DE102018101554A1

DE102018101554A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem, und Laserbearbeitungssystem

Info

Publication number: DE102018101554A1
Application number: DE102018101554.2A
Authority: DE
Inventors: Rüdiger Moser; Martin Schönleber
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec GmbH and Co KG
Priority date: 2018-01-24
Filing date: 2018-01-24
Publication date: 2019-07-25
Anticipated expiration: 2038-01-25
Also published as: US11079218B2; CA3088581C; US20190226832A1; CA3088581A1; EP3743153A1; WO2019145107A1; CN111818963A; DE102018101554B4

Abstract

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung (500) zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem (100). Die Vorrichtung (500) umfasst eine Lichtquelle (510), die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück (1) eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrichtung (520), die zum Erfassen eines vom Werkstück (1) reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist, wenigstens einen optischen Verstärker (530), der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist.

Description

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere zum Bestimmen einer Tiefe einer Dampfkapillare (keyhole) beim Laserschweißen, und betrifft ein Laserbearbeitungssystem, wie ein System zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie etwa einen Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden oder Laserschweißen. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere einen Laserschweißkopf mit einem optischen Kohärenztomographen.
Stand der Technik
Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laserschweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlführungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Standardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fokussierungsoptik verwendet, wobei das Laserlicht über eine Lichtleitfaser, auch als Laserquelle bezeichnet, zugeführt wird. Das Laserlicht tritt in einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Laser, z.B. in einem Laserbearbeitungskopf, durch eine Vielzahl von optischen Elementen, wie z.B. Linsen, hindurch.
Bei einem Lasertiefschweißprozess entsteht während eines Schweißvorgangs entlang der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls eine Dampfkapillare, die auch „Keyhole“ genannt wird und die von flüssiger Schmelze umgeben ist. Die Tiefe der Dampfkapillare steht in Zusammenhang mit der Einschweißtiefe, also der Tiefe, bis zu der das Metall während des Schweißprozesses aufgeschmolzen wurde. Diese Tiefe ist von großem Interesse: Einerseits enthält sie Informationen über die Festigkeit der Schweißverbindung (also ob ausreichend tief eingeschweißt ist), andererseits kann über die Kenntnis der Tiefe sichergestellt werden, dass die Schweißnaht an der Unterseite nicht sichtbar ist (also keine unerwünschte Durchschweißung). Neben der Messung der Kapillartiefe lässt sich auch die Oberfläche des Werkstücks im Bereich um die Dampfkapillare erfassen (Topographiemessungen). Somit kann beispielsweis die Naht unmittelbar vor dem Schweißprozess gefunden werden, oder unmittelbar nach dem Schweißprozess die Qualität der Nahtoberraupe vermessen werden.
Zur Bestimmung der Tiefe der Dampfkapillare bzw. der Einschweißtiefe kann ein Messstrahl verwendet werden, der in die Dampfkapillare gelenkt wird. Dabei handelt es sich um ein optisches Messverfahren, wobei die Messung auf der Rückreflektion von Licht vom Ende der Dampfkapillare basiert. Da die Dampfkapillare in der Regel einen geringen Durchmesser aufweist und sehr spitz zuläuft, wird das Messlicht in der Dampfkapillare sehr schlecht reflektiert, so dass aus dem Objektarm des Interferometers sehr wenig Licht zurückreflektiert wird. Insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten ist die Dampfkapillare zusätzlich stark gekrümmt.
Offenbarung der Erfindung
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem sowie ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere ein System zur Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie etwa ein Laserbearbeitungskopf oder ein System zum Laserschneiden oder Laserschweißen, bereitzustellen, die eine Abstandsmessung, wie beispielsweise eine Tiefenmessung der Dampfkapillare, sowie eine Topographiemessung im Vor- und/oder Nachlauf mit hoher Präzision erlauben.
Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere für einen Laserschweißkopf oder einen Bearbeitungskopf zum Laserschweißen, angegeben. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrichtung, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist, wenigstens einen optischen Verstärker, der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist. Die Auswerteeinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Tiefe einer bei einem Laserbearbeitungsprozess entstandenen Dampfkapillare zu bestimmen. Die Vorrichtung kann einen optischen Kohärenztomographen, wie z.B. einen Frequenzdomänen-Kohärenztomographen oder einen Fourier-Domänen-Kohärenztomographen, umfassen.
Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegenden Beschreibung.
Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle eine spektral breitbandige Lichtquelle, z.B. wenigstens eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine Superkontinuum-Quelle. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, zur Auswertung Spektraldomänen- Kohärenztomographie (spectral domain OCT) einzusetzen. Alternativ kann eine Monochrom-Lichtquelle mit zeitlich periodisch durchgestimmter Wellenlänge verwendet werden (swept source OCT), vorzugsweise mit einer Nachverstärkung des Primärlichts durch einen halbleiterbasierten Verstärker (semiconductor optical amplifier).
Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker ein Faserverstärker, ein halbleiterbasierter Verstärker, ein Raman-Verstärker, ein optisch parametrischer Verstärker, ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Abstandsmessung eine Aufteilvorrichtung zum Aufteilen des Primärstrahls in eine Vielzahl von Primärstrahlen. Die Aufteilvorrichtung kann mindestens eine Mehrkernfaser und/oder eine Mikrolinsenanordnung umfassen. Vorzugsweise ist die Aufteilvorrichtung dazu eingerichtet, den Primärstrahl, insbesondere den verstärkten Primärstrahl, in eine Vielzahl von Primärstrahlen aufzuteilen. Die Vielzahl von Primärstrahlen kann anschließend auf das Werkstück gerichtet werden, sodass jedenfalls einer der Primärstrahlen trotz Fluktuationen der Dampfkapillare in die Dampfkapillare trifft. Dadurch kann die Anzahl bzw. die Ausbeute der gültigen Messergebnisse für die Ermittlung des Abstands zum Boden der Dampfkapillare erhöht werden. Die Aufteilung in eine Vielzahl von Primärstrahlen kann durch Verwendung einer Mehrkernfaser (multi-core fiber), die mehrere Kanäle aufweist, erfolgen. Alternativ kann der Primärstrahl, insbesondere der verstärkte Primärstrahl, z.B. durch eine Linse, aufgefächert und anschließend durch eine Mikrolinsenanordnung in die Vielzahl von Primärstrahlen gebündelt werden.
Vorzugsweise sind die Lichtquelle und der wenigstens eine optische Verstärker sequentiell angeordnet sind, so dass der Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker geleitet wird. Beispielsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet, so dass der Primärstrahl direkt in den wenigstens einen optischen Verstärker geleitet wird.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker in einem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeordnet. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens einen Zirkulator, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist. Der wenigstens eine Zirkulator kann angeordnet sein, um den Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker zu leiten und den Sekundärstrahl zur Detektionsvorrichtung zu leiten.
Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine Zirkulator einen ersten Zirkulator und einen zweiten Zirkulator, wobei der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator angeordnet ist. Beispielsweise kann zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator ein erster Strahlengang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundärstrahl bereitgestellt sein.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im ersten Strahlengang oder im zweiten Strahlengang angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker und einen zweiten optischen Verstärker, wobei der erste optische Verstärker im ersten Strahlengang und der zweite optische Verstärker im zweiten Strahlengang angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker ein bidirektionaler optischer Verstärker.
Vorzugsweise ist die Vorrichtung ein optischer Kohärenztomograph und umfasst einen Strahlteiler zum Bereitstellen eines Objektarms und eines Referenzarms, wobei der wenigstens eine optische Verstärker in einem Strahlengang des Objektarms angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens einen Zirkulator, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist, wobei der wenigstens eine Zirkulator im Strahlengang des Objektarms angeordnet ist. Beispielsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem wenigstens einen Zirkulator und der Detektionsvorrichtung angeordnet, oder ist zwischen dem Strahlteiler und dem wenigstens einen Zirkulator angeordnet. In einem weiteren Beispiel umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker und einen zweiten optischen Verstärker, wobei der erste optische Verstärker zwischen dem wenigstens einen Zirkulator und der Detektionsvorrichtung angeordnet ist, und wobei der zweite optische Verstärker zwischen dem Strahlteiler und dem wenigstens einen Zirkulator angeordnet ist.
Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im Strahlengang des Sekundärstrahls angeordnet, so dass der Sekundärstrahl zur Detektionsvorrichtung geleitet wird.
Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detektionsvorrichtung und eine zweite Detektionsvorrichtung, wobei die Vorrichtung weiter einen ersten Strahlteiler und einen zweiten Strahlteiler umfasst, wobei der erste Strahlteiler zum Bereitstellen eines Objektarms und eines Referenzarms eingerichtet ist, und wobei der zweite Strahlteiler eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung zu leiten. Beispielsweise kann der zweite Strahlteiler im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet sein, oder kann im Referenzarm angeordnet sein.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Zirkulator, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist, wobei der Zirkulator zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker und dem ersten Strahlteiler angeordnet ist, und wobei der Zirkulator eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung zu leiten.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbearbeitungssystem bzw. ein Laserbearbeitungskopf zum Laserschweißen angegeben. Das Laserbearbeitungssystem bzw. der Laserbearbeitungskopf zum Laserschweißen umfasst die Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen.
Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Verfahren umfasst ein Leiten eines Primärstrahls auf ein Werkstück, ein Leiten eines Sekundärstrahls vom Werkstück zu einer Detektionsvorrichtung, ein optisches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, und ein Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich.
Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils einer Dampfkapillare auf dem Werkstück und/oder einer Topographie des Werkstücks unter Verwendung des vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls.
Erfindungsgemäß ist ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die FD-OCT („Fourier Domain Optical Coherence Tomographie“ oder „optische Kohärenztomographie im Frequenzbereich“) verwendet werden, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren gemessen werden.
Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Die Vorrichtung umfasst eine Superkontinuum-Quelle, die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrichtung, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist. Neben der Verstärkung breitbandiger Lichtquellen können damit auch alternative breitbandige Lichtquellen verwendet werden, die ohne Verstärkung hohe Lichtleistungen emittieren, wie beispielsweise Superkontinuum-Quellen. Diese basieren auf der Ausnutzung von nichtlinearen Effekten in Fasern, die durch kurze und intensive Laserpulse hervorgerufen werden. Hier lassen sich Durchschnittsleistungen im Watt-Bereich bzw. Pulsspitzenleistungen im kW-Bereich erzielen.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargestellt und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks (oben) und eine Draufsicht des Werkstücks (unten) zur Darstellung einer Dampfkapillare und eines Messstrahls beim Schweißen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
2 Abstandswerte (Rohdaten) aus einer Dampfkapillare eines optischen Kohärenztomographen,
3 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
4 die Zunahme gültiger Messwerte aus einer Dampfkapillare mit zunehmender Lichtleistung der Quelle,
5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
7 Möglichkeiten des Einsatzes eines Verstärkers in einer Faser, die sowohl für den Hin- als auch Rücktransport des Lichts verwendet wird,
8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,
9 Alternativen zur Verstärkung im Objektarm,
10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und
11 eine Vorrichtung zur Erfassung einer spektralen Intensitätsverteilung einer Lichtquelle.

Ausführungsformen der Offenbarung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks (oben) und eine Draufsicht des Werkstücks (unten) zur Darstellung einer Dampfkapillare 11 und eines Messstrahls 13 beim Schweißen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. 2 zeigt Abstandswerte (Rohdaten) aus einer Dampfkapillare eines optischen Kohärenztomographen. Die Laserleistung wurde mit zunehmender Zeit linear gesteigert, weshalb die Kapillartiefe zunimmt.
Wie in 1 dargestellt, entsteht beim Lasertiefschweißprozess während eines Schweißvorgangs entlang der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls 10 eine Dampfkapillare 11, die auch Keyhole genannt wird, und die von flüssiger Schmelze 12 umgeben ist. Die Tiefe Td der Dampfkapillare, im Folgenden auch Keyholetiefe genannt, steht in Zusammenhang mit der Schweißnaht- oder Einschweißtiefe Te. In Vorschubrichtung 20 gesehen hinter der flüssigen Schmelze 12 befindet sich die erstarrte Schmelze 14.
Um die Einschweißtiefe bzw. die Tiefe der Dampfkapillare 11 beispielweise während des Schweißprozesses zu bestimmen, kann der Messstrahl 13 eines optischen Kohärenztomographen koaxial mit dem Bearbeitungsstrahl 10 überlagert und in die Öffnung der Dampfkapillare 11 fokussiert werden. Das einfallende Licht trifft auf den Boden bzw. das Ende der Dampfkapillare 11, wird dort teilweise reflektiert und gelangt zurück in den optischen Kohärenztomographen, mit dessen Hilfe die Tiefe Td der Dampfkapillare 11 mit hoher Präzision gemessen werden kann.
Da es sich bei der Kohärenztomographie um ein optisches Messverfahren handelt, basiert die Messung auf der Rückreflektion von Licht vom Ende der Dampfkapillare 11. Da die Dampfkapillare 11 in der Regel einen geringen Durchmesser aufweist und sehr spitz zuläuft, wird das Messlicht in der Dampfkapillare 11 sehr schlecht reflektiert, so dass aus dem Objektarm des Interferometers sehr wenig Licht zurückreflektiert wird. Insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten ist die Dampfkapillare 11 zusätzlich stark gekrümmt.
