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Technisches Anwendungsgebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Zielfläche, bei dem ein von einer Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl in einer Strahlformungseinrichtung zunächst einer Strahlformung unterworfen wird und anschließend in einer Verstärkeranordnung verstärkt und auf die Zielfläche gerichtet wird.
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Die Leistungsdichteverteilung eines Laserstrahls kann als wesentlicher Prozessparameter das Bearbeitungsergebnis laserbasierter Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Laserstrahlschmelzen oder Laserstrahlschweißen, signifikant beeinflussen. Insbesondere ermöglichen prozessangepasste Leistungsdichteverteilungen eine signifikante Erhöhung der Durchsatzrate und Verbesserungen der Bearbeitungsergebnisse. Darüber hinaus erfordern bei der Laserbearbeitung Änderungen der Vorschubrichtung, der Vorschubgeschwindigkeit, der lokalen Geometrie eines bearbeiteten Werkstücks oder des Einfallswinkels der Laserstrahlung auf dem Werkstück oft eine dynamische Anpassung der Leistungsdichteverteilung während der Bearbeitung, um konstante Bearbeitungsergebnisse zu erzielen.
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Stand der Technik
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Für eine Einstellung oder Änderung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung werden Strahlformungselemente eingesetzt, über die beispielsweise die Form des Strahlquerschnitts gezielt eingestellt oder angepasst werden kann. Bei der Integration von dynamischen Strahlformungselementen in Lasersystemen lässt sich im Allgemeinen zwischen der Strahlformung im Laserresonator und der externen Strahlformung unterscheiden.
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Die Strahlformung im Laserresonator basiert auf der Idee, die optischen Elemente im Resonator so anzupassen, dass sich die gewünschte Leistungsdichteverteilung als Eigenmode des Resonators einstellt. Dies kann durch den Einsatz von entsprechenden Strahlformungselementen auch dynamisch erfolgen, wie dies beispielsweise in der
CN 107171170 A ausgeführt ist. Dabei ist die Laserleistung jedoch durch die Zerstörschwelle der für die Strahlformung verwendeten optischen Elemente begrenzt. Die im Resonator zirkulierende Leistung ist zudem oft deutlich höher als die eigentliche Ausgangsleistung des Lasers.
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Bei der externen Strahlformung wird die gewünschte Leistungsdichteverteilung außerhalb des Resonators eingestellt. Statische oder dynamische Strahlformungselemente werden hier hinter dem Laserresonator und gegebenenfalls dem sich anschließenden Verstärker zur Phasen- oder Amplituden-Modulation des Laserstrahls genutzt, um die gewünschte Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche zu erhalten. Da auch hier wieder die gesamte in der Zielfläche erforderliche Laserleistung auf das strahlformende Element trifft, ist über die Zerstörschwelle dieser Elemente die Ausgangsleistung der Laseranordnung begrenzt.
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Bekannte Strahlformungselemente wie z.B. verformbare Spiegel erlauben dynamische Anpassungen der Strahlform bei mehreren Kilowatt Laserleistung. Verformbare Spiegel besitzen jedoch nur bis zu etwa 100 Freiheitsgrade, so dass die Möglichkeiten der Einstellung bzw. Anpassung der Leistungsdichteverteilung stark begrenzt sind. Die Einstellung von komplexen Leistungsdichteverteilungen erfordert demgegenüber mehrere Tausend oder sogar Millionen unabhängiger Freiheitsgrade, z.B. voneinander unabhängige Pixel oder Aktoren, wie sie derzeit nur hochauflösende optische Strahlformungselemente basierend z.B. auf Arrays von Flüssigkristallen oder Mikrospiegeln aufweisen. Diese hochauflösenden Strahlformungselemente sind jedoch bisher auf mittlere Leistungen von etwa 200 Watt oder weniger begrenzt. Sie lassen sich daher für viele moderne laserbasierte Fertigungsverfahren nicht einsetzen, die insbesondere zur Erzielung einer hohen Produktivität Laserleistungen im Bereich mehrerer 100 Watt bis in den Kilowattbereich erfordern.
