DE102017002434A1 - Laservorrichtung zur Materialbearbeitung - Google Patents

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Abstract

Eine Laservorrichtung (10) zur Materialbearbeitung, insbesondere zur Laserbearbeitung eines humanen Auges (12), umfasst eine Quelle (14) eines gepulsten Laserstrahls (16), ein Detektorsystem zur Photodetektion einer Mehrzahl aus dem Laserstrahl durch Strahlungsauskopplung generierter Teilstrahlen (16', 16") und Bereitstellung entsprechender Detektionssignale, und eine mit dem Detektorsystem gekoppelte Steuereinheit (24) zur Auswertung der Detektionssignale. Von einem ersten Detektionselement (32) des Detektorsystems wird dabei ein erstes Detektionssignal bereitgestellt, das auf Ein-Photonen-Absorption beruht. Von einem zweiten Detektionselement (34) des Detektorsystems wird ein zweites Detektionssignal bereitgestellt, das auf Zwei-Photonen-Absorption beruht. Bei bestimmten Ausführungsformen setzt die Steuereinheit die gemessenen Signalstärken der beiden Detektionssignale in ein Verhältnis zueinander. Schwankungen des resultierenden Verhältniswerts können unter der Annahme einer gleichbleibenden Pulsrepetitionsrate des Laserstrahls (16) und einer unveränderten mittleren Leistung der Laservorrichtung dann auf Schwankungen der Pulsdauer oder/und der Wellenfront des Laserstrahls (16) zurückgeführt werden. Indem die Steuereinheit geeignete Gegenmaßnahmen veranlasst, kann während des Emissionsbetriebs der Laservorrichtung die Strahlqualität des Laserstrahls beibehalten werden.

Description

  • Fachgebiet
  • Die vorliegende Offenbarung befasst sich mit einer Laservorrichtung zur Materialbearbeitung.
  • Hintergrund
  • Die Bedeutung ultrakurzpulsiger Laser für die Bearbeitung unterschiedlichster Materialien nimmt mehr und mehr zu. Insbesondere kann ultrakurzpulsige Laserstrahlung dazu eingesetzt werden, in transparenten Materialien (transparent für die Strahlungswellenlänge) Schnitte in der Tiefe des Materials, d.h. unterhalb der Oberfläche, zu erzeugen. Bei den hier in Rede stehenden kurzen Pulsdauern im Bereich von Piko-, Femto- oder Attosekunden konzentrieren sich die für die Materialtrennung (Disruption) verantwortlichen nicht-linearen Wechselwirkungsprozesse zwischen Laserstrahlung und Material überwiegend auf den Bereich des Strahlfokus, sodass eine hohe Schnittgenauigkeit bei gleichzeitig geringer Ausdehnung der Zone unerwünschter Kollateralschäden erzielt werden kann. Insbesondere bei medizinischen Anwendungen, z.B. in der laserbasierten Augenchirurgie, ist die mit den ultrakurzen Pulsdauern einhergehende vergleichsweise geringe Energiedichte, die zur Erzielung der gewünschten Wechselwirkung zwischen Strahlung und Gewebe erforderlich ist, von großem Vorteil.
  • Ultrakurzpulsige Laser, insbesondere solche, die „schlüsselfertig“ von einem Laserhersteller an Kunden ausgeliefert werden, sind hochgradig komplexe Systeme, die in der Regel eine ständige Überwachung und Regelung der Pulsparameter verlangen, um die Wirksamkeit der Materialbearbeitung auf einem gewünschten Niveau zu halten. Bei Laserapplikationen mit ultrakurzpulsiger Strahlung beruht die Wechselwirkung zwischen der Strahlung und der Materie vorranging auf nicht-linearen Prozessen, die eine bestimmte Intensität und Energiedichte erfordern. Dies kann durch starke Fokussierung der Strahlungspulse erzielt werden, mit dem Ergebnis, dass in dem zu bearbeitenden Material in einem äußerst kleinen Volumen eine sehr hohe Spitzenintensität (z.B. mehr als 10 TW/cm2) und Energiedichte (z.B. mehr als 500 J/cm3) auftreten kann.