Ab einer Einschweißtiefe von typischerweise 4-6 mm nimmt die Anzahl gültiger Abstands-Messwerte vom Keyhole-Boden rapide ab (siehe rechter Bereich in 2). Dann ist eine Überwachung/Regelung der Einschweißtiefe mit einem herkömmlichen OCT-Sensor nicht mehr möglich. Typischerweise sind gültige Messdaten in jedem 0.1 mm Intervall des Schweißvorschubs von Vorteil, um eine lückenlose Qualitätssicherung zu erzielen. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von beispielsweise 6 m/min (=100 mm/s) wird dieses Intervall in 1 ms zurückgelegt. Ein typischer Sensor hat eine Messrate von 70 kHz und absolviert demnach in diesem Zeitraum 70 Messungen.
Es gibt verschiedene Ursachen für die geringe Messausbeute bei großer Einschweißtiefe:

1) Bei großer Einschweißtiefe verjüngt sich das Keyhole am Keyholeboden zu einer Röhre von wenigen µm Durchmesser. Selbst bei guter Fokussierung des Messlichts gelangt nur ein Bruchteil des Lichts ungestreift, also mit keinen bzw. wenigen Reflektionen an der Keyholewand, bis zum Keyholeboden.
2) Das Keyhole fluktuiert mit ca. 100-1000 kHz in seiner Position, seiner Breite und Tiefe, sowie in der Geradheit seines Verlaufs. Ein Lichttranssport hin und zurück mit wenigen Reflexionen an der Keyholewand wird immer seltener.
3) Die Änderung der Tiefe des Keyholebodens während eines Belichtungstakts sorgt für eine Verschmierung der Interferenzstreifen, wodurch die Signalstärke reduziert wird.
4) Zum Teil wird die Polarisationsrichtung des Keyhole-Reflexes gedreht, so dass bei linear polarisiertem Input keine Interferenz mit dem Licht aus dem Referenzarm möglich ist.
5) Eine Lichtabsorption am Metalldampf im Keyhole kann erfolgen.
6) Für Messraten im MHz-Bereich, um beispielsweise sequentiell im Vorlauf, im Keyhole und im Nachlauf Messungen durchzuführen, sind höhere Lichtintensitäten aufgrund der deutlich kürzeren Belichtungszeiten erforderlich.

Um die oben genannten Nachteile zu vermeiden ist erfindungsgemäß ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine spektral breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die FD-OCT („Fourier Domain Optical Coherence Tomographie“ oder „optische Kohärenztomographie im Frequenzbereich“) verwendet werden, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren noch gemessen werden. Bei einer spektral breitbandigen Lichtquelle, wie etwa eine Superlumineszenzdiode oder eine Superkontinuum-Quelle, kann optische Frequenzdomänen-Kohärenztomographie, insbesondere optische Spektraldomänen-Kohärenztomographie (spectral domain OCT), zur Messung verwendet werden. Alternativ kann bei einer Monochrom-Lichtquelle mit zeitlich periodisch durchgestimmter Wellenlänge für ein sogenanntes swept source OCT Messverfahren verwendet werden. Hier kann eine Nachverstärkung des Primärlichts z.B. mit einem halbleiterbasierten optischen Faserverstärker (semiconductor optical amplifier) erfolgen.
In einer Ausführungsform kann die Lichtmenge, die in das Keyhole eintritt, durch einen optischen Verstärker um einen Faktor 10 von ca. 50mW auf ca. 500mW erhöht werden. Dadurch gelangt das zehnfache reflektierte Messlicht in eine Detektionsvorrichtung und die Signalstärke von aus dem Keyhole reflektiertem Licht kann um einen Faktor 3,16 erhöht werden. Hier wird angemerkt, dass die Signalstärke proportional zur Wurzel aus dem Produkt der Intensitäten des Referenzlichts und des reflektierten Messlichts sqrt(I_ref* I mess) angenommen werden kann. Damit liegt das Messsignal deutlich über dem Rauschen, der durch das Dunkelrauschen der Detektionsvorrichtung hervorgerufen wird. Wenn das zusätzliche Rauschen im OCT-Messsignal auf Grund von ASE, d.h. von spontan emittierter Strahlung, weniger als um Faktor 3,16 verstärkt wird, kann eine verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio) erzielen.
In einer weiteren Ausführungsform kann der Primärstrahl, d.h. der Messstrahl, zunächst verstärkt und anschließend in eine Vielzahl von Primärstrahlen aufgeteilt werden. Die Vielzahl von Primärstrahlen kann anschließend auf das Werkstück gerichtet werden, sodass jedenfalls einer der Primärstrahlen trotz Fluktuationen der Dampfkapillare genau in die Dampfkapillare trifft. Der Primärstrahl kann durch Verwendung einer Mehrkernfaser (multi-core fiber), die mehrere Kanäle aufweist, in eine Vielzahl von Primärstrahlen aufgeteilt werden. Alternativ kann der verstärkte Primärstrahl z.B. durch eine Linse aufgefächert und anschließend durch eine Mikrolinsenanordnung in eine Vielzahl von Primärstrahlen gebündelt werden. Der Anteil an Messlicht, das in die Dampfkapillare (keyhole) trifft, kann dabei durch einen Strahlteiler, wie etwa einen Twin-Spot Strahlteiler, auf Kosten des Anteils an Messlicht, das auf die Werkstückoberfläche trifft, vergrößert werden.
3 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 101, und insbesondere einen Laserschweißkopf zum Lasertiefschweißen.
Das Laserbearbeitungssystem 100 kann eine Laservorrichtung 110 zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls 10 (auch als „Laserstrahl“ oder „Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst ferner die Vorrichtung 200 zur Abstandsmessung, insbesondere zur Tiefenmessung einer Dampfkapillare beim Laserschweißen, gemäß den hier beschriebenen Ausführungsformen. Der Laserbearbeitungskopf 101 ist eingerichtet, um den Bearbeitungsstrahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks 1 zu lenken. Der Laserbearbeitungskopf 101 kann eine Kollimatorlinse 120 zur Kollimation des Bearbeitungsstrahls 10 aufweisen.
Die Vorrichtung 200 zur Abstandsmessung erzeugt den Primärstrahl, der auf das Werkstück, und insbesondere in das Keyhole, gelenkt wird. Der Primärstrahl kann auch als „Messstrahl“ oder „optischer Messstrahl“ bezeichnet werden. Der beispielsweise vom Keyholeboden reflektierte Teil des Messstrahls wird als „Sekundärstrahl“ bezeichnet.