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Es sind auch Laseranordnungen bekannt, bei denen eine Strahlformungseinrichtung zwischen der Laserstrahlquelle und dem Laserverstärker angeordnet ist. Der Laserstrahl wird dabei mittels eines hochauflösenden Strahlformungselementes bei geringer Leistung geformt und erst anschließend mittels einer optischen Verstärkeranordnung auf die Zielleistung verstärkt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in S.-W. Bahk et al., „Precompensation of gain nonuniformity in a Nd:glass amplifier using a programmable beam-shaping system“, Optics Communications 2014, 333, Seiten 45 bis 52 beschrieben. Das Ziel dieser Anordnung besteht in einer Optimierung der Verstärkung des Laserstrahls, nicht jedoch in einer gezielten Einstellung oder Anpassung der Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche. Auch in T. Zhao et al., „Beam shaping and compensation for high-gain ND:glass amplification“, Journal of Modern Optics 2013, 60(2), Seiten 109 bis 115 ist eine Laseranordnung beschrieben, bei der eine Strahlformungseinrichtung zwischen der Laserstrahlquelle und der optischen Verstärkeranordnung eingesetzt wird. Ziel dieser Anordnung ist die Erzeugung einer möglichst homogenen Leistungsdichteverteilung über eine einfache geometrische Strahlform, die nahezu unverändert durch die gesamte Laseranordnung propagiert. Eine gezielte Einstellung oder dynamische Anpassung komplexer Leistungsdichteverteilungen, d.h. inhomogener oder auch nicht-symmetrischer Verteilungen, in der Zielfläche, die sich bei der Propagation durch die Verstärkeranordnung und die weiteren optischen Elemente stark verändern, ist mit diesen Anordnungen des Standes der Technik nicht möglich.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Zielfläche anzugeben, mit der auch eine Einstellung oder Anpassung von komplexer Leistungsdichteverteilungen für die Lasermaterialbearbeitung bei Laserleistungen von mehr als 200 Watt ermöglicht wird.
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Darstellung der Erfindung
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Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Ausführungsbeispielen entnehmen.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Zielfläche wird ein von der Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl zunächst in einer Strahlformungseinrichtung einer Strahlformung unterworfen. Der Laserstrahl weist dabei in der Ebene der Strahlformungseinrichtung eine erste Leistungsdichteverteilung auf. Anschließend wird der auf diese Weise geformte Laserstrahl in einer Verstärkeranordnung auf eine gewünschte Laserleistung verstärkt und in die Zielfläche gerichtet. Dabei können zusätzlich ein oder mehrere optische Elemente im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein, beispielsweise zur Fokussierung in die Zielfläche. Die Strahlformungseinrichtung weist dabei eines oder mehrere hochauflösende Strahlformungselemente auf, die eine Strahlformung mit mehr als 500 unabhängigen Freiheitsgraden ermöglichen. Beispiele für derartige hochauflösende Strahlformungselemente sind steuerbare Mikrospiegel-Arrays oder Arrays aus steuerbaren Flüssigkristallelementen. Zwischen der Laserstrahlquelle und der Strahlformungseinrichtung können auch zusätzliche optische Elemente, beispielsweise zur Strahlkollimierung, vorhanden sein. Durch die Verstärkung und Propagation durch die Verstärkeranordnung und ggf. die weiteren optischen Elemente bis zur Zielfläche verändert sich die erste Leistungsdichteverteilung, so dass in der Zielfläche eine zweite Leistungsdichteverteilung erhalten wird, die sich von der ersten Leistungsdichteverteilung und auch von einer Leistungsdichteverteilung unterscheidet, die der Laserstrahl ohne die Verstärkeranordnung und ggf. die weiteren optischen Elemente in der Zielfläche hätte. Unterschiede bestehen dabei insbesondere in einer veränderten Strahlform (andere äußere Form des Stahlquerschnitts) und/oder in einer veränderten relativen Verteilung der Leistungsdichte über den Strahlquerschnitt.
