichen längs einer zweiten Richtung ausgedehnt. Die erste Richtung und die zweite Richtung schließen einen von Null verschiedenen Winkel ein. Es wird eine Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl und der Detektor-Anordnung bereitgestellt. Streustrahlung wird mittels der lichtstreuenden Strukturen aus einem Teil des Laserstrahls erzeugt. Ein Teil der Streustrahlung wird in einem lichtleitenden Bereich des mindestens einen Lichtleiters zu einer Lichtaustrittsfläche des mindestens einen Lichtleiters transportiert. Strahlung, die von der Lichtaustrittsfläche abgegeben wird, wird mittels eines lichtempfindlichen Sensors empfangen, und aus der empfangenen Strahlung wird ein zeitlich veränderliches Signal erzeugt. Schließlich wird das zeitlich veränderliche Signal registriert und ausgewertet.
  • In einer Ausführungsform des Verfahrens ist weiterhin ein Abtasten eines Querschnitts des Laserstrahls mittels der Detektor-Anordnung vorgesehen.
  • Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung auch vorgesehen, dass ein Querschnitt des Laserstrahls mittels der Detektor-Anordnung in zwei unterschiedlichen Richtungen abgetastet wird.
  • Der Laserstrahl kann relativ zur Detektor-Anordnung in einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Bahn bewegt werden.
  • In einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann die Detektor-Anordnung relativ zum Laserstrahl rotierend bewegt werden.
  • Es ist in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass der Laserstrahl relativ zur Detektor-Anordnung in einer Bewegung mit einer ersten Komponente und mit einer zweiten Komponente bewegt wird. Dabei ist die erste Komponente eine zumindest teilweise periodische schnelle Bewegung und die zweite Komponente ist eine langsame Bewegung in einer von der Bewegungsrichtung der ersten Komponente linear unabhängigen Richtung.
  • 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 der Erfindung in einer grundlegenden Ausführungsform.
  • 2: Eine erste mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Lichtleiter und zwei lichtstreuenden Strukturen.
  • 3: Eine zweite mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung mit einem Lichtleiter und zwei lichtstreuenden Strukturen.
  • 4: Eine dritte mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Lichtleitern, die jeweils eine lichtstreuende Struktur beinhalten.
  • 5: Eine vierte mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung mit zwei Lichtleitern, die jeweils eine lichtstreuende Struktur beinhalten.
  • 6: Eine weitere mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit drei Lichtleitern, die jeweils eine lichtstreuende Struktur beinhalten und bei der einer der Lichtleiter in einer anderen Ebene angeordnet ist.
  • 7: Eine weitere mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit zwei Lichtleitern in gekreuzter Anordnung.
  • 8: Noch eine weitere mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit vier Lichtleitern in gekreuzter Anordnung.
  • 9: Ein Lichtleiter mit mehreren lichtstreuenden Strukturen, die in unterschiedlichen Ebenen angeordnet sind, als Teil der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 10: Eine weitere Ausführungsform eines Lichtleiters mit mehreren lichtstreuenden Strukturen als Teil der Detektor-Anordnung der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
  • 11: Eine schematische perspektivische Darstellung der Streuung eines Teils des Laserstrahls durch die lichtstreuende Struktur und des Transports der Streustrahlung im lichtleitenden Bereich des Lichtleiters zum lichtempfindlichen Sensor.
  • 12: Eine schematische Querschnitts-Darstellung der Streuung eines Teils des Laserstrahls durch die lichtstreuende Struktur, des Transports der Streustrahlung im lichtleitenden Bereich des Lichtleiters zum lichtempfindlichen Sensor, und einer Abdeckung des lichtempfindlichen Sensors. Die lichtstreuende Struktur ist in diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte des Lichtleiters angeordnet.
  • 13: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform mit einer Scanner-Optik, bei welcher der Laserstrahl mittels Scanner-Spiegel in einem Wirk-Bereich positioniert und entlang einer Bahnkurve geführt werden kann.
  • 14: Eine schematische Darstellung der Erfindung in einer Ausführungsform, bei welcher die Detektor-Anordnung in einer Rotations-Bewegung gegenüber dem Laserstrahl bewegt werden kann.
  • 15: Eine Darstellung des zeitlichen Signal-Verlaufs bei der Führung eines Laserstrahls über die lichtstreuenden Strukturen, die in diesem Beispiel schmal sind im Verhältnis zum Querschnitt des Laserstrahls.
  • 16: Eine Darstellung des zeitlichen Signal-Verlaufs bei der Führung eines Laserstrahls über die lichtstreuenden Strukturen, wobei in diesem Beispiel eine der Strukturen breit und eine andere der Strukturen schmal ist im Verhältnis zum Querschnitt des Laserstrahls.
  • 17: Ein Beispiel, wie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Strahl-Abmessungen und/oder die Strahlprofile eines Laserstrahls in zwei Raumrichtungen mit nur einer einzelnen Abtast-Bewegung bestimmt werden können.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
  • 1 zeigt eine schematische Darstellung der Erfindung in einer grundlegenden Ausführungsform. Ein Laserstrahl 10 wird von einer Einrichtung 70 zur Aussendung eines Laserstrahls in einen Wirk-Bereich 17 abgestrahlt. In der gezeigten Ausführungsform beinhaltet die Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls ein optisches System 72 mit einer optischen Achse 74. Der Laserstrahl 10 wird vom optischen System 72 abgebildet, so dass der von der Einrichtung 70 ausgesandte Strahl einen fokussierten Laserstrahl 11 bildet, der im Wirk-Bereich 17 einen Laserstrahl-Fokus 12 ausbildet. Im Wirk-Bereich 17 ist eine Detektor-Anordnung 20 positioniert, die einen Lichtleiter 33 mit einem lichtleitenden Bereich 36 und mit einer Lichtaustrittsfläche 39, einen lichtempfindlichen Sensor 40 und zwei lichtstreuende Strukturen 30 beinhaltet. Das vom lichtempfindlichen Sensor 40 erzeugte Signal wird von einer Einrichtung 50 zur Signal-Registrierung empfangen. Die Vorrichtung beinhaltet ferner eine Einrichtung 80 zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10 oder 11 und der Detektor-Anordnung 20. Die Relativbewegung wird in der in 1 gezeigten Ausführungsform angedeutet durch eine Bewegungsrichtung 85 des Laserstrahls.
  • In 2 ist eine erste mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Lichtleiter 33 und zwei lichtstreuenden Strukturen 31, 32 dargestellt. In dieser Ausführungsform beinhaltet die Detektor-Anordnung 20 einen Lichtleiter 33 und einen lichtempfindlichen Sensor 40. Der Lichtleiter kann beispielsweise eine längliche, quaderförmige Gestalt haben. Eine der Außenflächen des Lichtleiters 33 ist als Lichtaustrittsfläche 39 ausgebildet. Eine der Lichtaustrittsfläche 39 gegenüberliegende Außenfläche des Lichtleiters 33 bildet eine Endfläche 38. Die Lichtaustrittsfläche 39 und die Endfläche 38 begrenzen vorzugsweise die längste Ausdehnung des Lichtleiters 33. Das zwischen der Lichtaustrittsfläche 39 und der Endfläche 38 befindliche Volumen des Lichtleiters 33 bildet den lichtleitenden Bereich 36. Im Ausführungsbeispiel nach 2 befinden sich an einer der länglichen Außenflächen des Lichtleiters zwei lichtstreuende Strukturen 30. Davon ist eine die erste lichtstreuende Struktur 31, die im wesentlichen längs einer ersten Richtung ausgedehnt ist, und die andere ist die zweite lichtstreuende Struktur 32, die im wesentlichen längs einer zweiten Richtung ausgedehnt ist. Die erste Richtung und die zweite Richtung schließen einen kleinen Winkel ein. Die lichtstreuenden Strukturen 30 (bzw. 31 und 32) sind beispielsweise als lokale Bereiche, die eine Mikro-Rauigkeit aufweisen, auf der ansonsten polierten Außenfläche des Lichtleiters 33 ausgebildet. Der lichtempfindliche Sensor 40 ist angrenzend an die Lichtaustrittsfläche 39 angeordnet und empfängt die von der Lichtaustrittsfläche 39 abgegebene Strahlung.