Die Vorrichtung 200 zur Abstandsmessung umfasst typischerweise eine Kollimator-Optik 210, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 (Primärstrahl) zu kollimieren, eine Ablenk-Optik 220 zum Ablenken des kollimierten optischen Messstrahls 13 von einer optischen Achse, und eine Fokussier-Optik 230, die eingerichtet ist, um den abgelenkten optischen Messstrahl 13 auf das Werkstück 1 zu fokussieren.
In einigen Ausführungsformen können der Bearbeitungsstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 zumindest streckenweise koaxial sein, und können insbesondere zumindest streckenweise koaxial überlagert sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl 13 in einen Strahlengang des Laserbearbeitungskopf 101 einzukoppeln. Die Zusammenführung des optischen Messstrahls 13 und des Bearbeitungsstrahls 10 kann nach der Ablenk-Optik 220 und vor der Fokussier-Optik 230 erfolgen.
In typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, sind die Kollimator-Optik 210, die Ablenk-Optik 220 und die Fokussier-Optik 230 in den Schweißkopf 101 integriert. Beispielsweise kann der Schweißkopf 101 ein Kollimatormodul 102 umfassen, das in den Schweißkopf 101 integriert oder am Schweißkopf 101 montiert ist. Das Kollimatormodul 102 kann die Kollimator-Optik 210 und die Ablenk-Optik 220 umfassen. Die Fokussier-Optik 230 kann eine gemeinsame Fokussier-Optik, wie beispielsweise eine Fokuslinse, für den Bearbeitungsstrahl 10 und den Messstrahl 13 sein.
Das Laserbearbeitungssystem 100 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 101, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrichtung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schneidrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 100, wie beispielsweise des Schweißkopfes 101, bezüglich des Werkstücks 1 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann auch als „Vorschubrichtung“ bezeichnet werden.
In typischen Ausführungsformen basiert die Bestimmung oder Messung der Tiefe der Dampfkapillare in Echtzeit auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Lichts zunutze macht. Insbesondere kann die Vorrichtung 200 ein Kohärenz-Interferometer oder einen optischen Kohärenztomograph umfassen. Die Vorrichtung 200 kann einen Auswerteeinheit 240 und (bzw. mit) eine breitbandige Lichtquelle (z.B. einer Superlumineszenzdiode, SLD) umfassen, die den Primärstrahl in einen Lichtwellenleiter 242 koppelt. In einem Strahlteiler 244, der vorzugsweise einen Faserkoppler aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 246 und einen Objektarm (auch als „Messarm“ bezeichnet) aufgespalten, der über einen Lichtwellenleiter 248 in den Schweißkopf 101 führt. Die Vorrichtung 200 umfasst weiter den optischen Verstärker, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen zu verstärken, so dass auch tiefe Keyholes zuverlässig und präzise gemessen werden können.
Die Kollimator-Optik 210 (auch als „Kollimatormodul“ bezeichnet) dient dazu, das aus dem Lichtwellenleiter 248 austretende Messlicht (Primärstrahl/optischer Messstrahl 13) zu kollimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der optische Messstrahl 13 im Schweißkopf 101 mit dem Bearbeitungsstrahl 10 koaxial überlagert werden kann. Anschließend können der Bearbeitungslaserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch die Fokussier-Optik 230, die eine gemeinsame Linse oder Fokussierlinse sein kann, auf das Werkstück 1 fokussiert werden. Fokuslage und Fokusdurchmesser des optischen Messstrahls 13 können dabei durch die Ablenk-Optik 220 so eingestellt werden, dass das Messlicht in die Dampfkapillare gelenkt wird. Das aus der Dampfkapillare zurückreflektierte Messlicht, also der Sekundärstrahl, wird durch die Fokussier-Optik 230 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellenleiters 248 abgebildet, im Faserkoppler 244 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 246 überlagert und anschließend zurück in die Auswerteeinheit 240 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunterschied zwischen dem Referenzarm 246 und dem Objektarm. Diese Informationen werden in der Auswerteeinheit 240 ausgewertet, wodurch der Benutzer Informationen über den Abstand zwischen Boden der Dampfkapillare und beispielsweise dem Schweißkopf 101 erhält.
Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um mittels des optischen Messstrahls 10 einen Abstand zum Werkstück 1 beispielsweise bezüglich eines durch die Vorrichtung 200 definierten Referenzpunkts zu messen. Insbesondere kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 101 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 bewegt. Hierdurch kann beispielsweise ein Tiefenprofil der Dampfkapillare erstellt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Tiefe der Dampfkapillare kann eine Topographiemessung des Werkstücks 1, beispielsweise der Schweißnaht, erfolgen. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter des Laserbearbeitungskopfs umfassen.
In einigen Ausführungsformen kann eine Topographiemessung im Bereich um die Bearbeitungsposition durchgeführt werden. Hierzu kann der optische Messstrahl 13 lateral verschoben und gleichzeitig Höheninformationen aufgenommen werden. Hierdurch entsteht ein Höhenprofil. Interessante Höhenprofile bei der Laserbearbeitung können beispielswese Topographien im Vorlauf quer zur Vorschubrichtung sein, um beispielsweise eine Stoßgeometrie zu erkennen, die verschweißt werden soll. Weiterhin kann eine quer zur Vorschubrichtung verlaufende Topographie im Nachlauf gemessen werden, um das Höhenprofil der beim Schweißprozess entstehenden Nahtoberraupe zu erfassen.
Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Messstrahl während der Laserbearbeitung in seiner Auftreffposition verlagert werden. Beispielsweise kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um den Messstrahl bezüglich einer Bearbeitungsrichtung 20 des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück 1 vor dem Bearbeitungsstrahl, nach dem Bearbeitungsstrahl, oder am Ort des Bearbeitungsstrahls bereitzustellen. Mögliche Messpositionen umfassen beispielsweise: In Vorschubrichtung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gesehen vor der Bearbeitung, im Bearbeitungsbereich und hinter der Bearbeitung. Weiterhin kann der optische Messstrahl 13 während der Bearbeitung quer und längs zur Vorschubrichtung durch den Auftreffpunkt des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verschoben werden. Somit lassen sich Tiefenprofile der bei der Bearbeitung mit einem hochenergetischen Bearbeitungsstrahl auftretenden Dampfkapillare erstellen.
Wie unter Bezugnahme auf die 1 und 2 erläutert ist, treten bei herkömmlichen Messungen der Keyhole-Tiefe Probleme hinsichtlich einer Fluktuation der Position und Tiefe des Keyholes, einer Enge und Krümmung des Keyholes, einer Depolarisierung des Keyhole-Reflexes, einer Lichtabsorption am Metalldampf, und einer kürzeren Belichtungszeit bei höheren Messraten auf.