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Diese zweite Leistungsdichteverteilung, die der Laserstrahl in der Zielfläche aufweist, wird in einer ersten Alternative des vorgeschlagenen Verfahrens gemessen oder bestimmt und mit einer jeweils vorgegebenen bzw. gewünschten Leistungsdichteverteilung verglichen, im Folgenden auch als Ziel-Leistungsdichteverteilung bezeichnet. Die Messung der (zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche kann dabei über geeignete bekannte Techniken erfolgen, beispielsweise über eine Kamera oder auch durch Auskoppeln eines kleinen Strahlanteils vor der Zielfläche, der dann in gleichem Abstand von der Auskoppelstelle wie die Zielfläche mit einem entsprechend auflösenden optischen Detektor, insbesondere aus einem Array aus Detektorelementen, erfasst wird. Eine Bestimmung der (zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche kann dadurch erfolgen, dass die Leistungsdichteverteilung in einer oder mehreren anderen Flächen oder Ebenen, also nicht der Zielfläche oder einer dazu analogen Fläche, vermessen wird und aus dieser Messung dann Rückschlüsse auf die Verteilung in der Zielfläche gezogen werden. Die Strahlformungseinrichtung wird dann in dieser ersten Alternative in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der gemessenen Leistungsdichteverteilung und der Ziel-Leistungsdichteverteilung über eine Rückkopplungsschleife derart angesteuert, dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel- Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt. Die Ansteuerung der Strahlungsformungseinrichtung erfolgt dabei auf Basis von Daten, die durch maschinelles Lernen erhalten werden oder wurden.
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In einer zweiten Alternative des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Strahlformungseinrichtung auf der Basis von vorab theoretisch ermittelten Daten derart angesteuert, dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel- Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt. Die entsprechenden Daten werden bzw. wurden hierbei durch eine Simulation der Strahlpropagation und Verstärkung unter Einsatz inverser Propagation für diese Laseranordnung ermittelt.
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Bei beiden Alternativen fließen die Eigenschaften der Verstärkeranordnung und ggf. optischen Elemente sowie die Verstärkungsbedingungen, insbesondere Verstärkungsfaktor und Temperaturverhalten, in die Daten für die Ansteuerung des Strahlformungseinrichtung ein.
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Durch die Strahlformung vor der Verstärkung ist die Laserleistung in der Strahlformungseinrichtung bzw. auf dem Strahlformungselement ausreichend gering, um ein hochauflösendes Strahlformungselement mit einer ausreichend großen Anzahl an Freiheitsgraden einsetzen zu können. Die in der Zielfläche gewünschte Laserleistung wird erst anschließend über die Verstärkeranordnung erzielt. Durch explizite Berücksichtigung der Veränderung der Leistungsdichteverteilung bei der Verstärkung und durch die zwischen der Strahlformungseinrichtung und der Zielfläche ggf. liegenden optischen Elemente kann die Strahlformung in der Strahlformungseinrichtung so erfolgen, dass in der Zielfläche die gewünschte Leistungsdichteverteilung erhalten wird. Der komplexe Zusammenhang zwischen der (ersten) Leistungsdichteverteilung an der Strahlformungseinrichtung und der (zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche wird entweder durch Einsatz der Technik des maschinellen Lernens oder durch eine Simulation der Verhältnisse mittels inverser Propagation aufgelöst. Damit lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren komplexe Leistungsdichteverteilungen in der Zielfläche auch bei hohen Laserleistungen gezielt einstellen und auch dynamisch anpassen.
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Das vorgeschlagene Verfahren ist unabhängig von der verwendeten Laserstrahlquelle, der eingesetzten Verstärkeranordnung und den weiteren optischen Elementen im Strahlengang. Der Einfluss dieser Komponenten sowie der Betriebsparameter auf die Leistungsdichteverteilung des propagierenden Laserstrahls wird bei der Nutzung eines maschinellen Lernprozesses automatisch berücksichtigt. Bei der Nutzung einer Simulation werden die Eigenschaften dieser Komponenten und der damit verbundene Einfluss auf die Leistungsdichteverteilung bei den gewählten Betriebsparametern explizit bei der Simulation berücksichtigt. Hierzu stehen geeignete Simulationstools zur Verfügung, mit denen die Propagation eines Laserstrahls beliebiger Leistungsdichteverteilung durch optische Elemente und auch durch einen optischen Verstärker simuliert werden kann. Bei der Simulation muss die Eingangs-Leistungsdichteverteilung, die der Laserstrahl an der Strahlformungseinrichtung aufweist, bekannt sein. Diese kann entweder gemessen werden oder ist für die verwendete Laserstrahlquelle bereits bekannt.