  • 3 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einem Lichtleiter 33 und zwei lichtstreuenden Strukturen 31, 32. In dieser Ausführungsform sind die Lichtaustrittsfläche 39 und die Endfläche 38 unterschiedlich groß ausgeführt, so dass zumindest eine der länglichen Außenflächen des Lichtleiters 33 trapez-förmig zuläuft und zwei nicht-parallele Kanten aufweist. Die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 werden in dieser Ausführungsform durch zwei nicht-parallele Kanten des Lichtleiters 33 gebildet. Zur Erzielung einer definierten lichtstreuenden Wirkung können die Kanten beispielsweise mit einer kleinen aufgerauten Fase versehen sein. Die lichtstreuende Wirkung kann aber auch einfach durch die winzigen Inhomogenitäten der Kanten vorgegeben sein, welche die Kanten aufgrund des Polierprozesses der Außenflächen des Lichtleiters 33 herstellungsbedingt aufweisen. Ansonsten ist die Detektor-Anordnung 20 nach 3 ähnlich wie die in 2 gezeigte Detektor-Anordnung ausgeführt.
  • Es ist weiterhin vorgesehen, dass die Detektor-Anordnung 20 mehrere Lichtleiter 33 umfassen kann. Dazu zeigt 4 eine mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 mit zwei Lichtleitern 33. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Lichtleiter 33 als zylindrische Stäbe oder Fasern ausgeführt. Jede der beiden Stäbe beinhaltet eine lichtstreuende Struktur 30. Einer der beiden Lichtleiter 33 beinhaltet die erste lichtstreuende Struktur 31, die im wesentlichen längs einer ersten Richtung ausgedehnt ist, und der andere der beiden Lichtleiter 33 beinhaltet die zweite lichtstreuende Struktur 32, die im wesentlichen längs einer zweiten Richtung ausgedehnt ist. Die beiden Lichtleiter sind nicht parallel angeordnet, sondern schließen einen kleinen Winkel ein. Damit schließen auch die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 einen kleinen Winkel ein. An den Lichtaustrittsflächen 39 beider Lichtleiter 33 ist jeweils ein lichtempfindlicher Sensor 40 angeordnet. Die beiden Lichtleiter 33 können so angeordnet sein, dass die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 sich in der gleichen Ebene befinden.
  • In 5 ist eine weitere mögliche Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit mehreren Lichtleitern 33 dargestellt. Diese Ausführungsform unterscheidet sich von der in 4 gezeigten Ausführungsform durch eine andere Anordnung der Lichtleiter 33. Die beiden Lichtleiter 33 sind hier in T-Form mit einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet. Damit schließen die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 ebenfalls einen Winkel von etwa 90° ein. Die sonstigen Merkmale dieser Ausführungsform sind vergleichbar zu denen der 4 ausgeführt.
  • Die in der 6 gezeigte Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 umfasst die gleichen Elemente wie die in der 5 dargestellte Ausführungsform sowie zusätzlich einen dritten Lichtleiter 33 und einen dritten lichtempfindlichen Sensor 40. Der dritte Lichtleiter 33 weist ebenfalls eine lichtstreuende Struktur 30 auf, ist aber in einer anderen Ebene angeordnet als die beiden Lichtleiter 33 mit der ersten lichtstreuenden Struktur 31 und der zweiten lichtstreuenden Struktur 32. Damit kann der Strahldurchmesser eines Laserstrahls 10, 11 in zwei verschiedenen Querschnitts-Ebenen mit nur einem Abtast-Vorgang ermittelt werden.
  • 7 zeigt eine weitere Ausführungsform der Detektor-Anordnung 20 mit zwei Lichtleitern 33 und zwei lichtempfindlichen Sensoren 40. Die beiden Lichtleiter 33 sind hier übereinander gekreuzt mit einem Winkel von etwa 90° zueinander angeordnet. Einer der beiden Lichtleiter 33 beinhaltet die erste lichtstreuende Struktur 31, und der andere der beiden Lichtleiter 33 beinhaltet die zweite lichtstreuende Struktur 32. Damit schließen die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 einen Winkel von etwa 90° ein. Die erste lichtstreuende Struktur 31 ist an der Unterseite des oben liegenden der beiden Lichtleiter 33 angeordnet, während die zweite lichtstreuende Struktur 32 an der Oberseite des unten liegenden der beiden Lichtleiter 33 angeordnet ist. Auf diese Weise können die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 mit einem sehr geringen Höhenversatz angeordnet werden. Die beiden Lichtleiter 33 sind hier Quader-förmig bzw. als Stäbe mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt. Das hat den Vorteil, dass der Laserstrahl bei Durchstrahlen insbesondere des oberen Lichtleiters 33 nicht in seiner Geometrie verändert wird, bevor er auf eine der lichtstreuenden Strukturen 31, 32 trifft.
  • In 8 ist eine ähnliche Detektor-Anordnung 20 wie in 7 dargestellt. Hierbei umfasst die Detektor-Anordnung 20 vier Lichtleiter 33 und vier lichtempfindliche Sensoren 40. Jeder der vier Lichtleiter 33 weist eine lichtstreuende Struktur 30 auf. Jeweils zwei der vier Lichtleiter 33 sind nebeneinander angeordnet. Zwei nebeneinander angeordnete Lichtleiter 33 sind mit den anderen zwei nebeneinander angeordneten Lichtleitern 33 in übereinander gekreuzter Stellung angeordnet. Die jeweils zwei nebeneinander angeordneten Lichtleiter 33 können parallel zueinander angeordnet sein oder einen kleinen Winkel einschließen.
  • 9 zeigt eine mögliche Ausführungsform eines einzelnen Lichtleiters 33 aus einer Detektor-Anordnung 20 mit mehreren Lichtleitern 33. Der Lichtleiter 33 ist hier als zylindrischer Stab oder als Faser ausgeführt und weist mehrere lichtstreuende Strukturen 30 auf, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. In diesem Beispiel sind drei lichtstreuende Strukturen 30 auf dem Umfang der zylindrischen Außenfläche des Lichtleiters 33 verteilt und liegen dadurch in verschiedenen Ebenen. Eine der lichtstreuenden Strukturen 30 kann die erste lichtstreuende Struktur 31 sein, die dann mit der zweiten lichtstreuenden Struktur 32 eines weiteren, in dieser Figur nicht gezeigten Lichtleiters einen von Null verschiedenen Winkel einschließt. Damit kann der Strahldurchmesser eines Laserstrahls 10, 11 in mehreren verschiedenen Querschnitts-Ebenen mit nur einem Abtast-Vorgang ermittelt werden.
  • In 10 ist eine weitere mögliche Ausführungsform eines einzelnen Lichtleiters 33 aus einer Detektor-Anordnung 20 mit mehreren Lichtleitern 33 dargestellt. Der Lichtleiter 33 ist hier als rechteckiger Stab ausgeführt und weist auf einer Außenfläche des Lichtleiters 33 mehrere lichtstreuende Strukturen 30 auf, die im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Die Außenfläche, auf der sich die lichtstreuenden Strukturen befinden, kann zur Abtast-Ebene, die durch die Relativ-Bewegung zwischen Laserstrahl und Detektor-Anordnung vorgegeben ist, geneigt sein. Damit kann der Strahldurchmesser eines Laserstrahls 10, 11 in mehreren verschiedenen Querschnitts-Ebenen mit nur einem Abtast-Vorgang ermittelt werden.
  • 11 zeigt schematisch die Funktionsweise der Abtastung des Laserstrahls 10, 11 durch die Detektor-Anordnung 20. In 11 ist nur ein Teil der Detektor-Anordnung 20 mit nur einer lichtstreuenden Struktur 30 dargestellt. Der Laserstrahl ist in diesem Beispiel ein fokussierter Laserstrahl 11 mit einer optischen Achse 74, die durch ein optisches System 72 (nicht dargestellt) vorgegeben werden. Der Laserstrahl wird entlang einer Bewegungsrichtung 85 über die Detektor-Anordnung 20 geführt (von der hier nur ein Teil dargestellt ist). Sobald zumindest ein Teil des Laserstrahls 11 auf die lichtstreuende Struktur 30 des Lichtleiters 33 trifft, wird die Strahlung an der lichtstreuenden Struktur 30 gestreut, d. h. es wird eine Streustrahlung 18 erzeugt, die in einen großen Winkelbereich abgestrahlt wird. Dabei gibt es auch einen Anteil an Streustrahlung 18, der in den lichtleitenden Bereich 36 in einen Winkelbereich gestreut wird, bei dem die Strahlung durch Totalreflexion an der Außenfläche bzw. der Grenzfläche des Lichtleiters 33 reflektiert wird und deshalb innerhalb des Lichtleiters 33 transportiert wird, bis die Streustrahlung 18 auf die Lichtaustrittsfläche 39 trifft und dort den Lichtleiter verlassen kann. Zumindest ein Teil der Streustrahlung 18, die von der Lichtaustrittsfläche 39 abgegeben wird, trifft dann auf den lichtempfindlichen Sensor 40. Die Endfläche 38 des Lichtleiters 33 ist in diesem Ausführungsbeispiel mit einer reflektierenden Beschichtung versehen. Daher wird Streustrahlung 18, die im lichtleitenden Bereich 36 in Richtung der Endfläche 38 transportiert wird, an der Endfläche 38 reflektiert, im lichtleitenden Bereich 36 zur Lichtaustrittsfläche 39 transportiert und kann dort den Lichtleiter 33 in Richtung zum lichtempfindlichen Sensor hin verlassen.