Um die vorstehenden Probleme zu lösen ist eine Erhöhung der Lichtmenge vorteilhaft. 4 zeigt die Zunahme gültiger Messwerte aus einer Dampfkapillare mit zunehmender Lichtleistung der Lichtquelle eines FD-OCT Systems. Bei allen Messungen hatte die Dampfkapillare die gleiche Tiefe. In dem dargestellten Leistungsbereich ist ein näherungsweise linearer Zusammenhang zu erkennen. Es kann davon ausgegangen werden, dass mit zunehmender Leistung die Anzahl gültiger Messwerte aus der Dampfkapillare weiter steigt. Im Umkehrschluss können bei höherer Lichtleistung auch tiefere Dampfkapillaren noch gemessen werden, da dann noch eine ausreichende Anzahl gültiger Messwerte zur Verfügung steht.
Bei der Fourier-Domain (Frequenzbereich) Optischen Kohärenztomographie (FD-OCT) können breitbandige Lichtquellen verwendet werden, die eine gewisse spektrale Breite besitzen und dennoch kohärentes Licht aussenden. Hier können beispielsweise Superlumineszenzdioden (SLDs) verwendet werden. Kohärentes Licht ist erforderlich, damit es zu Interferenzeffekten bei der Überlagerung von Licht aus dem Objekt- und Referenzarm des Interferometers kommt. Die spektrale Bandbreite ist erforderlich, um eine ausreichende axiale Auflösung zu erreichen. Diese ist gegeben durch: $Δ z = \frac{2 ln (2) λ_{0}^{2}}{π Δ λ}$
Δz gibt die axiale Auflösung an, λ₀ die zentrale Wellenlänge, und Δλ die volle spektrale Bandbreite bei halber Höhe des Spektrums (FWHM) (Annahme: gaußförmiges Spektrum).
Somit scheiden Laser für die FD-OCT aufgrund der geringen Linienbreite aus. Leuchtdioden (LEDs) und andere breitbandige Lichtquellen besitzen eine zu geringe Kohärenzlänge. Die maximal erreichbare Ausgangsleistung von SLDs ist im Allgemeinen auf einige zehn Milliwatt bzw. wenige 100 Milliwatt begrenzt, abhängig von der Emissionswellenlänge. Würden SLDs mit höheren Strömen betrieben, um größere Ausgangsleistungen zu erreichen, dann würde die SLD in den Laserbetrieb übergehen, wodurch sich die spektrale Bandbreite erheblich reduziert und somit die axiale Auflösung des OCT Systems verloren geht. Somit stehen für die Messung der Einschweißtiefe mit Hilfe von FD-OCT keine leistungsstarken Lichtquellen zur Verfügung, um die großen Verluste, die in der Dampfkapillare auftreten, zu kompensieren.
Das Zusammenführen von Licht aus mehreren Lichtquellen zur Leistungssteigerung, wie es bei LEDs häufig angewendet wird, ist keine Alternative, da nur Licht aus derselben Quelle mit sich selbst interferieren kann. Bei zwei unterschiedlichen SLDs stimmt die Phase der beiden Lichtwellen nicht überein. Ein Anwendungsfeld der optischen Kohärenztomographie ist die Medizintechnik, und hier speziell die Untersuchung des Augeninneren. Um bei der Untersuchung Schäden am Auge zu vermeiden, müssen hier die Lichtleistungen gering sein, so dass in diesem Bereich keine Notwendigkeit besteht, OCT Systeme mit hoher Leistung zu entwickeln. Auch für die reine Topographiemessung sind keine leistungsstarken Lichtquellen erforderlich, da Oberflächen, auch wenn sie stark streuen oder absorbieren, immer noch genügend Licht für eine Abstandsmessung zurückreflektieren. Streulicht einer Oberfläche ist deutlich intensiver als das aus dem Keyhole zurückreflektierte Licht.
Erfindungsgemäß wird das Problem der zu geringen, aus der Dampfkapillare zurückreflektierten Lichtleistung durch das Vorsehen eines zusätzlichen Elements, nämlich des optischen Verstärkers, gelöst. Der optischen Verstärker kann an verschiedenen Positionen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein, um den Primarstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Die Lichtquelle und der optische Verstärker können voneinander getrennte Elemente sein.
Zum einen kann das aus der Lichtquelle ankommende Licht verstärkt werden, so dass mehr Licht in die Dampfkapillare gelenkt wird und folglich auch mehr zurückreflektiert wird. Zum anderen kann das schwache aus der Dampfkapillare zurückreflektierte Licht verstärkt werden, bevor es im Spektrometer spektral aufgespalten wird und auf die Detektorzeile räumlich verteilt wird, wodurch die Lichtleistung pro Detektorpixel weiter sinkt.
Verschiedene Ausführungsformen für die Lichtverstärkung sind im Folgenden erläutert.
5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 500 der 5 erfolgt eine Verstärkung der Lichtquelle.
Die Vorrichtung 500 umfasst eine Lichtquelle 510, die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrichtung 520, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist, wenigstens einen optischen Verstärker 530, der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist. Die Vorrichtung 500 kann ein optischer Kohärenztomograph für den Frequenzbereich (FD-OCT) sein. Die Detektionsvorrichtung 520 und die Auswerteeinheit können in einer Systemkomponente integriert sein. Beispielsweise können die Detektionsvorrichtung 520 und die Auswerteeinheit ein Spektrometer bilden.
Ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem unter Verwendung der Vorrichtung 500 umfasst ein Leiten des Primärstrahls auf das Werkstück, ein Leiten des Sekundärstrahls vom Werkstück zur Detektionsvorrichtung, ein optisches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, und ein Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich. Das Verfahren kann weiter ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils der Dampfkapillare 11 auf dem Werkstück und/oder einer Topographie des Werkstücks unter Verwendung des vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls umfassen.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Lichtquelle 510 eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine Superkontinuum-Quelle umfassen oder sein. Typischerweise kann der wenigstens eine optische Verstärker 530 ein Faserverstärker (DFA, doped fiber amplifier), ein halbleiterbasierter Verstärker (SOA, semiconductor optical amplifier), ein Raman-Verstärker, ein optisch parametrischer Verstärker (OPA, optical parametric amplifier), ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon sein.
Die Lichtquelle 510 und der wenigstens eine optische Verstärker 530 können sequentiell angeordnet sein, so dass der Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker 530 geleitet wird. Beispielsweise kann der wenigstens eine optische Verstärker 530 im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet sein, so dass der Primärstrahl direkt von der Lichtquelle 510 in den wenigstens einen optischen Verstärker 530 geleitet wird. Die Intensität der Lichtquelle 510 kann so angepasst werden, dass der Verstärker 530 im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird und somit ein optimales Signal-zu-Rauschen Verhältnis liefert. Eine Ursache für Rauschen bei einem Verstärker ist eine verstärkte spontane Emission (ASE, amplified spontaneous emission) aufgrund von angeregten Ladungsträgern, die spontan in den Grundzustand übergehen, dabei ein Photon aussenden, welches durch die anderen angeregten Ladungsträger im Verstärkermedium verstärkt wird.