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Bei Nutzung eines maschinellen Lernprozesses wird vorzugsweise ein neuronales Netzwerk oder ein evolutionärer bzw. genetischer Algorithmus eingesetzt. Das Training wird dabei vorzugsweise mit der Laseranordnung durchgeführt, die auch für die jeweilige Laserbearbeitung eingesetzt wird und mit der das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommen soll. Der maschinelle Lernprozess wird beim vorgeschlagenen Verfahren vor dem Einsatz der Laseranordnung für die Laserbearbeitung durchgeführt. Die dabei gewonnenen Daten oder der entsprechend trainierte Algorithmus werden bzw. wird dann bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens für die Steuerung der Strahlformungseinrichtung eingesetzt.
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Bei Nutzung der Simulation erfolgt diese Simulation ebenfalls vorab, d.h. vor dem Einsatz der jeweiligen Laseranordnung für die Laserbearbeitung. Die bei dieser Simulation erhaltenen Daten werden dann wiederum während des Verfahrens zur Steuerung der Strahlformungseinrichtung eingesetzt.
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Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich sehr vorteilhaft für alle Laser-basierten Materialbearbeitungsverfahren anwenden, die Laserleistungen benötigen, die über der Zerstörschwelle von hochauflösenden Strahlformungselementen liegen. Auch für andere Anwendungen, bei denen eine bestimmte Leistungsdichteverteilung in einer Zielfläche bei hoher Laserleistung erreicht werden soll, kann das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden.
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Figurenliste
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Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens;
- 2 ein erstes Beispiel einer mit dem Verfahren erzeugbaren Leistungsdichteverteilung; und
- 3 ein zweites Beispiel einer mit dem Verfahren erzeugbaren Leistungsdichteverteilung.
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Wege zur Ausführung der Erfindung
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine hochdynamische Laserstrahlformung bei hohen Laserleistungen (>100 W). 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung zur Lasermaterialbearbeitung sowie der Vorgehensweise bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens. Die Laseranordnung umfasst dabei eine Laserstrahlquelle 1, die einen Laserstrahl 2 mit einer bekannten Leistungsdichteverteilung (LDV) emittiert. Der Laserstrahl 2 wird in einer Strahlformungseinrichtung 3 einer Strahlformung durch ortsabhängige Veränderung von Phase und/oder Amplitude über den Strahlquerschnitt unterworfen. Der Laserstrahl 2 weist hierbei in der Ebene der Strahlformungseinrichtung 3 die Eingangs-Leistungsdichteverteilung auf, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als erste Leistungsdichteverteilung bezeichnet. Der aus der Strahlformungseinrichtung 3 austretende Laserstrahl wird anschließend in der optischen Verstärkeranordnung 4, die einen oder mehrere optische Verstärker für den Laserstrahl aufweist, auf eine gewünschte Ziel-Laserleistung verstärkt, die für die Materialbearbeitung an einem Werkstück 6 erforderlich ist. Zwischen der Verstärkeranordnung 4 und dem Werkstück 6 sind eine oder mehrere weitere optische Elemente 5 angeordnet, mit denen der Laserstrahl beispielsweise in die Zielfläche auf dem Werkstück 6 fokussiert werden kann.
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Bei dem vorgeschlagenen Verfahren findet die Strahlformung in der Strahlformungseinrichtung 3 vor einer Verstärkung des Laserstrahls 2 statt. In der Strahlformungseinrichtung 3 wird ein (oder auch mehrere) hochauflösendes Strahlformungselement (>> 100 Freiheitsgrade) verwendet, das bei der Ziel-Laserleistung am Werkstück 6, insbesondere aufgrund zu geringer Zerstörschwellen, nicht verwendet werden könnte. Durch dieses Strahlformungselement wird die bekannte Eingangs-Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls 2 in Phase und/oder Amplitude geändert bzw. angepasst. Die Leistungsdichteverteilung am Strahlformungselement ist dabei im Allgemeinen noch deutlich verschieden von der Leistungsdichteverteilung, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als zweite Leistungsdichteverteilung bezeichnet, die in der Zielfläche am Werkstück 6 auftritt. In der Laseranordnung wird der Strahl nach der Strahlformungseinrichtung 3 in einer optischen Verstärkeranordnung 4 auf die Zielleistung verstärkt. Die Propagation durch die Verstärkeranordnung 4, nicht-lineare Verstärkung und thermische Effekte im Verstärker haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsdichteverteilung des durch die Verstärkeranordnung propagierenden Laserstrahls. Hinter dem Verstärker bzw. der Verstärkeranordnung 4 unterscheidet sich die Leistungsdichteverteilung des verstärkten Laserstrahls somit nichttrivial von der Leistungsdichteverteilung vor dem Verstärker, im Allgemeinen aber auch noch von der zweiten Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche. Weitere optische Komponenten, insbesondere Standard-Komponenten zur Anpassung der Größe der Leistungsdichteverteilung, der Positionierung in der Zielfläche oder der Fokussierung des Laserstrahls, und die Propagation in die Zielfläche beeinflussen die Leistungsdichteverteilung zusätzlich. Zur Realisierung einer gewünschten Ziel-Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche müssen diese Einflüsse bei der ursprünglichen Strahlformung in der Strahlformungseinrichtung 3 berücksichtigt werden.