  • In 12 ist ebenfalls die Funktionsweise der Abtastung des Laserstrahls 10, 11 durch die Detektor-Anordnung 20 schematisch dargestellt. Die Darstellung zeigt hier den Lichtleiter 33 in einem Querschnitt längs des Lichtleiters. Die lichtstreuende Struktur 30 befindet sich in diesem Ausführungsbeispiel in der Mitte des lichtleitenden Bereichs 36 des Lichtleiters 33. Zusätzlich ist in diesem Ausführungsbeispiel eine Abdeckung 42 dargestellt. Die Abdeckung 42 umschließt den lichtempfindlichen Sensor 40 und die Lichtaustrittsfläche 39 des Lichtleiters 33. Dadurch wird der lichtempfindliche Sensor 40 von Restlicht, dass von außen in die Vorrichtung dringen kann, abgeschirmt, und der lichtempfindliche Sensor 40 kann nur die von der lichtstreuenden Struktur 30 erzeugte Streustrahlung 18 empfangen.
  • 13 zeigt eine mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung. Ein Laserstrahl 10 wird einer Scanner-Optik zugeführt, welche eine Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls und eine Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls beinhaltet. Die Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls ist ausgeführt als Scanner-Spiegel 84. Zur Vereinfachung der Darstellung ist nur ein Scanner-Spiegel 84 dargestellt, es können aber auch zwei Scanner-Spiegel 84 nacheinander angeordnet sein. Mittels der Scanner-Spiegel 84 wird der Laserstrahl 10 um einen verstellbaren Winkel umgelenkt und kann so in einem Wirk-Bereich 17 frei wählbar positioniert und in Bewegungsrichtungen 85 entlang einer Bahnkurve geführt werden. Die Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls umfasst ein optisches System 72 mit einer optischen Achse 74 und ein Schutzglas 73. Das optische System 72 kann hier eine Planfeld-Optik oder ein sogenanntes f-theta-Objektiv sein, und erzeugt einen fokussierten Laserstrahl 11 mit einem Laserstrahl-Fokus 12 im Wirk-Bereich 17. Im Wirk-Bereich 17 ist die Detektor-Anordnung 20 positionierbar. Im gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Detektor-Anordnung 20 insgesamt sechzehn Lichtleiter 33 und lichtempfindliche Sensoren 40, die in Gruppen zu je vier Lichtleiter 33 und lichtempfindliche Sensoren 40 in unterschiedlichen Orientierungen über den Wirk-Bereich 17 verteilt sind. Jeder Lichtleiter weist eine lichtstreuende Struktur 30 auf, wobei zwei der Lichtleiter 33, die in verschiedenen Orientierungen angeordnet sind, die erste lichtstreuende Struktur 31 und die zweite lichtstreuende Struktur 32 beinhalten.
  • 14 zeigt eine weitere mögliche Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer schematischen Darstellung. Die Ausführungsform unterscheidet sich in der Detektor-Anordnung von der in 13 gezeigten Ausführungsform und ist ansonsten vergleichbar mit der Ausführungsform nach 13. Die Detektor-Anordnung 20 entspricht in dieser Ausführungsform im wesentlichen der in 2 dargestellten Detektor-Anordnung 20. Die Detektor-Anordnung 20 umfasst hier einen Lichtleiter 33 mit der ersten lichtstreuenden Struktur 31 und der zweiten lichtstreuenden Struktur 32, wobei die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 einen kleinen Winkel einschließen, und einen lichtempfindlichen Sensor 40. Die Detektor-Anordnung 20 ist positionierbar im Wirk-Bereich 17. Die Detektor-Anordnung 20 ist in dieser Ausführungsform weiterhin mit einer Einrichtung 87 zur Bewegung der Detektor-Anordnung gekoppelt. Mittels der Einrichtung 87 zur Bewegung der Detektor-Anordnung kann die Detektor-Anordnung 20 um eine Achse rotiert werden, so dass die Detektor-Anordnung 20 mittels einer Bewegung in einer Bewegungsrichtung 89 zumindest einen großen Teil des Wirk-Bereichs 17 überstreichen kann, und somit ein in diesem Bereich positionierter Laserstrahl 11 abgetastet werden kann. Darüber hinaus ist es ebenfalls möglich, die Detektor-Anordnung 20 mittels der Einrichtung 87 zur Bewegung der Detektor-Anordnung in einer oder mehreren Stellungen im Wirk-Bereich 17 zu positionieren und den Laserstrahl mittels der Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls über die Detektor-Anordnung 20 zu führen.
  • In 15 ist ein zeitlicher Signal-Verlauf bei der Führung eines Laserstrahls 10, 11 über die lichtstreuenden Strukturen 31, 32 schematisch dargestellt. Die Detektor-Anordnung 20 entspricht beispielsweise der in 2 dargestellten Detektor-Anordnung 20 und umfasst einen Lichtleiter 33 mit der ersten lichtstreuenden Struktur 31 und der zweiten lichtstreuenden Struktur 32, wobei die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 einen kleinen Winkel einschließen, und einen lichtempfindlichen Sensor 40. Die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 sind schmal im Verhältnis zum Querschnitt 14 des Laserstrahls bzw. zum Durchmesser des Laserstrahls 10, 11. Die 15 zeigt mit vier Ausschnitt-Darstellungen das Führen des Laserstrahls über die lichtstreuenden Strukturen zu vier verschiedenen Zeitpunkten und einen zugehörigen Signal-Verlauf. Der Signal-Verlauf beschreibt die am lichtempfindlichen Sensor 40 registrierte Intensität (Symbol I) der Streustrahlung in Abhängigkeit der Zeit (Symbol t), während der Laserstrahl 10, 11 mit der Bewegungsrichtung 85 über den Lichtleiter 33 geführt wird. Sobald der Rand des Querschnitts 14 des Laserstrahls 10, 11 die erste lichtstreuende Struktur 31 erreicht (Zeitpunkt t1A), steigt das Signal I rasch an. Das Signal I erreicht einen Maximalwert, wenn der Strahl-Querschnitt 14 die lichtstreuende Struktur 31 mittig bestrahlt (zweiter Ausschnitt von links in 15). Danach sinkt das Signal I wieder ab und erreicht den Minimalwert, wenn der Rand des Strahl-Querschnitts 14 gerade die erste lichtstreuende Struktur 31 verlässt (Zeitpunkt t1B). Dieser Signal-Verlauf wiederholt sich kurz danach, wenn der Rand des Strahl-Querschnitts 14 die zweite lichtstreuende Struktur 32 erreicht (Zeitpunkt t2A). Das Signal I steigt erneut an, erreicht einen Maximalwert, und sinkt wieder auf den Minimalwert, wenn der Rand des Strahl-Querschnitts 14 die zweite lichtstreuende Struktur 31 verlässt (Zeitpunkt t2B). Somit repräsentiert das Zeitintervall ΔtAB zwischen den Zeitpunkten t1A und t1B oder zwischen den Zeitpunkten t2A und t2B den Durchmesser des Querschnitts 14 bzw. des Laserstrahls 10, 11. Der Durchmesser kann aus dem Zeitintervall ΔtAB und der Abtast-Geschwindigkeit berechnet werden. Das Zeitintervall Δt12 zwischen den Zeitpunkten t1A und t2A ist hingegen abhängig von der Position, wo der Laserstrahl 10, 11 die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 quert. Damit kann aus dem Zeitintervall Δt12 die Position des Laserstrahls 10, 11 ermittelt werden.