  • Sobald ein optimaler Satz von Pulsparametern für ein konkret zu bearbeitendes Material ermittelt worden ist, ist es für eine gleichmäßige Bearbeitung oftmals erforderlich, die Pulseigenschaften in einem bestimmten Bereich zu halten (nicht zu niedrig und nicht zu hoch), um die erwünschten primären Wechselwirkungseffekte und etwaige unerwünschte, möglicherweise schädliche sekundäre Effekte in einer Balance zu halten. Grundsätzlich kann man bei der Überwachung der Strahlqualität eines Laserstrahls zwei Herangehensweisen unterscheiden: Die sequentielle Methode und die gleichzeitige Methode. Bei der sequentiellen Methode erfolgt die Untersuchung zeitlich vor der eigentlichen Materialbearbeitung in einem gesonderten vorgeschalteten Untersuchungsschritt, bei dem z.B. Probenstücke testweise bearbeitet werden oder bestimmte Strahlparameter direkt am Ort des Strahlfokus gemessen werden. Bei der gleichzeitigen Methode hingegen erfolgt die Strahluntersuchung während der eigentlichen Materialbearbeitung. Man kann die beiden Methoden auch als Offline-Verfahren (sequentiell) und Inline-Verfahren (gleichzeitig) bezeichnen. Bei der Materialbearbeitung mittels ultrakurzpulsiger Laserstrahlung ist eine von Puls zu Puls stabile Spitzenintensität im Zielgebiet ein Schlüsselparameter für eine zuverlässige und wirksame Bearbeitung. Bei derartigen Applikationen ist deshalb eine Inline-Überwachung der Spitzenintensität wünschenswert.
  • Aus der WO 2011/060707 A1 ist eine Inline-Methode zur Überwachung der Qualität eines Laserstrahls bekannt. Dabei wird aus dem für die Materialbearbeitung genutzten Laserstrahl ein Teil ausgekoppelt und auf einen nicht-linearen Kristall fokussiert, in welchem durch nicht-resonante Frequenzmischung die zweite Harmonische der Grundwellenlänge des Laserstrahls erzeugt wird. Die Konversionseffizienz der Frequenzverdopplung steht in einem direkten Verhältnis zur Spitzenintensität der auf den Kristall applizierten Laserpulse und hängt folglich von der Spitzenintensität der Pulse des (Haupt-)Laserstrahls ab. Leistungsänderungen der zweiten Harmonischen können - soweit andere Einflussfaktoren ausgeschlossen werden können - demnach auf eine Änderung der Strahlqualität und/oder der Pulsdauer zurückgeführt werden.
  • Übersicht über die Offenbarung
  • Die vorliegende Offenbarung ermöglicht demgegenüber eine Inline-Überwachung eines Laserstrahls nicht durch Erzeugung einer höheren Harmonischen aus der Grundwellenlänge des Laserstrahls, sondern durch Leistungsmessungen auf Grundlage der Ein-Photonen-Absorption und der Zwei-Photonen-Absorption. Dementsprechend ist gemäß bestimmter Ausführungsformen eine Laservorrichtung zur Materialbearbeitung vorgesehen, umfassend eine Quelle eines gepulsten Laserstrahls, ein Detektorsystem zur Photodetektion einer Mehrzahl aus dem Laserstrahl durch Strahlungsauskopplung generierter Teilstrahlen und Bereitstellung entsprechender Detektionssignale, und eine mit dem Detektorsystem gekoppelte Auswerteeinheit zur Auswertung der Detektionssignale, wobei ein erstes der Detektionssignale auf Ein-Photonen-Absorption beruht und ein zweites der Detektionssignale auf Zwei-Photonen-Absorption beruht. Die Zwei-Photonen-Absorption beruht auf dem Vorgang, dass ein Molekül von einem Grundzustand in einen angeregten Zustand übergeht, wenn das Molekül gleichzeitig zwei Photonen absorbiert. Ein auf dem Prinzip der Zwei-Photonen-Absorption arbeitender Detektor weist eine geeignet gewählte Bandlücke zwischen dem Grundzustand und dem angeregten Zustand auf, sodass er für eine gegebene Wellenlänge der Laserstrahlung nur dann ein Detektionssignal ausgibt, wenn Zwei-Photonen-Absorptionsereignisse auftreten. Im Unterschied hierzu genügt bei der Ein-Photonen-Absorption ein einzelnes Photon, um einen Übergang eines Moleküls in einen angeregten Zustand zu bewirken.