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Dies erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren messbasiert unter Einsatz von maschinellem Lernen oder simulationsbasiert. Bei der messbasierten Technik wird die Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche - oder einer dazu äquivalenten Fläche - vermessen. Dies kann bspw. mit einem örtlich hochauflösenden Detektor mit einem Array von Detektorelementen erfolgen. Basierend auf dem Unterschied zwischen gemessener (zweiter) Leistungsdichteverteilung und gewünschter Ziel-Leistungsdichteverteilung wird dann die Strahlformung in der Strahlformungseinrichtung 3 so angepasst, dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel-Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt. Dies erfolgt bei der messbasierten Technik in einer geeigneten Rückkopplungs-Schleife, wie dies im unteren Teil der 1 schematisch angedeutet ist.
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Die für die Ansteuerung der Strahlformungseinrichtung 3 erforderlichen Daten werden bei der simulationsbasierten Technik mit Hilfe einer vorab durchgeführten Simulation erhalten. Hierbei wird in einer Simulationsumgebung der Einfluss aller optischen Komponenten einschließlich des laseraktiven Mediums des Verstärkers der Verstärkeranordnung bei den jeweils gewählten Betriebsparametern und der Propagation zwischen den Komponenten hinterlegt. Die zur Annäherung der zweiten Leistungsdichteverteilung an die Ziel-Leistungsdichteverteilung jeweils erforderliche Strahlformung in der Strahlformungseinrichtung 3 wird dabei durch Simulation der inversen Propagation des Laserstrahls von der Zielfläche durch das optische System zur Strahlformungseinrichtung 3 erhalten. Da eine Leistungsdichteverteilung einen Laserstrahl nicht eindeutig bestimmt (die Phasen-Information ist nicht enthalten) ist in der Regel ein iterativer Ansatz nötig, um eine geeignete Lösung zu finden. So gibt eine Leistungsdichteverteilung z.B. nicht vor, ob der Laserstrahl gerade konvergiert oder divergiert. Bei einem gegebenen optischen System und einer gegebenen Zielfläche ist jedoch im Allgemeinen nur eines von beiden möglich. Bei der vorgeschlagenen Simulation erfolgt daher die Bestimmung einer geeigneten Lösung bzw. der für die Ansteuerung der Strahlformungseinrichtung 3 erforderlichen Daten durch iterative Vorwärts- und Rückwärtspropagationen, die auf ein Ergebnis konvergieren.
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In einem konkreten Beispiel der Bestimmung der benötigten Strahlformung an der Strahlformungseinrichtung, beispielsweise in Form einer Phasenmaske für ein LCoS-Strahlformungselement (LCoS: Liquid Crystal on Silicon), werden beispielsweise folgende Schritte zur Simulation durchgeführt:
- 1) Bestimmung/Auswahl einer Startphase (zufällige Phase, einfache Rückpropagation der Zielverteilung oder Phase aus geometrischer/analytischer Berechnung).
- 2) Numerische wellenoptische Simulation der Vorwärtspropagation des Eingangsstrahls mit der Startphase durch das gesamte optische System. Dies beinhaltet die Simulation der Propagation zwischen allen optischen Elementen und die Propagation durch die optischen Elemente inklusive z.B. nicht-linearer Verstärkungen in optischen Verstärkern und thermischen Linsen und die Abschattung an Blenden.
- 3) Vergleich der simulierten Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche mit der Ziel-Leistungsdichteverteilung. Bei ausreichender Übereinstimmung wurde die Phasenmaske erfolgreich bestimmt.