  • 16 zeigt ein weiteres Beispiel für einen Signal-Verlauf bei der Führung eines Laserstrahls 10, 11 über die lichtstreuenden Strukturen 31, 32. Im Unterschied zum Beispiel in der 15 ist hier die lichtstreuende Struktur 31 breiter als der Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11. Es ergibt sich dann ein anderer Signal-Verlauf, der auf andere Weise ausgewertet werden kann. Das Signal I steigt an, sobald der Rand des Strahl-Querschnitts 14 die erste (bzw. vordere) Kante der ersten lichtstreuenden Struktur 31 erreicht (Zeitpunkt t1A). Das Signal I steigt hier weiter an, und erreicht erst dann einen Maximalwert, wenn der Laserstrahl 10, 11 gerade mit seinem ganzen Querschnitt 14 vollständig auf die erste lichtstreuende Struktur 31 trifft (Zeitpunkt t1B). Das Signal I verharrt solange auf dem Maximalwert, bis der Rand des Strahl-Querschnitts 14 die zweite (bzw. hintere) Kante der ersten lichtstreuenden Struktur 31 erreicht (Zeitpunkt t1C). Während der Strahl-Querschnitt 14 die erste lichtstreuende Struktur 31 verlässt und über die zweite (hintere) Kante der ersten lichtstreuenden Struktur 31 läuft, sinkt das Signal I wieder ab und erreicht den Minimalwert, sobald der Rand des Strahl-Querschnitts 14 gerade die zweite (hintere) Kante der ersten lichtstreuenden Struktur 31 verlässt (Zeitpunkt t1D). Der zweite Teil des Signal-Verlaufs entspricht wieder dem in 15 dargestellten Verlauf, da die zweite lichtstreuende Struktur 32 schmal im Verhältnis zum Strahl-Querschnitt 14 ist. In diesem Beispiel gibt es drei verschiedene charakteristische Zeitintervalle ΔtAB, ΔtAC, und Δt12. Das Zeitintervall ΔtAB repräsentiert wieder den Durchmesser des Laserstrahls 10, 11 (bzw. dessen Querschnitt 14), und das Zeitintervall Δt12 ist wieder abhängig von der Position des Laserstrahls 10, 11 (d. h. wo die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 überquert werden). Alle drei Zeitintervalle skalieren mit der reziproken Bahngeschwindigkeit. Das Zeitintervall ΔtAC ist außerdem abhängig von der bekannten Breite der ersten lichtstreuenden Struktur 31, so dass aus diesem Zeitintervall die Bahngeschwindigkeit ermittelt werden kann. Aus den drei Zeitintervallen ΔtAB, ΔtAC, und Δt12 können somit die relevanten Parameter Strahl-Durchmesser, Strahl-Position und Bahngeschwindigkeit bestimmt werden.
  • Schließlich ist in 17 schematisch dargestellt, wie mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung die Strahl-Abmessungen und/oder die Strahlprofile eines Laserstrahls in zwei Raumrichtungen mit nur einer einzelnen Abtast-Bewegung bestimmt werden können. Die erste lichtstreuende Struktur 31 ist in diesem Beispiel in einem Winkel von etwa 90° zur zweiten lichtstreuenden Struktur 32 angeordnet. Die Detektor-Anordnung 20 kann also beispielsweise den in 5, 6, 7 oder 8 gezeigten Detektor-Anordnungen entsprechen. Der Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11 weist in zwei Raumrichtungen X und Y unterschiedliche Abmessungen ØX und ØY auf. Der Strahl-Querschnitt 14 wird mittels einer Relativbewegung des Laserstrahls 10, 11 über die lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 geführt. Die Bewegungsrichtung 85 des Laserstrahls wird beispielsweise so gewählt, dass die beiden lichtstreuenden Strukturen 31 und 32 in einem etwa gleichen Winkel-Betrag überquert werden (hier etwa 45°). Dann kann aus dem Zeitintervall Δt1AB die Breite des Strahl-Querschnitts ermittelt werden, die senkrecht zur ersten lichtstreuenden Struktur 31 orientiert ist, und aus dem Zeitintervall Δt2AB kann die Breite des Strahl-Querschnitts ermittelt werden, die senkrecht zur zweiten lichtstreuenden Struktur 32 orientiert ist.
  • AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
  • Es soll ein Lösung für das Problem geschaffen werden, Eigenschaften eines Laserstrahls zu bestimmen mittels eines Verfahrens und einer Vorrichtung, die für die Vermessung von Laserstrahlung mit höchster Leistung und Brillanz geeignet sind und eine Bestimmung mindestens eines geometrischen Strahl-Parameters wie beispielsweise eines Strahl-Durchmessers oder eines Strahl-Profils mit höherer Genauigkeit ermöglichen, und welche auch in einem ausgedehnten Arbeitsbereich des Laserstrahls oder bei einem bewegten Laserstrahl verwendet werden können.
  • Zur Lösung der Aufgabenstellung wird ein Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls mit den nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritten vorgeschlagen. Ein Laserstrahl 10, 11 wird in einen Wirk-Bereich 17 ausgesendet. Eine Detektor-Anordnung 20 wird im Wirk-Bereich 17 positioniert. Dabei beinhaltet die Detektor-Anordnung 20 mindestens einen Lichtleiter 33, mindestens einen lichtempfindlichen Sensor 40 und mindestens zwei lichtstreuende Strukturen 30, und eine erste lichtstreuende Struktur 31 der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen 30 ist im wesentlichen längs einer ersten Richtung ausgedehnt und eine zweite lichtstreuende Struktur 32 der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen 30 ist im wesentlichen längs einer zweiten Richtung ausgedehnt. Die erste Richtung und die zweite Richtung sind nicht parallel, sondern schließen einen von Null verschiedenen Winkel ein. Der Laserstrahl 10, 11 und die Detektor-Anordnung 20 werden relativ zueinander bewegt. Mittels der Relativ-Bewegung wird der Laserstrahl 10, 11 oder ein Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11 durch die Detektor-Anordnung 20 abgetastet. Streustrahlung 18 wird mittels der lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 aus einem Teil des Laserstrahls 10, 11 erzeugt. Ein Teil der Streustrahlung 18 wird in einem lichtleitenden Bereich 36 des mindestens einen Lichtleiters 33 zu einer Lichtaustrittsfläche 39 des mindestens einen Lichtleiters 33 transportiert. Strahlung, die von der Lichtaustrittsfläche 39 abgegeben wird, wird mittels eines lichtempfindlichen Sensors 40 empfangen, und aus der empfangenen Strahlung wird ein zeitlich veränderliches Signal erzeugt. Schließlich wird das zeitlich veränderliche Signal registriert und ausgewertet.
  • Zur Lösung der Aufgabenstellung wird weiterhin eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Einrichtung 70 zur Aussendung eines Laserstrahls 10, 11 in einen Wirk-Bereich 17, eine Detektor-Anordnung 20, die im Wirk-Bereich 17 positionierbar ist, eine Einrichtung 80 zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10, 11 und der Detektor-Anordnung 20, und eine Einrichtung 50 zur Registrierung und Auswertung eines zeitlich veränderlichen Signals von der Detektor-Anordnung 20 beinhaltet.
  • Die Detektor-Anordnung 20 der erfindungsgemäßen Vorrichtung weist mindestens einen Lichtleiter 33, mindestens zwei lichtstreuende Strukturen 30, und mindestens einen lichtempfindlichen Sensor 40 auf. Die lichtstreuenden Strukturen 30 sind hauptsächlich längs jeweils einer Richtung ausgedehnt. Die mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen 30 beinhalten eine erste lichtstreuende Struktur 31 und eine zweite lichtstreuende Struktur 32, die in verschiedenen Richtungen ausgedehnt sind, d. h. die erste lichtstreuende Struktur 31 und die zweite lichtstreuende Struktur 32 sind nicht parallel zueinander angeordnet, sondern schließen einen Winkel ein, der nicht Null ist. Weitere lichtstreuende Strukturen 30 können zur ersten oder zur zweiten lichtstreuenden Struktur 31 oder 32 parallel angeordnet sein oder in einem weiteren Winkel dazu angeordnet sein. Die erste lichtstreuende Struktur 31 und die zweite lichtstreuende Struktur 32 können in einem einzigen Lichtleiter 33 angeordnet sein, wie beispielsweise in den 2 und 3 gezeigt. In dem Fall kann der Winkel zwischen der ersten und der zweiten lichtstreuenden Struktur 31 und 32 relativ klein sein, beispielsweise im Bereich zwischen 0,5° und 30°. Die erste lichtstreuende Struktur 31 und die zweite lichtstreuende Struktur 32 können alternativ in jeweils einem individuellen Lichtleiter 33 angeordnet sein. Beispiele dafür sind in den 4, 5 und 7 dargestellt. Die Detektor-Anordnung 20 enthält in diesem Fall wenigstens zwei Lichtleiter 33. Die beiden Lichtleiter 33 können dann in einem beliebigen, von Null verschiedenen Winkel zueinander angeordnet sein. Entsprechend kann dann auch der Winkel zwischen der ersten und der zweiten lichtstreuenden Struktur 31 und 32 beliebig groß sein, beispielsweise auch einen Wert von 30°, 45°, 60° oder 90° aufweisen.