  • Zeitlich gemittelt ist das erste Detektionssignal (d.h. das auf Ein-Photonen-Absorption beruhende Detektionssignal) proportional zur mittleren Leistung der Laserstrahlung, die mit der mittleren Pulsenergie über die Formel EPuls = Pave/frep verknüpft ist, wobei Pave die mittlere Leistung bezeichnet, frep die Pulsrepetitionsrate bezeichnet und EPuls die Pulsenergie bezeichnet. Demgegenüber ist das zweite Detektionssignal (das auf Zwei-Photonen-Absorption beruht) bei zeitlicher Mittelung proportional zu dem Produkt aus mittlerer Leistung und Spitzenintensität auf der Detektorfläche, wobei die Spitzenintensität ihrerseits proportional zum Quotienten aus mittlerer Leistung und dem Produkt aus Pulsrepetitionsrate frep, Pulsdauer τPuls und Spotgröße, also Größe des Laserstrahls auf der Detektorfläche, ASpot ist. Damit gilt für den Quotienten aus zweitem Detektionssignal und erstem Detektionssignal folgender Zusammenhang: S Zpd /S Epd = c ∗ ( P ave ) / ( A Spot ∗ τ Puls ∗ f rep )
    Figure DE102017002434A1_0001
    wobei SZpd den zeitlichen Mittelwert des auf der Detektion von Zwei-Photonen-Absorptionsereignissen beruhenden zweiten Detektionssignals bezeichnet, SEpd den zeitlichen Mittelwert des auf der Detektion von Ein-Photonen-Absorptionsereignissen beruhenden ersten Detektionssignals bezeichnet und c eine Proportionalitätskonstante bezeichnet. Nachdem der Term (Pave) /(ASpot * τPuls * frep) proportional zur Spitzenintensität ist, ergibt sich für den Quotienten aus SZpd und SEpd eine Proportionalität zur Spitzenintensität der Laserstrahlung. Unter der Annahme einer konstanten Repetitionsrate frep und einer konstanten mittleren Leistung Pave können demnach Änderungen des Quotienten aus SZpd und SEpd auf Änderungen der Pulsdauer τPuls oder/und der Sportgröße ASpot zurückgeführt werden, wobei letztere ein Maß für die Fokussierbarkeit darstellt.
  • Angesichts vorstehender Zusammenhänge ist bei bestimmten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Laservorrichtung vorgesehen, dass die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, gemessene Werte des ersten und des zweiten Detektionssignals in ein Verhältnis zueinander zu setzen und insbesondere einen gemessenen Wert des zweiten Detektionssignals durch einen gemessenen Wert des ersten Detektionssignals zu teilen.
  • Besonders bei der Inline-Überwachung der Strahlqualität ist es erstrebenswert, rasch Gegenmaßnahmen einleiten zu können, wenn festgestellt wird, dass die Strahlqualität nicht den gewünschten Anforderungen entspricht. Dementsprechend ist bei bestimmten Ausführungsformen vorgesehen, dass die Auswerteeinheit Teil einer Steuereinheit ist, welche dazu eingerichtet ist, mindestens eine vorbestimmte Reaktion abhängig davon zu bewirken, dass ein durch gemessene Werte des ersten und des zweiten Detektionssignals bestimmter Ist-Zustand in vorbestimmter Weise von einem Soll-Zustand abweicht.
  • Die vorbestimmte Reaktion kann beispielsweise eine Betriebsabschaltung der Quelle oder/und die Ausgabe einer Meldung umfassen. Alternativ oder zusätzlich kann die vorbestimmte Reaktion eine Steuerung einer die Pulsdauer des Laserstrahls beeinflussenden Komponente der Laservorrichtung, insbesondere eines steuerbaren Pulskompressors, durch die Steuereinheit umfassen. Eine weitere mögliche Reaktion besteht in einer Steuerung einer die Wellenfront des Laserstrahls beeinflussenden Komponente der Laservorrichtung, insbesondere einer steuerbaren Wellenplattenanordnung, durch die Steuereinheit.
  • Bei bestimmten Ausführungsformen umfasst die Laservorrichtung ferner eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Objekt sowie eine Fokussteuereinrichtung zur räumlichen Steuerung der Fokusposition eines Laserstrahls, wobei die Fokussteuereinrichtung mindestens ein im Strahlweg des Laserstrahls zwischen Quelle und Fokussieroptik angeordnetes Transversal-Steuerelement zur räumlich-transversalen Steuerung der Fokusposition umfasst. Eine Auskoppelstelle, an welcher aus dem Laserstrahl Strahlung für mindestens einen der Teilstrahlen ausgekoppelt wird, ist dabei im Strahlweg des (Haupt-)Laserstrahls zwischen der Quelle und dem mindestens einem Transversal-Steuerelement angeordnet.