- 4) Ersetzen der Intensität bzw. Amplitude des simulierten Strahls in der Zielfläche mit der Ziel-Leistungsdichteverteilung unter Beibehaltung der simulierten Phasen.
- 5) Rückpropagation des in 4) bestimmten Strahls durch das optische System (vgl. 2)).
- 6) Ersetzen der Intensität bzw. Amplitude des simulierten Strahls in der Startebene mit der Leistungsdichteverteilung des Eingangsstrahls unter Beibehaltung der simulierten Phasen.
- 7) Nächster Iterationsschritt (ab 2)) bis eine festgelegte Anzahl an Iterationsschritten durchgeführt wurde oder eine Abbruchbedingung erreicht wurde (vgl. 3)).
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Diese Simulation kann mit bekannten öffentlich verfügbaren Simulationstools durchgeführt werden, wie bspw. VirtualLab Fusion der Firma LightTrans.
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Optional können auch noch Schritte durchgeführt werden, um die Übereinstimmung von Simulation und Experiment zu verbessern und/oder die Konvergenz der Simulation zu beschleunigen. Zu diesen Schritten gehört eine Überkompensation der Zielintensität, die für die Rückpropagation verwendet wird. In Bereichen mit zu wenig Licht wird dabei mehr Licht erzwungen als eigentlich benötigt wird und umgekehrt. Weiterhin kann eine Berücksichtigung des Übersprechens des LCoS (gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Pixeln) sowie eine Berücksichtigung der Phasen-abhängigen Absorption eines LCoS erfolgen.
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Bei einer Lösung auf Basis des maschinellen Lernens kann beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk eingesetzt werden. Die Bestimmung des jeweils nächsten Schrittes in der Rückkopplungs-Schleife für ein entsprechendes optisches System ist aufgrund der hohen Anzahl an Freiheitsgraden und der hohen NichtLinearität des Zusammenhangs zwischen Input und Output nicht trivial. Ein neuronales Netzwerk kann direkt an der eingesetzten Laseranordnung beispielsweise mit einer Auswahl an Testbildern der jeweils erzeugen Leistungsdichteverteilung trainiert werden. Damit berücksichtigt das neuronale Netzwerk auch direkt alle bekannten und unbekannten Imperfektionen des optischen Systems der Laseranordnung, wie z.B. Fehlstellen und optische bzw. mechanische Toleranzen.
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Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich komplexe Leistungsdichteverteilungen erzeugen, wie sie beispielsweise in den 2 und 3 dargestellt sind. 2 zeigt hierzu eine Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche, die einem rechteckigen Top-Hat mit dreieckigem Ausschnitt entspricht. Eine derartige Leistungsdichteverteilung lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren beispielsweise aus einem Gauß-förmigen rotationssymmetrischen Eingangsstrahlprofil erzeugen und ist insbesondere für effektives Laserpolieren von Vorteil.
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3 zeigt ein weiteres Beispiel einer komplexen Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche, wie sie mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugt werden kann. Diese Leistungsdichteverteilung wird auch als Lasersessel bezeichnet, da die Intensitätsverteilung in dem dargestellten Diagramm an die Form eines Sessels erinnert. Mit einer derartigen Leistungsdichteverteilung lässt sich beispielsweise beim Laserhärten eine homogene Temperaturverteilung auf dem Werkstück erzeugen.
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Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine flexible und dynamische Erzeugung von Applikationsangepassten Leistungsdichteverteilungen bei Laserleistungen, die die Zerstörschwelle der zur Formung der Laserstrahlung verwendeten Strahlformungselemente übersteigen. Dadurch kann der Zielkonflikt bei der dynamischen Laserstrahlformung zwischen nutzbarer Laserleistung und der Anzahl der Freiheitsgrade aufgelöst werden. Die Berücksichtigung von beliebigen optischen Elementen und Propagationsdistanzen, sowohl in einem simulationsbasierten Verfahren als auch in einem messbasierten Verfahren auf Basis des maschinellen Lernens, ermöglicht die Nutzung von nahezu beliebigen Leistungsdichteverteilungen in flexibel gestaltbaren optischen Systemen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Laserstrahlquelle
- 2
- Laserstrahl
- 3
- Strahlformungseinrichtung
- 4
- Verstärkeranordnung
- 5
- weitere optische Elemente
- 6
- Werkstück
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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