  • Die lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 können ausgebildet sein in Form von lokalen Inhomogenitäten an der Oberfläche oder im Volumen der Lichtleiter 33. Bei Inhomogenitäten an der Oberfläche der Lichtleiter 33 kann es sich beispielsweise um lokal begrenzte Bereiche handeln, die eine Mikro-Rauigkeit aufweisen, während die umgebenden Bereiche polierte Oberflächen sind. Solche, auf Mikro-Rauigkeit beruhende lichtstreuende Strukturen 30, 31, 32 an der Oberfläche der Lichtleiter 33 können beispielsweise durch Ätzen hergestellt werden. Bei den Inhomogenitäten an der Oberfläche der Lichtleiter 33 kann es sich auch um Kanten des Lichtleiters 33 handeln. Die durch einen Polierprozess der Außenflächen eines Lichtleiters 33 entstehenden Kanten weisen typischerweise auf mikroskopischer Skala statistische Inhomogenitäten auf, die zur Lichtstreuung genutzt werden können. Es ist auch vorgesehen, ausgewählte Kanten des Lichtleiters 33 mit einer kleinen Fase zu versehen. Diese Fasen können beispielsweise durch Anschleifen hergestellt werden und weisen damit je nach Größe der Schleifpartikel eine typische Mikro-Rauigkeit auf. Auf diese Weise kann die lichtstreuende Struktur 30, 31, 32 an einer Kante eines Lichtleiters 33 mit einer definierten Breite ausgestattet sein. Die lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 können auch ausgebildet sein in Form von lokalen Inhomogenitäten im Volumen der Lichtleiter 33. Bei den Inhomogenitäten im Volumen eines Lichtleiters kann es sich zum Beispiel um Bereiche mit lokal geänderter und variierender Brechzahl oder um winzige Blasen im Material handeln.
  • Solche Inhomogenitäten können gezielt hergestellt werden, beispielsweise mit spezieller Laserstrahlung. Zur Erzeugung von Brechzahl-Variationen kommen typischerweise fokussierte UV-Laser zum Einsatz, ähnlich wie bei der Herstellung sogenannter Bragg-Gitter in optischen Materialien. Zur Herstellung von Blasen werden typischerweise fokussierte Riesen-Impuls-Laser eingesetzt. Eine Herstellung von lokalen Inhomogenitäten, von lichtstreuenden Strukturen, oder von Bereichen, die eine Rauigkeit aufweisen, kann zum Beispiel auch durch sogenanntes laserinduziertes selektives Ätzen erfolgen. Dabei wird das optische Material (beispielsweise Quarzglas oder Saphir) durch Bestrahlen mit fokussierten Femtosekunden-Laserpulsen lokal modifiziert. Die modifizierten Bereiche können dann durch chemisches Ätzen (beispielsweise in Kalilauge) selektiv entfernt werden. Die Herstellung der Lichtleiter 33 und der lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 sind nicht beschränkt auf die erwähnten Möglichkeiten zur Herstellung.
  • Der mindestens eine Lichtleiter 33 hat einen lichtleitenden Bereich 36, der eine längliche Form aufweist. Der Lichtleiter 33 kann beispielsweise quaderförmig, stabförmig oder zylindrisch ausgebildet sein. Eine der Außenflächen des Lichtleiters 33 ist als Lichtaustrittsfläche 39 ausgebildet. Eine der Lichtaustrittsfläche 39 gegenüberliegende Außenfläche des Lichtleiters 33 bildet eine Endfläche 38. Die Lichtaustrittsfläche 39 und die Endfläche 38 begrenzen vorzugsweise die längste Ausdehnung des Lichtleiters 33. Das zwischen der Lichtaustrittsfläche 39 und der Endfläche 38 befindliche Volumen des Lichtleiters 33 bildet den lichtleitenden Bereich 36. Die Lichtaustrittsfläche 39 und die Endfläche 38 können die gleiche oder eine ähnliche Form aufweisen wie der Querschnitt des Lichtleiters 33 bzw. des lichtleitenden Bereichs 36. Der Querschnitt des Lichtleiters 33 kann beispielsweise rund, elliptisch, halbkreisförmig, quadratisch, rechteckig, trapezförmig, dreieckig, tropfenförmig, fünfeckig oder sechseckig sein, oder eine andere geeignete Gestalt aufweisen. Die Größe des Querschnitts des Lichtleiters 33 kann entlang der Länge des Lichtleiters 33 variieren.
  • Innerhalb des lichtleitenden Bereichs 36 des Lichtleiters 33 kann Strahlung transportiert werden. Der Transport von Strahlung findet statt aufgrund von Totalreflexion der Strahlung an den länglichen Außenflächen des Lichtleiters 33 bzw. des lichtleitenden Bereichs 36. Dazu muss einerseits das Material des Lichtleiters 33 eine Brechzahl größer 1 (eins) aufweisen, und andererseits muss der Auftreffwinkel der Strahlung zum Lot der Außenfläche ausreichend groß sein. Ein Transport von Strahlung findet also nur in einem begrenzten Winkelbereich statt, der durch die Totalreflexion definiert ist. Strahlungsanteile, die einen großen Winkel zum Lot der länglichen Außenflächen im lichtleitenden Bereich 36 aufweisen, haben zum Lot der Lichtaustrittsfläche 39 einen kleinen Winkel. Somit tritt für diese Strahlungsanteile an der Lichtaustrittsfläche 39 keine Totalreflexion auf, und die Strahlungsanteile können über die Lichtaustrittsfläche 39 abgestrahlt werden.
  • Der Lichtleiter 33 besteht aus einem für die Wellenlänge des Laserstrahls 10, 11 transparenten optischen Material. Das transparente optische Material weist einen sehr geringen Absorptionsgrad auf. Es ist vorgesehen, dass die für die Wellenlänge des Laserstrahls 10, 11 spezifische Absorption des Materials kleiner als 300 ppm/cm ist. Die Absorption kann auch kleiner als 100 ppm/cm sein, insbesondere auch kleiner als 20 ppm/cm. Geeignete Materialien sind beispielsweise Quarzglas, insbesondere synthetisches Quarzglas (fused silica), Saphir, Zinksulfid (ZnS), oder Calciumfluorid (CaF2). Es können aber auch andere Gläser, Kristalle, oder Kristallgläser mit einer ausreichend geringen Absorption verwendet werden.
  • Angrenzend an die Lichtaustrittsfläche 39 des Lichtleiters 33 oder in der Nähe der Lichtaustrittsfläche 39 ist ein lichtempfindlicher Sensor 40 angeordnet. Der lichtempfindliche Sensor 40 ist zum Empfang von Strahlung ausgebildet, die von der Lichtaustrittsfläche 39 des Lichtleiters 33 abgegeben wird. Zu diesem Zweck kann zwischen der Lichtaustrittsfläche 39 und dem lichtempfindlichen Sensor 40 weiterhin ein zusätzliches optisches Element angeordnet sein, welches die von der Lichtaustrittsfläche 39 abgegebene Strahlung auf den lichtempfindlichen Sensor 40 leitet. Dieses zusätzliche optische Element kann beispielsweise eine Linse, ein Umlenk-Spiegel, ein Prisma, oder ein starres oder flexibles lichtleitendes Element sein, oder eine Kombination dieser Elemente.