Zur Reduktion der ASE bzw. der Optimierung des Signal-zu-Rauschen Verhältnisses gibt es verschiedene Einstellparameter. Zum einen kann das Verstärkermedium selbst variiert werden. So besitzen Faserverstärker im Vergleich zu halbleiterbasierten Verstärkern oftmals einen langlebigeren angeregten Zustand, weshalb weniger Ladungsträger spontan in den Grundzustand übergehen, wodurch die ASE geringer ausfällt. Weiter kann die Pumpleistung des Verstärkers (bei optisch gepumpten Verstärkern auch die Pumpwellenlänge) beeinflusst werden. Außerdem beeinflusst die in den Verstärker einfallende Lichtleistung aus der zu verstärkenden Lichtquelle die ASE. Zusätzlich kann das Verstärkerdesign auf die jeweilige Anwendung optimiert werden.
Gemäß Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 500 einen Strahlteiler 540 zum Bereitstellen eines Objektarms 550 und eines Referenzarms 560. Der Strahlteiler 540 weist vorzugsweise einen Faserkoppler auf, so dass der Primärstrahl in den Referenzarm 560 und den Objektarm 550, der beispielsweise über einen Lichtwellenleiter in den Schweißkopf führt, aufgespalten wird.
In einigen Ausführungsformen, wie es in der 5(a) dargestellt ist, umfasst die Vorrichtung 500 wenigstens einen Zirkulator 570, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und/oder den Sekundärstrahl eingerichtet ist. Insbesondere kann der Zirkulator 570 zur Trennung der hin- und zurücklaufenden Lichtwelle eingerichtet sein. 5(b) zeigt einen vereinfachten Aufbau der Vorrichtung ohne Zirkulator.
In der vorliegenden Ausführungsform wird sowohl die Lichtleistung im Objekt- als auch im Referenzarm verstärkt. Daher ist es vorteilhaft, dass die Rückreflektion aus dem Referenzarm 560 so gering ist, dass die Detektionsvorrichtung 520, die ein Spektrometer sein kann, nicht übersteuert. Dies kann entweder durch ein angepasstes Koppelverhältnis zwischen Objekt- und Referenzarm erfolgen (weniger Licht in den Referenzarm) oder durch Abschwächung im Referenzarm 560. Im Fall von Faserverstärkern kann die Lichtleistung um mehr als zwei Größenordnungen gesteigert werden.
6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 600 der 6 erfolgt eine Verstärkung in der Faser, die Lichtquelle bzw. Spektrometer und Objekt- bzw. Referenzarm verbindet („common path faser“). 7 zeigt Möglichkeiten des Einsatzes eines Verstärkers in einer Faser, die sowohl für den Hin- als auch Rücktransport des Lichts verwendet wird.
Gemäß Ausführungsformen ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 in einem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeordnet, wie beispielsweise an einer Faser, die Lichtquelle bzw. Spektrometer und Objekt- bzw. Referenzarm verbindet.
Die Vorrichtung 600 kann einen Strahlteiler 540 zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560 umfassen. Typischerweise umfasst die Vorrichtung 600 wenigstens einen Zirkulator 570, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist. Der wenigstens eine optische Verstärker 530 kann zwischen dem Zirkulator 570 und dem Strahlteiler 540 angeordnet sein. Der wenigstens eine Zirkulator 570 kann weiter angeordnet sein, um den Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker 530 zu leiten und um den Sekundärstrahl zur Detektionsvorrichtung 520, wie beispielsweise dem Spektrometer, zu leiten.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchläuft das Licht den Verstärker an dieser Stelle sowohl auf dem Hin- als auch auf dem Rückweg. Der Verstärker kann beispielsweise bidirektional betrieben werden, wie es im Beispiel der 7d) dargestellt ist. Faserverstärker sind für einen bidirektionalen Betrieb nicht ausgelegt. Deshalb kann hier mit Hilfe von Zirkulatoren das Licht getrennt auf Hin- und/oder Rückweg verstärkt werden.
Gemäß Ausführungsformen kann der wenigstens eine Zirkulator einen ersten Zirkulator 772 und einen zweiten Zirkulator 774 umfassen, wobei der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem ersten Zirkulator 772 und dem zweiten Zirkulator 774 angeordnet ist. In den 7a)-c) ist zwischen dem ersten Zirkulator 772 und dem zweiten Zirkulator 774 ein erster Strahlengang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundärstrahl bereitgestellt.
Im Beispiel der 7a) umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker 732 und einen zweiten optischen Verstärker 734, wobei der erste optische Verstärker 732 im ersten Strahlengang und der zweite optische Verstärker 734 im zweiten Strahlengang angeordnet ist. Anders gesagt sind getrennte Verstärker für den Hin- und Rückweg bereitgestellt.
Gemäß weiteren Ausführungen kann der wenigstens eine optische Verstärker 730 im ersten Strahlengang oder im zweiten Strahlengang angeordnet sein. In der 7b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 730 im ersten Strahlengang angeordnet. Anders gesagt wird (nur) der Primärstrahl verstärkt, es erfolgt also eine Verstärkung nur auf dem Hinweg. In der 7c) ist der wenigstens eine optische Verstärker 730 im zweiten Strahlengang angeordnet. Anders gesagt wird (nur) der Sekundärstrahl verstärkt, es erfolgt also eine Verstärkung nur auf dem Rückweg.
In anderen Ausführungsformen ist ein einziger Strahlengang für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl zwischen dem Zirkulator und dem Strahlteiler bereitgestellt, wobei der wenigstens eine optische Verstärker ein bidirektionaler optischer Verstärker 736 ist. Dies ist beispielhaft in der 7d) illustriert.
8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 800 zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 800 der 8 erfolgt eine Verstärkung im Objektarm 550. 8(a) zeigt eine Vorrichtung 800 mit einem Zirkulator 570. 8(b) zeigt eine vereinfachte Vorrichtung ohne Zirkulator.
Die Vorrichtung 800 umfasst den Strahlteiler 540 zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560. Der wenigstens eine optische Verstärker 830 kann in einem Strahlengang des Objektarms 550 angeordnet sein. Erfolgt die Verstärkung im Objektarm 550, kann hier ebenfalls die hin- und zurücklaufende Lichtwelle berücksichtigt werden. Es stehen beispielsweise die in 7 gezeigten Varianten zur Verfügung, die mit der hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden können.