  • Im Strahlweg des Laserstrahls kann gemäß bestimmter Ausführungsformen zwischen der Quelle und dem mindestens einen Transversal-Steuerelement eine Strahlaufweitungsoptik angeordnet sein. Die Auskoppelstelle kann dabei im Strahlweg des Laserstrahls zwischen der Quelle und der Strahlaufweitungsoptik angeordnet sein.
  • Für eine hohe Empfindlichkeit eines nach dem Prinzip der Zwei-Photonen-Absorption wirkenden Detektorelements des Detektorsystems empfiehlt sich der Einsatz einer Fokussierlinse zur Fokussierung eines der Teilstrahlen auf dieses Detektorelement.
  • Kurzbeschreibung der Zeichnung
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten einzigen Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in ihrer 1 schematisch ein Ausführungsbeispiel einer Laservorrichtung für die Materialbearbeitung.
  • Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen
  • Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Figur 1 näher erläutert. Diese zeigt eine allgemein mit 10 bezeichnete Vorrichtung zur lasergestützten Materialbearbeitung. Im gezeigten Beispielfall dient die Laservorrichtung 10 zur Laserbearbeitung eines humanen Auges 12 und dort beispielsweise zur Erzeugung intrakornealer Gewebeschnitte. Grundsätzlich ist die vorliegende Offenbarung jedoch nicht auf den Einsatz der Laservorrichtung 10 in der lasergestützten Augenchirurgie beschränkt. Stattdessen kann die Laservorrichtung 10 auch zur insbesondere schneidenden Laserbearbeitung anderen biologischen Gewebes sowie von nicht-biologischer Materie eingesetzt werden.
  • Die Laservorrichtung 10 umfasst eine Laserquelle 14, welche einen gepulsten Laserstrahl 16 mit Pulsdauern im Piko-, Femto- oder Attosekundenbereich erzeugt. Ferner umfasst die Laservorrichtung 10 eine Fokussieroptik 18, die beispielsweise von einem F-Theta-Objektiv gebildet ist. Die Fokussieroptik 18 fokussiert den Laserstrahl 16 auf das zu bearbeitende Objekt, hier das Auge 12. Im Strahlengang zwischen der Laserquelle 14 und der Fokussieroptik 18 sind zudem eine Strahlaufweitungsoptik (Beam Expander) 20 sowie ein Scanner 22 angeordnet. Die Strahlaufweitungsoptik 20 bewirkt eine Aufweitung des Strahlquerschnitts des Laserstrahls 16, beispielsweise mittels einer Linsenanordnung nach Art eines Galilei-Teleskops. Der Scanner 22 dient der transversalen und longitudinalen Steuerung der Fokusposition des Laserstrahls 16. Zur transversalen Ablenkung kann der Scanner 22 beispielsweise ein galvanometrisch gesteuertes Paar von Kippspiegeln oder einen elektrisch gesteuerten Ablenkkristall umfassen. Für die longitudinale Fokussteuerung kann der Scanner 22 beispielsweise ein die Divergenz des Laserstrahls 16 beeinflussendes optisches Element umfassen, etwa eine in Strahlausbreitungsrichtung längsverschiebliche Linse oder eine Flüssiglinse variabler Brechkraft oder einen deformierbaren Spiegel. Wenngleich der Scanner 22 in 1 als einzelner Funktionsblock dargestellt ist, ist zu verstehen, dass die für die transversale Fokussteuerung und die longitudinale Fokussteuerung des Laserstrahls 16 verantwortlichen Komponenten des Scanners 22 an unterschiedlichen Stellen entlang des Strahlengangs des Laserstrahls 16 angeordnet sein können. Beispielsweise kann ein Longitudinal-Steuerelement des Scanners 22 von einer Linse gebildet sein, die in der Strahlaufweitungsoptik 20 enthalten ist, während ein oder mehrere Transversal-Steuerelemente (z.B. Scanner-Spiegel) im Strahlengang nach der Strahlaufweitungsoptik 20 angeordnet sein können. Der Scanner 22 kann dementsprechend von einer verteilten Anordnung verschiedener Scan-Komponenten gebildet sein.