  • Wenn die Detektor-Anordnung 20 mehrere Lichtleiter 33 umfasst, dann ist jeder Lichtaustrittsfläche 39 ein lichtempfindlicher Sensor 40 zugeordnet. Dies kann für alle Lichtaustrittsflächen 39 ein einziger lichtempfindlicher Sensor 40 sein. Es können aber auch allen Lichtaustrittsflächen 39 individuelle lichtempfindliche Sensoren 40 zugeordnet sein, dann weist die Detektor-Anordnung 20 so viele lichtempfindlichen Sensoren 40 auf wie Lichtleiter 33 vorhanden sind. Es ist auch vorgesehen, dass mehrere Lichtleiter 33 als Gruppe einem lichtempfindlichen Sensor 40 zugeordnet sind, wobei es auch mehrere Gruppen geben kann. Eine Gruppe von Lichtleitern 33 muss nicht zwangsläufig aus nebeneinander angeordneten Lichtleitern 33 bestehen, es kann beispielsweise auch jeder zweite, dritte, vierte usw. Lichtleiter 33 zu Gruppen zusammengefasst sein, wobei ein lichtempfindlicher Sensor 40 jeder Gruppe zugeordnet ist. Auf diese Weise können Sensoren eingespart werden, und es ist damit dennoch in benachbarten Bereichen eine Zuordnung von Signalen zu individuellen Lichtleitern 33 bzw. zu deren lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 möglich, um die Zeitintervalle zwischen den Signalen korrekt auszuwerten.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist eine Einrichtung 80 zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10, 11 und der Detektor-Anordnung 20 auf. Mittels der Relativbewegung kann der Laserstrahl 10, 11 durch die Detektor-Anordnung 20 abgetastet werden, d. h. der Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11 überquert in einer Abtast-Bewegung die erste und die zweite lichtstreuende Struktur 31 und 32. Wenn ein Teil des Querschnitts 14 auf eine lichtstreuende Struktur 30, 31, 32 trifft, wird aus einem Teil der Laserstrahlung 10, 11 eine Streustrahlung 18 erzeugt. Die Streustrahlung 18 wird in einen großen Winkelbereich abgestrahlt. Dabei gibt es auch einen Anteil an Streustrahlung 18, der in den lichtleitenden Bereich 36 in einen Winkelbereich gestreut wird, bei dem die Strahlung aufgrund der Totalreflexion innerhalb des lichtleitenden Bereichs 36 transportiert wird. Ein Teil der Streustrahlung 18 verlässt über die Lichtaustrittsfläche 39 den Lichtleiter 33 und trifft auf den lichtempfindlichen Sensor 40. Der lichtempfindliche Sensor 40 erzeugt in Abhängigkeit der auftreffenden Strahlungsintensität ein elektrisches Signal. Der lichtempfindliche Sensor 40 kann beispielsweise eine Photodiode, ein Photo-Multiplier, oder ein sonstiges photo-elektrisches Konverter-Element sein. Das Signal des lichtempfindlichen Sensors 40 wird an eine Einrichtung 50 zur Signal-Registrierung weitergeleitet und kann dort aufgezeichnet und ausgewertet werden. Wenn der Laserstrahl 10, 11 auf einen Lichtleiter 33 trifft, aber keine lichtstreuende Struktur 30, 31, 32 trifft, dann können durch Brechung und teilweise Reflexion (sogenannte Fresnel-Reflexion) an den Grenzflächen des Lichtleiters 33 zwar auch Strahlungsanteile in anderen Winkeln innerhalb des lichtleitenden Bereichs 36 der Lichtleiters 33 erzeugt werden, solche Strahlungsanteile können jedoch beim Auftreffen auf die nächste Grenzfläche des Lichtleiters 33 den lichtleitenden Bereich 36 wieder verlassen und werden nicht durch Totalreflexion zur Lichtaustrittsfläche 39 geführt.
  • Die Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10, 11 und der Detektor-Anordnung 20 kann mit unterschiedlichen Mitteln bereitgestellt werden. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die Detektor-Anordnung 20 selbst mittels einer Einrichtung 87 zur Bewegung der Detektor-Anordnung beweglich gelagert und kann mittels eines Antriebs der Einrichtung 87 bewegt werden. Ein Beispiel dafür ist in der 14 dargestellt. In diesem Beispiel ist die Detektor-Anordnung über eine Achse drehbar gelagert. Die Bewegungsrichtung 89 der Detektor-Anordnung ist in diesem Fall eine Rotationsbewegung. Durch die Rotationsbewegung werden die erste und die zweite lichtleitende Struktur 31 und 32 nacheinander durch den Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11 geführt. Dabei entsteht ein Signal-Verlauf, wie er schematisch in 15 dargestellt ist. Aus der Breite der Signal-Impulse bzw. dem Zeitintervall ΔtAB kann der Durchmesser des Strahl-Querschnitt 14 bzw. des Laserstrahls 10, 11 bestimmt werden. Aus dem zeitlichen Abstand der Signal-Impulse bzw. dem Zeitintervall Δt12 kann der Abstand des Laserstrahls 10, 11 zur Dreh-Achse ermittelt werden. In Kombination mit dem absoluten Zeitpunkt der Signal-Impulse, aus dem die Winkel-Position der Detektor-Anordnung 20 ermittelt werden kann, erhält man daraus die zweidimensionale Position des Laserstrahls 10, 11 in der von der Detektor-Anordnung 20 abgetasteten Ebene bzw. im Wirk-Bereich 17, in dem die Detektor-Anordnung 20 positionierbar ist. Es kann dabei vorgesehen sein, dass eine Drehachse für eine Rotation-Bewegung der Detektor-Anordnung 20 nicht durch einen virtuellen Schnittpunkt führt, der durch die Verlängerung der Richtungen der ersten lichtstreuenden Struktur und der zweiten lichtstreuenden Struktur 32 definiert ist.
  • Der in der 15 dargestellte Signal-Verlauf entsteht, wenn die lichtstreuenden Strukturen 31, 32 schmal sind im Verhältnis zum Strahl-Querschnitt 14 bzw. zum Durchmesser des Laserstrahls 10, 11. Die lichtstreuenden Strukturen 30, 31, 32 können auch breiter sein als der Strahl-Querschnitt 14. Dazu zeigt die 16 ein Beispiel, bei dem die erste lichtstreuende Struktur 31 breiter ist als der Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11. Der Durchmesser des Strahls wird in diesem Fall nicht aus der Breite des Signal-Impulses ermittelt, sondern aus der Länge des Anstiegs des Signal-Impulses, d. h. aus der Breite der Flanke des Signal-Impulses, bzw. aus dem Zeitintervall ΔtAB. Mathematisch betrachtet kann die Flanke des ersten Signal-Impulses aus 16 durch Differenzierung (mathematische Ableitung nach der Zeit) in den ersten Signal-Impuls aus 15 überführt werden. Umgekehrt ergibt sich die Flanke des ersten Signal-Impulses aus 16 durch Integration des ersten Signal-Impulses aus 15.
  • Die Einrichtung 87 zur Bewegung der Detektor-Anordnung kann auch zur Durchführung anderer Bewegungen als einer Rotation ausgebildet sein. Dies kann beispielsweise eine lineare Bewegung in einer Raumrichtung, eine lineare Bewegung in zwei Raumrichtungen, eine kreisförmige Bewegung, eine elliptische Bewegung, oder eine rasterförmige Bewegung sein. Die Bewegung kann auch aus zwei Komponenten bestehen, wobei die erste Komponente eine schnellere teilweise periodische Bewegung in einer ersten Raumrichtung und die andere Komponente eine langsamere Bewegung in einer zweiten Raumrichtung sein kann.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Einrichtung 80 zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl 10, 11 und der Detektor-Anordnung 20 eine Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls. Die Einrichtung 83 kann beispielsweise eine Führungsmaschine oder ein Roboter sein, mit der die Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls gekoppelt sein kann.