Zur Verstärkung im Objektarm kann auch ein alternativer Aufbau verwendet werden, der ebenfalls die getrennte Verstärkung der hin- und/oder zurücklaufenden Lichtwelle erlaubt. Zusätzlich kann durch die Verwendung eines zweiten Spektrometers eine zeitgleiche Auswertung der spektralen Form der Lichtverteilung ermöglicht werden. Beispiele hierfür sind in der 9 gezeigt.
Gemäß Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 900 ein erstes Spektrometer 920 und ein zweites Spektrometer 922. Das erste Spektrometer 920 und das zweite Spektrometer 922 können jeweils eine Detektionsvorrichtung und eine Auswerteeinheit gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen. Die Vorrichtung 900 kann weiter einen ersten Strahlteiler 940 und einen zweiten Strahlteiler 942 umfassen. Der erste Strahlteiler 940 kann den Objektarm 550 und den Referenzarm 560 bereitstellen. Typischerweise ist der erste Strahlteiler 940 zwischen der Lichtquelle 510 und wenigstens einem Zirkulator 970 angeordnet. Der wenigstens eine Zirkulator 970 kann im Strahlengang des Objektarms 550 angeordnet sein. Der zweite Strahlteiler 942 kann mit dem ersten Spektrometer 920, dem zweiten Spektrometer 922, dem Referenzarm 560 und dem Zirkulator 970 (beispielsweise über den wenigstens einen optischen Verstärker 930) verbunden sein.
Im Beispiel der 9(a) ist der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und der Detektionsvorrichtung (bzw. dem ersten Spektrometer 920 und zweiten Spektrometer 922) angeordnet. Insbesondere kann der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und dem zweiten Strahlteiler 942 angeordnet sein. Im Beispiel der 9(b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und dem ersten Strahlteiler 940 angeordnet.
Bezugnehmend auf die 9(c) umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker 932 und einen zweiten optischen Verstärker 934. Der erste optische Verstärker 932 ist zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und der Detektionsvorrichtung (bzw. dem ersten Spektrometer 920 und zweiten Spektrometer 922) angeordnet. Der zweite optische Verstärker 934 ist zwischen dem ersten Strahlteiler 940 und dem wenigstens einen Zirkulator 970 angeordnet.
10 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1000 zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung der 10 erfolgt eine Verstärkung vor der Detektion. Insbesondere erfolgt eine Verstärkung der zurücklaufenden, durch Objekt- und Referenzarm modulierten, Lichtwelle. 10(a) zeigt eine Vorrichtung mit einem Zirkulator 570. 10(b) zeigt eine vereinfachte Vorrichtung ohne Zirkulator.
Gemäß Ausführungsformen ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 im Strahlengang des Sekundärstrahls angeordnet, so dass der verstärkte Sekundärstrahl zur Detektionsvorrichtung 520 geleitet wird. Im Beispiel 10(a) und (b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 zwischen dem Zirkulator 570 und der Detektionsvorrichtung 520 angeordnet.
Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Verstärkung unmittelbar vor der Detektion, also unmittelbar vor dem Spektrometer, erfolgen. Es wird die durch Objekt- und Referenzarm modulierte Lichtwelle verstärkt. Tritt das Licht ohne Verstärkung in das Spektrometer, so wird es spektral aufgespalten und beispielsweise auf 256, 512, 1024 oder 2048 Pixel verteilt. Das bedeutet, dass die geringe Intensität auf eine große Anzahl von Detektorpixeln verteilt wird und somit pro Detektorpixel nur noch ein geringer Bruchteil des ursprünglichen Lichts zur Verfügung steht. Somit wird am Detektor schnell die Schwelle erreicht, an der das Signal nicht mehr vom Detektorrauschen unterschieden werden kann.
Im Vergleich dazu steht am Verstärker noch die volle vom Objekt- und Referenzarm zurücklaufende Intensität zur Verfügung. Auch ein Verstärker besitzt eine Schwelle für einlaufendes Licht, die erforderlich ist, damit eine rauscharme Verstärkung stattfindet. Da das Licht beim Eintritt in den Verstärker noch nicht spektral aufgespalten wurde, kann diese Schwelle jedoch signifikant höher liegen als die Schwelle der Detektorpixel. Wird die Schwelle für die Verstärkung des Lichts im Verstärker passend gewählt (beispielsweise durch angepasste Pumpleistung oder Verstärkerdesign), dann werden nur die Intensitätsmaxima des modulierten Lichts signifikant verstärkt, wodurch das Interferenzmuster stärker ausgeprägt ist und somit besser im Spektrometer ausgewertet werden kann. Auch bei ungünstigen Keyholeformen bzw. großen Tiefen, wodurch sehr wenig Licht aus dem Objektarm bereitsteht, ist eine Signalauswertung noch möglich. Wird weiterhin das Sättigungsverhalten des Verstärkers passend gewählt, dann wird das Spektrometer nicht übersteuert, falls neben dem Keyhole beispielsweise eine sehr gut reflektierende Oberfläche gemessen wird.
11 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1100 für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung der 11 wird eine spektrale Intensitätsverteilung erfasst. 11(a) zeigt eine Erfassung unmittelbar nach der Verstärkung. 11(b) zeigt eine Erfassung im Referenzarm 560.
Bei der FD-OCT kann es erforderlich sein, den spektralen Intensitätsverlauf der Lichtquelle zu kennen. Das emittierte Spektrum verläuft typischerweise spektral nicht flach, sondern weist im Bereich der Mitte ein Maximum auf. Vor der FourierTransformation des detektierten Interferenzmusters kann das Spektrum so korrigiert werden, dass es, abgesehen von der Interferenzstruktur, spektral flach verläuft. Hierzu ist der spektrale Intensitätsverlauf der Lichtquelle erforderlich. Bleibt der Verlauf zeitlich konstant, dann kann der Verlauf einmal erfasst und gespeichert werden. Ändert sich der Verlauf aber zeitlich, dann ist es vorteilhaft, die spektrale Form während jeden Messtaktes zu erfassen. 11 zeigt beispielhaft zwei Möglichkeiten, um den von der Lichtquelle emittierten spektralen Intensitätsverlauf während jeden Messtaktes zu detektieren.
Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detektionsvorrichtung (bzw. ein erstes Spektrometer 1120) und eine zweite Detektionsvorrichtung (bzw. ein zweites Spektrometer 1122). Die Vorrichtung 1100 kann weiter einen ersten Strahlteiler 1140 und einen zweiten Strahlteiler 1142 umfassen. Der erste Strahlteiler 1140 kann zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560 eingerichtet sein. Der erste Strahlteiler 1140 kann weiter eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls beispielsweise über den Zirkulator 570 in die zweite Detektionsvorrichtung (bzw. das zweite Spektrometer 1122) zu leiten. Der zweite Strahlteiler 1142 kann eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Primärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung (bzw. das erste Spektrometer 1120) zu leiten. Der Zirkulator 570 kann zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker 530 und dem ersten Strahlteiler 1140 angeordnet sein. Der Zirkulator 570 kann eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung (bzw. das zweite Spektrometer 1122) zu leiten.
Im Beispiel der 11(a) ist der zweite Strahlteiler 1142 im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet. Insbesondere kann der zweite Strahlteiler 1142 zwischen dem Zirkulator 570 und der Lichtquelle 510 (oder zwischen dem Zirkulator 570 und dem optischen Verstärker 530) angeordnet sein.
Im Beispiel der 11(b) ist der zweite Strahlteiler 1142 im Referenzarm 560 angeordnet. Insbesondere kann der zweite Strahlteiler 1142 zwischen ersten Strahlteiler 1140 und der ersten Detektionsvorrichtung (bzw. dem erste Spektrometer 1120) angeordnet sein.
Erfindungsgemäß ist ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die FD-OCT („Fourier Domain Optical Coherence Tomographie“ oder „optische Kohärenztomographie im Frequenzbereich“) verwendet werden, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren gemessen werden.
Die verstärkte Lichtmenge kann zum einen dazu verwendet werden, um die Messfrequenz steigern, sodass mehr Messungen pro Zeit durchgeführt werden können und damit mehr Daten für die statistische Auswertung zu Verfügung stehen. Außerdem kann eine Belichtungszeit verkürzt werden. Ein Einfluss einer axialen Bewegung des Keyhole-Bodens auf die spektrale Modulation und eine daraus resultierende Verschmierung bzw. Unschärfe der spektralen Modulation wird verringert. Zum anderen kann die verstärkte Lichtmenge dazu verwendet werden, um die Menge an Messlicht im Objektarm, insbesondere den Anteil von Messlicht, der in das Keyhole eintritt, zu steigern.

Claims

Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: eine Lichtquelle (510), die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück (1) eingerichtet ist; wenigstens eine Detektionsvorrichtung (520; 920, 922; 1120; 1122), die zum Erfassen eines vom Werkstück (1) reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist; wenigstens einen optischen Verstärker (530; 730; 732, 734; 736; 830; 930; 932, 934), der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist; und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist.
Die Vorrichtung (500, 600, 800, 1000, 1100) nach Anspruch 1, wobei die Lichtquelle (510) wenigstens eine Superlumineszenzdiode oder eine Superkontinuum-Quelle umfasst.
Die Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530; 730; 732, 734; 736; 830; 930; 932, 934) ein Faserverstärker, ein halbleiterbasierter Verstärker, ein Raman-Verstärker, ein optisch parametrischer Verstärker, ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon ist.
Die Vorrichtung (500, 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530) im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet ist, so dass der Primärstrahl direkt in den wenigstens einen optischen Verstärker (530) geleitet wird.
Die Vorrichtung (500, 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Aufteilvorrichtung zum Aufteilen des verstärkten Primärstrahls in eine Vielzahl von Primärstrahlen, wobei die Aufteilvorrichtung mindestens eine Mehrkernfaser und/oder eine Mikrolinsenanordnung umfasst.
Die Vorrichtung (600, 800, 900 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530, 736, 830, 930) in einem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeordnet ist.
Die Vorrichtung (600, 800, 900, 1100) nach Anspruch 6, weiter umfassend wenigstens einen Zirkulator (570, 970), der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Zirkulator einen ersten Zirkulator (772) und einen zweiten Zirkulator (774) umfasst, und wobei der wenigstens eine optische Verstärker (730; 732, 734) zwischen dem ersten Zirkulator (772) und dem zweiten Zirkulator (774) angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwischen dem ersten Zirkulator (772) und dem zweiten Zirkulator (774) ein erster Strahlengang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundärstrahl angeordnet ist.
Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (730) im ersten Strahlengang und/oder im zweiten Strahlengang angeordnet ist.
Die Vorrichtung (800) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst und/oder wobei die Vorrichtung eingerichtet ist, eine Tiefe einer Dampfkapillare bei einem Laserschweißvorgang zu bestimmen.
Die Vorrichtung (900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Strahlteiler (540) zum Bereitstellen eines Objektarms (550) und eines Referenzarms (560), wobei der wenigstens eine optische Verstärker (830) und/oder wenigstens ein Zirkulator (970) zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und/oder den Sekundärstrahl in einem Strahlengang des Objektarms (550) angeordnet ist.
Die Vorrichtung (900) nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (930) zwischen dem wenigstens einen Zirkulator (970) und der Detektionsvorrichtung (920, 922) angeordnet ist, und/oder wobei der wenigstens eine optische Verstärker (930) zwischen dem Strahlteiler (940) und dem wenigstens einen Zirkulator (970) angeordnet ist.
Die Vorrichtung (1000) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530) im Strahlengang des Sekundärstrahls vor der Detektionsvorrichtung (520) angeordnet ist.
Die Vorrichtung (1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detektionsvorrichtung (1120) und eine zweite Detektionsvorrichtung (1122) umfasst, wobei die Vorrichtung (1100) weiter einen ersten Strahlteiler (1140) und einen zweiten Strahlteiler (1142) umfasst, und wobei der erste Strahlteiler (1140) zum Bereitstellen eines Objektarms (550) und eines Referenzarms (560) eingerichtet ist, und wobei der zweite Strahlteiler (1142) eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Primärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung (1120) zu leiten.
Die Vorrichtung (1100) nach Anspruch 15, weiter umfassend einen Zirkulator (570), der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl eingerichtet ist, wobei der Zirkulator (570) zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker (530) und dem ersten Strahlteiler (1140) angeordnet ist, und wobei der Zirkulator (570) eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung (1122) zu leiten.
Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: einen Laserbearbeitungskopf (101) zum Bereitstellen eines Bearbeitungsstrahls (10), wobei der Laserbearbeitungskopf (101) eingerichtet ist, um den Bearbeitungsstrahl (10) auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks (1) zu lenken; und die Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche.
Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem (100), umfassend: Leiten eines Primärstrahls auf ein Werkstück (1); Leiten eines Sekundärstrahls vom Werkstück (1) zu einer Detektionsvorrichtung; optisches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls; und Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich.
Das Verfahren nach Anspruch 18, weiter umfassend ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils einer Dampfkapillare (11) auf dem Werkstück (1) und/oder einer Topographie des Werkstücks (1) unter Verwendung des vom Werkstück (1) reflektierten Sekundärstrahls.