  • Zur Steuerung der Laserquelle 14 und des Scanners 22 ist eine prozessorgestützte Steuereinheit 24 vorgesehen, welche nach Maßgabe eines in einem Speicher 26 gespeicherten Steuerprogramms arbeitet. Das Steuerprogramm enthält geeignete Steuerparameter (beispielsweise in Form von Koordinaten für die einzelnen Schusspositionen der Laserpulse), welche die zu erzeugende Schnittgeometrie festlegen.
  • Für die Erzeugung feiner und präziser Schnitte mittels des Laserstrahls 16 ist eine hohe räumliche und zeitliche Strahlqualität desselben wünschenswert. Zur Echtzeit-Überwachung der Strahlqualität des Laserstrahls 16 (Inline-Monitoring) weist die Laservorrichtung 10 Mittel auf, um zwei Teilstrahlen 16', 16" aus dem Laserstrahl 16 zu erzeugen. Hierzu umfasst die Laservorrichtung 10 Mittel, um einen Teil der Strahlung des Laserstrahls 16 auszukoppeln. Diese Mittel sind in Strahlausbreitungsrichtung vor den für die Transversal-Fokussteuerung verantwortlichen Komponenten des Scanners 22 und im gezeigten Beispielfall auch vor der Strahlaufweitungsoptik 20 angeordnet und umfassen im Ausführungsbeispiel der 1 zwei im Strahlengang des Laserstrahls 16 hintereinander angeordnete halbdurchlässige Teilerspiegel 28, 30. Jeder der Teilerspiegel 28, 30 koppelt je einen der Teilstrahlen 16', 16" aus dem Laserstrahl 16 aus. Bei einer abgewandelten Ausführungsform wird aus dem Laserstrahl 16 zunächst nur ein einziger Teilstrahl ausgekoppelt, der sodann in die beiden Teilstrahlen 16', 16" aufgespalten wird.
  • Im Ausbreitungsweg des ersten Teilstrahls 16' ist ein erstes Detektorelement 32 angeordnet und im Ausbreitungsweg des zweiten Teilstrahls 16" ist ein zweites Detektorelement 34 angeordnet. Das Detektorelement 32 arbeitet nach dem Prinzip der Ein-Photonen-Absorption, während das Detektorelement 34 nach dem Prinzip der Zwei-Photonen-Absorption arbeitet. Das von dem ersten Detektorelement 32 abgegebene Detektionssignal ist ein Maß für die sich als Produkt der Pulsrepetitionsrate und der Pulsenergie der Strahlungspulse des Teilstrahls 16' berechnende mittlere Leistung des Teilstrahls 16' und ist dementsprechend auch proportional zur mittleren Leistung des (Haupt-)Laserstrahls 16. Das von dem zweiten Detektionselement 34 gelieferte Detektionssignal ist demgegenüber ein Maß für das Produkt aus mittlerer Leistung und Spitzenintensität des zweiten Teilstrahls 16" und dementsprechend auch ein Maß für das entsprechende Produkt des (Haupt-)Laserstrahls 16. Zur Erhöhung der Wahrscheinlichkeit der Zwei-Photonen-Absorptionsereignisse ist im Strahlengang des zweiten Teilstrahls 16" vor dem Detektionselement 34 eine beispielsweise kurzbrennweitige Fokussierlinse 36 (z.B. Brennweite ≈ 20 mm) angeordnet, welche den Teilstrahl 16" auf die Detektionsfläche des Detektionselements 34 fokussiert. Es bedarf keiner besonderen Erläuterung, dass die Fokussierlinse 36 statt von einer Einzellinse von einer Linsengruppe gebildet sein kann.
  • Die Detektionssignale der beiden Detektionselemente 32, 34 werden in der Steuereinheit 24 zusammengeführt und ausgewertet. Speziell berechnet die Steuereinheit 24 einen Quotienten der Detektionssignale der beiden Detektionselemente 32, 34 gemäß folgendem mathematischen Zusammenhang: S Zpd /S Epd = c ∗ ( P ave ) / ( A Spot ∗ τ Puls ∗ f rep )
    Figure DE102017002434A1_0002
    wobei SZpd den zeitlich gemittelten Wert des von dem Detektionselement 34 gelieferten Detektionssignals bezeichnet, SEpd den zeitlich gemittelten Wert des von dem Detektionselement 32 gelieferten Detektionssignals bezeichnet, Pave die mittlere Strahlungsleistung des Laserstrahls 16 bezeichnet, ASpot die Spotgröße des Teilstrahls 16" auf der Detektionsfläche des Detektionselements 34 bezeichnet, τPuls die Pulsdauer bezeichnet, frep die Pulswiederholrate bezeichnet und c eine Proportionalitätskonstante bezeichnet. Unter der Annahme einer konstanten Pulsrepetitionsrate frep und einer konstanten mittleren Leistung Pave können daher Schwankungen des Verhältnisses SZpd/SEpd auf Schwankungen der Pulsdauer τPuls oder/und der Spotgröße ASpot zurückgeführt werden.