  • Bei der Einrichtung 70 zur Aussendung eines Laserstrahls kann es sich zum Beispiel um eine schlichte Laserbearbeitungs-Optik handeln. Der Laserbearbeitungs-Optik kann von einem Strahlführungssystem, beispielsweise einem Lichtleitkabel oder einem Spiegel-System, ein Laserstrahl 10 zugeführt werden. In der Laserbearbeitungs-Optik wird der Laserstrahl 10 von einem optischen System 72 abgebildet, so dass ein fokussierter Laserstrahl 11 erzeugt wird. Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung können jedoch nicht nur fokussierte Laserstrahlen 11 vermessen werden. Auch die Vermessung beispielsweise von kollimierten Laserstrahlen ist vorgesehen. In diesem Fall sendet die Einrichtung 70 zur Aussendung eines Laserstrahls einen kollimierten Laserstrahl aus. Es ist weiterhin möglich, dass die Einrichtung 70 zur Aussendung eines Laserstrahls auch einen Laserstrahl-Generator bzw. eine Laserstrahlquelle beinhaltet.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet die Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls 10, 11 eine Scanner-Optik. Dabei sind in der Scanner-Optik üblicherweise ein oder mehrere Scanner-Spiegel 84 angeordnet, mit denen der Laserstrahl 10 um einen verstellbaren Winkel umgelenkt und so in einem Wirk-Bereich 17 frei wählbar positioniert und in Bewegungsrichtungen 85 entlang einer Bahnkurve geführt werden kann. Die Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls umfasst bei einer Scanner-Optik typischerweise auch ein optisches System 72 mit einer optischen Achse 74 und ein Schutzglas 73. Das optische System 72 kann hier eine Planfeld-Optik oder ein sogenanntes f-theta-Objektiv sein, und erzeugt einen fokussierten Laserstrahl 11 mit einem Laserstrahl-Fokus 12 im Wirk-Bereich 17.
  • Mittels der Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls 10, 11 kann der Laserstrahl 10, 11 entlang einer beliebigen Bahnkurve geführt werden. Bei diesen Ausführungsformen der Erfindung kann daher die Detektor-Anordnung 20 in einer festen Position in der Wirk-Ebene 17 positionierbar sein, und die Abtast-Bewegung wird von der Einrichtung 83 zur Bewegung des Laserstrahls ausgeführt. Auch in diesem Fall kann die Bewegung des Laserstrahls 10, 11 eine lineare Bewegung in einer Raumrichtung, eine lineare Bewegung in zwei Raumrichtungen, eine kreisförmige Bewegung, eine elliptische Bewegung, oder eine rasterförmige Bewegung sein. Die Bewegung kann ebenfalls aus zwei Komponenten bestehen, wobei die erste Komponente eine schnellere teilweise periodische Bewegung in einer ersten Raumrichtung und die andere Komponente eine langsamere Bewegung in einer zweiten Raumrichtung sein kann.
  • Eine Abtastung des Strahls nach dem Beispiel von 16 hat den Vorteil, dass es drei verschiedene charakteristische Zeitintervalle AtAB, ΔtAC, und Δt12 gibt: die Breite der Flanke des ersten Signal-Impulses bzw. die Dauer des zweiten Signal-Impulses (ΔtAB), die Zeitdifferenz vom Beginn der ansteigenden Flanke zum Beginn der absteigenden Flanke des ersten Signal-Impulses (ΔtAC), und die Zeitdifferenz zwischen den beiden Signal-Impulsen (Δt12). Alle drei Zeitintervalle skalieren mit der reziproken Bahngeschwindigkeit. Außerdem ist das Zeitintervall ΔtAB vom Durchmesser des Laserstrahls 10, 11 abhängig, das Zeitintervall Δt12 ist abhängig von der Position des Laserstrahls 10, 11, und das Zeitintervall ΔtAC ist abhängig von der Breite der ersten lichtstreuenden Struktur 31, wobei letztere als bekannt vorausgesetzt werden kann. Somit können aus den drei Zeitintervallen ΔtAB, ΔtAC, und Δt12 die relevanten Parameter Strahl-Durchmesser, Strahl-Position und Bahngeschwindigkeit bestimmt werden. Die gleiche Menge an Information kann gewonnen werden, wenn zur Abtastung nicht nur zwei, sondern drei schmale lichtstreuende Strukturen verwendet werden. Dazu kann beispielsweise zur ersten und zweiten lichtstreuenden Struktur 31, 32 eine weitere lichtstreuende Struktur 30 in der Detektor-Anordnung 20 vorgesehen sein.
  • Die Vorrichtung und das Verfahren weisen aufgrund der erfindungsgemäßen Merkmale folgende Vorteile auf:
    • – Die Vorrichtung ist zur Vermessung von Laserstrahlen mit höchsten Leistungen und Leistungsdichten geeignet, da die Komponenten, die der Strahlung ausgesetzt sind, die Strahlung nicht absorbieren, und die Komponenten außerdem durch die Abtast-Bewegung immer nur für sehr kurze Zeitintervalle der Laserstrahlung ausgesetzt sind.
    • – Mit einer einzigen Abtast-Bewegung können drei relevante Parameter ermittelt werden: Strahl-Durchmesser, Strahl-Position und Bahngeschwindigkeit.
    • – Mit einer einzigen Abtast-Bewegung ist die Bestimmung von Strahl-Abmessungen in zwei Raumrichtungen möglich.
    • – Die Strahl-Eigenschaften können in einem ausgedehnten zweidimensionalen oder räumlichen Bereich, insbesondere im Wirk-Bereich des Laserstrahls ermittelt werden.
    • – Es können die Eigenschaften von bewegten Laserstrahlen ermittelt werden, auch wenn die Bewegung des Strahls nicht in spezieller Weise vorgegeben ist.
  • In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Detektor-Anordnung 20 eine Abdeckung 42 einschließen. Die Abdeckung 42 umschließt den lichtempfindlichen Sensor 40 und die Lichtaustrittsfläche 39 des Lichtleiters 33. Der lichtempfindliche Sensor 40 wird dadurch von Restlicht oder Strahlungsanteilen abgeschirmt, die ansonsten direkt auf den lichtempfindlichen Sensor 40 treffen könnten und somit ein fehlerhaftes Signal verursachen könnten. Wenn die Detektor-Anordnung 20 mehrere Lichtleiter 33 und mehrere lichtempfindliche Sensoren 40 aufweist, dann können auch entsprechend viele Abdeckungen 42 vorgesehen sein.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Endfläche 38 des Lichtleiters 33 mit einer reflektierenden Beschichtung versehen sein, wie in den 11 und 12 dargestellt. Mittels einer reflektierenden Beschichtung der Endfläche 38 kann ein Anteil der Streustrahlung 18, der von der lichtstreuenden Struktur 30, 31, 32 aus dem Laserstrahl 10, 11 erzeugt wird und in Richtung der Endfläche 38 abgestrahlt wird, dort reflektiert werden und nach Transport durch den lichtleitenden Bereich 36 und Transmission durch die Lichtaustrittsfläche 39 ebenfalls vom lichtempfindlichen Sensor 40 empfangen werden. Eine reflektierende Beschichtung der Endfläche 38 hat noch eine weitere vorteilhafte Auswirkung. Es wird dadurch verhindert, dass durch die Endfläche 38 Restlicht oder Strahlungsanteile von außen in den lichtleitenden Bereich 36 eindringen können und somit ein fehlerhaftes Signal verursachen könnten. Wenn die Detektor-Anordnung 20 mehrere Lichtleiter 33 aufweist, dann können an allen Endflächen 38 der Lichtleiter 33 reflektierende Beschichtungen vorgesehen sein. Die reflektierende Beschichtung der Endfläche 39 kann beispielsweise ein dielektrisches Vielschicht-System sein, oder eine metallische Beschichtung.
  • Bei Ausführungsformen der Detektor-Anordnung 20 mit Abdeckungen 42 und reflektierenden Beschichtungen auf den Endflächen 38 kann erreicht werden, dass die lichtempfindlichen Sensoren 40 von jeglichem Restlicht, dass von außen in die Vorrichtung dringen kann, abgeschirmt werden, und die lichtempfindlichen Sensoren 40 nur die von den lichtstreuenden Struktur 30, 31, 32 erzeugte Streustrahlung 18 empfangen können.
  • In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung schließt die Detektor-Anordnung 20 mehrere lichtstreuende Strukturen 30 ein, die in mehreren verschiedenen Ebenen angeordnet sind. Dabei hat jede der Ebenen einen anderen Abstand zur Einrichtung 70 zur Aussendung des Laserstrahls. Beispielsweise können mehrere Lichtleiter 33 mit jeweils einer lichtstreuenden Struktur 30 stufenförmig in der Detektor-Anordnung angeordnet sein. 6 zeigt beispielhaft eine Detektor-Anordnung mit 3 Lichtleitern 33, von denen zwei Lichtleiter 33 in zwei verschiedenen Ebenen stufenförmig angeordnet sind. Die Detektor-Anordnung 20 kann auch mehr als zwei Stufen umfassen. Bei einem Abtast-Vorgang wird mit jeder Stufe ein Querschnitt 14 des Laserstrahls 10, 11 erfasst, der in der jeweiligen Ebene der Stufe liegt. Der Laserstrahl 10, 11 wird also in mehreren Ebenen längs der optischen Achse 74 abgetastet. Auf diese Weise kann beispielsweise ein Laserstrahl 11 in einem axialen Bereich um den Laserstrahl-Fokus 12 herum abgetastet werden und damit ein repräsentativer Ausschnitt der Kaustik des Laserstrahls 11 bestimmt werden. Bei einer ausreichenden Anzahl von Stufen ist damit auch die Bestimmung eines Strahl-Parameter-Produkts möglich, bzw. die Bestimmung von Fokus-Durchmesser und Divergenzwinkel des Laserstrahls 11.