  • Das obige Verhältnis von SZpd zu SEpd wird von der Steuereinheit 24 mindestens einmal und vorzugsweise wiederholt, beispielsweise in regelmäßigen zeitlichen Abständen oder im Wesentlichen kontinuierlich, während einer Emission des Laserstrahls 16 berechnet. Eine solche Emission findet als Teil der eigentlichen Bearbeitungsprozedur statt, in welcher das Auge 12 mit dem Laserstrahl 16 bearbeitet wird. Eine Emission des Laserstrahls 16 kann auch in einer zeitlich vorgeschalteten Testprozedur stattfinden, bei welcher die Laservorrichtung 10 zu Testzwecken in Betrieb genommen wird. Der durch den Quotienten aus SZpd und SEpd repräsentierte Ist-Zustand der Laservorrichtung 10 wird von der Steuereinheit 24 mit einem Soll-Zustand verglichen. Sobald die Steuereinheit 24 feststellt, dass der Ist-Zustand in bestimmter Weise von dem Soll-Zustand abweicht, initiiert sie eine vorbestimmte Reaktion. Diese Reaktion kann beispielsweise eine Abschaltung der Laserquelle 14 umfassen, sodass die Emission des Laserstrahls 16 unterbrochen wird. Alternativ oder zusätzlich kann die Reaktion eine Ausgabe einer optischen oder/und akustischen Meldung umfassen. Die Meldung kann beispielsweise in textlicher oder grafischer Form auf einem Monitor angezeigt werden oder es kann eine Signalleuchte angehen. Auch ein akustischer Warnton ist als Teil der Meldung vorstellbar. Statt einer Betriebsunterbrechung der Laserquelle 14 ist es vorstellbar, dass die Steuereinheit 24 eine geeignete Korrekturmaßnahme veranlasst, mittels derer der Ist-Zustand im Rahmen einer Regelschleife wieder näher dem Soll-Zustand angenähert werden kann. Eine mögliche Korrekturmaßnahme besteht in der Steuerung (durch die Steuereinheit 24) einer geeigneten steuerbaren Komponente, mittels welcher die Pulsdauer der Strahlungspulse des Laserstrahls 16 beeinflussbar ist. Eine solche Komponente ist beispielsweise ein Pulskompressor 38, der in der Laserquelle 14 als Teil eines einem Laserresonator nachgeschalteten Verstärkers enthalten sein kann. Zur Erzeugung hoher Pulsintensitäten werden oftmals Verstärker eingesetzt, die nach dem Prinzip Chirped Pulse Amplification arbeiten. Hierbei werden die von dem Resonator erzeugten Pulse zunächst räumlich gestreckt, bevor sie nach Durchlaufen eines Verstärkermediums wieder komprimiert werden. Durch geeignete Steuerung eines für diese Komprimierung eingesetzten Pulskompressors kann die Steuereinheit 24 demnach versuchen, Abweichungen zwischen dem gemessenen Wert des Verhältnisses von SZpd und SEpd und einem gewünschten Soll-Wert oder Soll-Bereich zu reduzieren.
  • Eine andere mögliche Korrekturmaßnahme, die alternativ oder zusätzlich zu der erläuterten Beeinflussung der Pulsdauer eingesetzt werden kann, besteht in der Steuerung (durch die Steuereinheit 24) einer geeigneten Komponente zur Beeinflussung der Wellenfront des Laserstrahls 16. Bei dieser Komponente kann es sich beispielsweise um eine in der Laserquelle 14 innerhalb oder außerhalb des Laserresonators in den Strahlweg einschiebbare Wellenplatte oder eine Anordnung mehrerer solcher Wellenplatten handeln. Durch Modifikation der Wellenfront des Laserstrahls 16 kann die Fokussierbarkeit und damit der von dem fokussierten Teilstrahl 16" bestrahlte Teil der Detektionsfläche des Detektionselements 34 (d.h. Spotgröße ASpot) beeinflusst werden.
  • Der Soll-Zustand ist beispielsweise von einem Referenzwert des Quotienten SZpd/SEpd gegeben, der in dem Speicher 26 hinterlegt sein kann und im Emissionsbetrieb der Laservorrichtung 10 auf Abweichungen von einem aktuellen Wert des Quotienten SZpd/SEpd überwacht wird. Sofern das Detektionssignal des Detektionselements 34 (Zwei-Photonen-Detektor) mit hinreichender Genauigkeit quadratisch von der mittleren Leistung des Teilstrahls 16" und dementsprechend des Laserstrahls 16 abhängt, kann es genügen, für eine gegebene Pulswiederholrate frep einen einzigen Referenzwert für den Proportionalitätsfaktor zwischen SZpd und SEpd in dem Speicher 26 zu hinterlegen. Sobald im Emissionsbetrieb der Laservorrichtung 10 der aktuelle Wert des Quotienten SZpd/SEpd einen definierten Toleranzbereich um den hinterlegten Referenzwert verlässt, veranlasst die Steuereinheit 24 mindestens eine der erläuterten Reaktionen. Vor allem dann, wenn das Detektionssignal des Detektionselements 34 nicht mit der gewünschten Exaktheit eine quadratische Abhängigkeit von der mittleren Laserstrahlleistung zeigt, ist es denkbar, statt eines für alle Leistungswerte geltenden einzelnen Referenzwerts eine Referenzkennlinie über den gesamten Leistungsbereich der Laservorrichtung 10 aufzunehmen und in dem Speicher 26 zu hinterlegen. Diese Kennlinie gibt für verschiedene Werte der mittleren Strahlungsleistung der Laservorrichtung 10 jeweils einen zugeordneten Referenzwert für den Quotienten SZpd/SEpd an. Die Kennlinie kann beispielsweise in tabellarischer Form erstellt werden oder durch eine mathematische Formel dargestellt werden (z.B. eine Taylor-Reihe mit mindestens drei Ordnungen). Im Emissionsbetrieb der Laservorrichtung 10 wird dann die Einhaltung der Referenzkennlinie entweder auf Basis der hinterlegten Tabelle (gegebenenfalls mit Interpolation zwischen den in der Tabelle enthaltenen Wertepaaren) oder auf Basis der Formel fortlaufend überwacht, je nachdem, in welcher Form die Kennlinie in dem Speicher 26 abgespeichert ist. Auch bei der Nutzung einer Referenzkennlinie als Repräsentation des Soll-Zustands kann ein Toleranzbereich festgelegt sein, der über die gesamte Kennlinie gleich groß sein kann oder gegebenenfalls in unterschiedlichen Teilen der Kennlinie unterschiedlich groß sein kann.
  • Die Messwerte für die Detektionssignale der Detektionselemente 32, 34 oder/und die berechneten Werte des Quotienten SZpd/SEpd werden bei bestimmten Ausführungsformen von der Steuereinheit 24 fortlaufend in dem Speicher 26 gespeichert. Alternativ oder zusätzlich werden sie fortlaufend auf einem Computerbildschirm angezeigt (in 1 nicht dargestellt), sodass der Operateur eine unmittelbare Information über die Strahlqualität des Laserstrahls 16 während der Laserprozedur erhält.