  • Es ist offensichtlich, dass die Erfindung nicht beschränkt ist auf die in der Beschreibung aufgeführten speziellen Ausführungsformen und die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen. Vielmehr umfasst die Erfindung auch Ausführungsformen, die durch Kombinationen der in den Ansprüchen, in der Beschreibung und in den Figuren dargestellten Merkmale entstehen.
  • Bezugszeichenliste
    • 10
    Laserstrahl
    11
    Fokussierter Laserstrahl
    12
    Laserstrahl-Fokus
    14
    Querschnitt des Laserstrahls
    17
    Wirk-Bereich
    18
    Streustrahlung
    20
    Detektor-Anordnung
    30
    Lichtstreuende Strukturen
    31
    Erste lichtstreuende Struktur
    32
    Zweite lichtstreuende Struktur
    33
    Lichtleiter
    36
    Lichtleitender Bereich
    38
    Endfläche
    39
    Lichtaustrittsfläche
    40
    Lichtempfindlicher Sensor
    42
    Abdeckung
    50
    Einrichtung zur Signal-Registrierung
    70
    Einrichtung zur Aussendung eines Laserstrahls
    72
    Optisches System
    73
    Schutzglas
    74
    Optische Achse des optischen Systems
    80
    Einrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung
    83
    Einrichtung zur Bewegung des Laserstrahls
    84
    Scanner-Spiegel
    85
    Bewegungsrichtung des Laserstrahls
    87
    Einrichtung zur Bewegung der Detektor-Anordnung
    89
    Bewegungsrichtung der Detektor-Anordnung

Claims (18)

  1. Vorrichtung zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls, umfassend – eine Einrichtung (70) zur Aussendung eines Laserstrahls (10, 11) in einen Wirk-Bereich (17), – eine Detektor-Anordnung (20), die im Wirk-Bereich (17) positionierbar ist, – eine Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl (10, 11) und der Detektor-Anordnung (20), und – eine Einrichtung (50) zur Registrierung und Auswertung eines zeitlich veränderlichen Signals von der Detektor-Anordnung (20), wobei die Detektor-Anordnung (20) umfasst: – mindestens einen Lichtleiter (33) mit einer Lichtaustrittsfläche (39) und einem lichtleitenden Bereich (36), wobei der lichtleitende Bereich (36) eine längliche Form aufweist, – mindestens zwei lichtstreuende Strukturen (30), wobei eine erste lichtstreuende Struktur (31) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer ersten Richtung ausgedehnt ist und eine zweite lichtstreuende Struktur (32) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer zweiten Richtung ausgedehnt ist und wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, und – mindestens einen lichtempfindlichen Sensor (40), der für den Empfang von Strahlung angeordnet ist, die von der Lichtaustrittsfläche (39) des Lichtleiters (33) abgegeben wird, und wobei die mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) Streustrahlung aus einem Teil des auf die lichtstreuenden Strukturen (30) auftreffenden Laserstrahls (10, 11) in einen Winkelbereich bereitstellen, der zum Transport von gestreuter Laserstrahlung (18) im lichtleitenden Bereich (36) des Lichtleiters (33) zur Lichtaustrittsfläche (39) geeignet ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung eine Abtastung eines Querschnitts (14) des Laserstrahls (10, 11) mittels der Detektor-Anordnung (20) bereitstellt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung eine Abtastung eines Querschnitts (14) des Laserstrahls (10, 11) mittels der Detektor-Anordnung (20) in zwei unterschiedlichen Richtungen bereitstellt.
  4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Relativbewegung eine Kreisbewegung oder eine elliptische Bewegung ist.
  5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Relativbewegung eine Rotationsbewegung ist.
  6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Relativbewegung eine erste und eine zweite Komponente umfasst und die erste Komponente eine zumindest teilweise periodische schnellere Bewegung in einer ersten Raumrichtung ist und die zweite Komponente eine langsamere Bewegung in einer zweiten Raumrichtung ist.
  7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei sowohl die in der ersten Richtung ausgedehnte erste lichtleitende Struktur (31) als auch die in der zweiten Richtung ausgedehnte zweite lichtleitende Struktur (32) Bestandteile des mindestens einen Lichtleiters (33) sind.
  8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Detektor-Anordnung mindestens zwei Lichtleiter (33) umfasst, und wobei die in der ersten Richtung ausgedehnte erste lichtleitende Struktur (31) Bestandteil des ersten der mindestens zwei Lichtleiter (33) ist und die in der zweiten Richtung ausgedehnte zweite lichtleitende Struktur (32) Bestandteil des zweiten der mindestens zwei Lichtleiter (33) ist.
  9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das transparente optische Material des Lichtleiters (33) eine für die Wellenlänge der Laserstrahlung (10, 11) spezifische Absorption von weniger als 300 ppm/cm aufweist.
  10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung eine Einrichtung (87) zur Bewegung der Detektor-Anordnung (20) umfasst.
  11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Einrichtung (80) zur Bereitstellung einer Relativbewegung eine Einrichtung (83) zur Bewegung des Laserstrahls (10, 11) umfasst.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei die Einrichtung (83) zur Bewegung des Laserstrahls eine Scanner-Optik umfasst.
  13. Verfahren zur Bestimmung von Eigenschaften eines Laserstrahls, umfassend die Verfahrensschritte: – Aussenden eines Laserstrahls (10, 11) in einen Wirk-Bereich (17), – Positionieren einer Detektor-Anordnung (20) im Wirk-Bereich (17), wobei die Detektor-Anordnung (20) mindestens einen Lichtleiter (33), mindestens einen lichtempfindlichen Sensor (40) und mindestens zwei lichtstreuende Strukturen (30) umfasst, und wobei eine erste lichtstreuende Struktur (31) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer ersten Richtung ausgedehnt ist und eine zweite lichtstreuende Struktur (32) der mindestens zwei lichtstreuenden Strukturen (30) längs einer zweiten Richtung ausgedehnt ist und wobei die erste Richtung und die zweite Richtung einen von Null verschiedenen Winkel einschließen, – Bereitstellen einer Relativbewegung zwischen dem Laserstrahl (10, 11) und der Detektor-Anordnung (20), – Erzeugen von Streustrahlung aus einem Teil des Laserstrahls (10, 11) mittels der lichtstreuenden Strukturen, – Transportieren eines Teils der Streustrahlung in einem lichtleitenden Bereich (36) des mindestens einen Lichtleiters (33) zu einer Lichtaustrittsfläche (39) des mindestens einen Lichtleiters (33), – Empfangen von Strahlung, die von der Lichtaustrittsfläche (39) abgegeben wird, mittels eines lichtempfindlichen Sensors (40) und Erzeugen eines zeitlich veränderlichen Signals aus der empfangenen Strahlung, und – Registrieren und Auswerten des zeitlich veränderlichen Signals.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, weiterhin umfassend ein Abtasten eines Querschnitts (14) des Laserstrahls (10, 11) mittels der Detektor-Anordnung (20).
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, weiterhin umfassend ein Abtasten eines Querschnitts (14) des Laserstrahls (10, 11) mittels der Detektor-Anordnung (20) in zwei unterschiedlichen Richtungen.
  16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Laserstrahl (10, 11) relativ zur Detektor-Anordnung (20) in einer kreisförmigen oder ellipsenförmigen Bahn bewegt wird.
  17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei die Detektor-Anordnung (20) relativ zum Laserstrahl (10, 11) rotierend bewegt wird.
  18. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, wobei der Laserstrahl (10, 11) relativ zur Detektor-Anordnung (20) in einer Bewegung mit einer ersten Komponente und mit einer zweiten Komponente bewegt wird, wobei die erste Komponente eine zumindest teilweise periodische schnellere Bewegung in einer ersten Raumrichtung ist und die zweite Komponente eine langsamere Bewegung in einer zweiten Raumrichtung ist.
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