  • Gemäß einer möglichen Weiterbildung kann mindestens eines der Detektionselemente 32, 34 als positionsempfindlicher Detektor ausgebildet sein, dessen Detektionssignal aus einer Mehrzahl von Teilsignalen zusammengesetzt ist, auf deren Grundlage die Steuereinheit die Position des betreffenden Teilstrahls 16' oder 16" auf der Detektionsfläche des Detektors berechnen kann. Solche Sensoren, welche die ein- oder zweidimensionale Position eines Lichtpunkts erfassen können, sind in der Fachwelt allgemein geläufig; auf eine nähere Erläuterung kann deshalb verzichtet werden. Durch Positionsbestimmung des Teilstrahls 16' oder 16" kann die Steuereinheit 24 mögliche Schwankungen der Strahlrichtung des Laserstrahls 16 erkennen und eine geeignete Reaktion veranlassen, falls die detektierten Schwankungen einen bestimmten zulässigen Schwankungsbereich überschreiten. Als Reaktion kommen insbesondere geeignete Gegenmaßnahmen in Frage, um die Richtungsschwankungen des Laserstrahls 16 zu vermindern. Diesbezüglich ist es vorstellbar, dass die Steuereinheit 24 die für die transversale Positionssteuerung des Strahlfokus des Laserstrahls 16 verantwortlichen Komponenten des Scanners 22 (z.B. ein Paar Kippspiegel) mit entsprechend korrigierten Steuerwerten versorgt, sodass die vor der Strahlaufweitungsoptik 20 beobachtbaren Richtungsschwankungen des Laserstrahls 16 nach dem Scanner 22 reduziert oder sogar weitestgehend verschwunden sind.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einer Korrektur von Richtungsschwankungen des Laserstrahls 16 kann die Steuereinheit detektierte Richtungsschwankungen in einer für den Anwender der Laservorrichtung 10 verständlichen Art und Weise auf einem Computerbildschirm anzeigen oder/und in dem Speicher 26 archivieren.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • WO 2011/060707 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Laservorrichtung zur Materialbearbeitung, umfassend - eine Quelle eines gepulsten Laserstrahls, - ein Detektorsystem zur Photodetektion einer Mehrzahl aus dem Laserstrahl durch Strahlungsauskopplung generierter Teilstrahlen und Bereitstellung entsprechender Detektionssignale, und - eine mit dem Detektorsystem gekoppelte Auswerteeinheit zur Auswertung der Detektionssignale, wobei ein erstes der Detektionssignale auf Ein-Photonen-Absorption beruht und ein zweites der Detektionssignale auf Zwei-Photonen-Absorption beruht.
  2. Laservorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, gemessene Werte des ersten und des zweiten Detektionssignals in ein Verhältnis zueinander zu setzen.
  3. Laservorrichtung nach Anspruch 2, wobei die Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, einen gemessenen Wert des zweiten Detektionssignals durch einen gemessenen Wert des ersten Detektionssignals zu teilen.
  4. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Auswerteeinheit Teil einer Steuereinheit ist, welche dazu eingerichtet ist, mindestens eine vorbestimmte Reaktion abhängig davon zu bewirken, dass ein durch gemessene Werte des ersten und des zweiten Detektionssignals bestimmter Ist-Zustand in vorbestimmter Weise von einem Soll-Zustand abweicht.
  5. Laservorrichtung nach Anspruch 4, wobei die mindestens eine vorbestimmte Reaktion eine Betriebsabschaltung der Quelle oder/und die Ausgabe einer Meldung umfasst.
  6. Laservorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, wobei die mindestens eine vorbestimmte Reaktion eine Steuerung einer die Pulsdauer des Laserstrahls beeinflussenden Komponente der Laservorrichtung, insbesondere eines steuerbaren Pulskompressors, durch die Steuereinheit umfasst.
  7. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei die mindestens eine vorbestimmte Reaktion eine Steuerung einer die Wellenfront des Laserstrahls beeinflussenden Komponente der Laservorrichtung, insbesondere einer steuerbaren Wellenplattenanordnung, durch die Steuereinheit umfasst.
  8. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner umfassend: - eine Fokussieroptik zur Fokussierung des Laserstrahls auf ein zu bearbeitendes Objekt, und - eine Fokussteuereinrichtung zur räumlichen Steuerung einer Fokusposition des Laserstrahls, wobei die Fokussteuereinrichtung mindestens ein im Strahlweg des Laserstrahls zwischen Quelle und Fokussieroptik angeordnetes Transversal-Steuerelement zur räumlich-transversalen Steuerung der Fokusposition umfasst, wobei eine Auskoppelstelle, an welcher aus dem Laserstrahl Strahlung für mindestens einen der Teilstrahlen ausgekoppelt wird, im Strahlweg des Laserstrahls zwischen der Quelle und dem mindestens einen Transversal-Steuerelement angeordnet ist.
  9. Laservorrichtung nach Anspruch 8, ferner umfassend: - eine im Strahlweg des Laserstrahls zwischen der Quelle und dem mindestens einen Transversal-Steuerelement angeordnete Strahlaufweitungsoptik, wobei die Auskoppelstelle im Strahlweg des Laserstrahls zwischen der Quelle und der Strahlaufweitungsoptik angeordnet ist.
  10. Laservorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, ferner umfassend: - eine Fokussierlinse zur Fokussierung eines der Teilstrahlen auf ein nach dem Prinzip der Zwei-Photonen-Absorption wirkendes Detektorelement des Detektorsystems.
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