DE102022104530A1

DE102022104530A1 - Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage und Lasersystem mit Strahllagebestimmung

Info

Publication number: DE102022104530A1
Application number: DE102022104530.7A
Authority: DE
Inventors: Dominik Bauer; Fabian Aiple; Michael Scharun; Benjamin Dannecker; Johanna Dominik; Stephan Häfner; Jürgen Vogel
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2022-02-25
Filing date: 2022-02-25
Publication date: 2023-08-31
Also published as: WO2023161053A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft Verfahren und zum Stabilisieren der Strahllage eines Laserstrahls eines Lasers, umfassend das Messen der Intensitätsverteilung (12) des Laserstrahls (10) mit einem Strahllagesensor (2) in der Strahllagesensorebene (200), die Bestimmung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) in der Strahllagesensorebene (200) aus der gemessenen Intensitätsverteilung (12) und das Korrigieren der Abweichung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) von der Soll-Strahllage (124) des Laserstrahls (10), wobei der Strahllagesensor (2) ein zweidimensional aufgelöstes Sensorarray mit Sensorzellen (20) ist, sowie ein entsprechendes Lasersystem (100).

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage eines Laserstrahls eines Lasers und ein Lasersystem mit Strahllagebestimmung.
Stand der Technik
Laserstrahlen von Hochleistungslasern werden aufgrund ihrer optischen Eigenschaften in zahlreichen Gebieten der Technik eingesetzt, beispielsweise in der Materialbearbeitung sowie in der Forschung. Jedoch ist die Strahllage dieser Laserstrahlen häufig aufgrund von optischen Aberrationen, die über die Betriebs- oder Anfahrzeit des Lasers oder den Betriebspunkt variieren, zeitlich variabel. Um die Anforderungen von dem Laser nachgeschalteten Verstärkermodulen, optischen Elementen und Blenden, sowie von möglichen Bearbeitungsprozessen zu erfüllen, ist es notwendig diese Strahllage zu stabilisieren. Hierfür wird ein robustes Maß für die Lage des Laserstrahls benötigt.
Bisher wurde die Strahllage des Laserstrahls mit Lateraleffektdioden detektiert. Lateraleffektdioden ermöglichen die Bestimmung der Strahllage des Laserstrahls auf der Diode in Form einer Spannung oder eines Spannungsverhältnisses. Hierbei wird jedoch das gesamte Laserlicht auf der Diodenoberfläche berücksichtigt, so dass insbesondere bei variierenden Strahlprofilen und Intensitätsverteilungen keine zuverlässige Detektion der Strahllage möglich ist.
Bei der Nutzung von Lateraleffektdioden ist zudem eine lange Thermalisierungszeit des Lasers notwendig, bis der Laser eine möglichst stabile Form annimmt. Außerdem muss der Laser bei einem sehr engen Arbeitspunkt betrieben werden. Die Nutzung von Blenden ist mit dem Verfahren nach dem Stand der Technik zudem auf Laser begrenzt, deren Leistung unterhalb der Zerstörungsschwelle der Blenden liegt.
Aus der EP3682200 ist ein Strahllagemesssystem und ein Verfahren zur Bestimmung und Korrektur der Strahllage eines Laserstrahls bekannt. Aus der US8971363 ist ein System zur Messung und anschließenden Korrektur der Strahlaberration bekannt.
Darstellung der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage eines Laserstrahls, sowie ein entsprechendes Lasersystem bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen, der Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage eines Laserstrahls eines Lasers vorgeschlagen, umfassend das Messen der Intensitätsverteilung des Laserstrahls mit einem Strahllagesensor in der Strahllagesensorebene, die Bestimmung der Ist-Strahllage des Laserstrahls in der Strahllagesensorebene aus der gemessenen Intensitätsverteilung und das Korrigieren der Abweichung der Ist-Strahllage des Laserstrahls von der Soll-Strahllage des Laserstrahls. Erfindungsgemäß ist der Strahllagesensor ein zweidimensional aufgelöstes Sensorarray.
Dies hat den Vorteil, dass die Intensitätsverteilung des Laserstrahls der Bildverarbeitung zugänglich wird, und somit unabhängig von dem Strahlprofil und der momentanen Intensitätsverteilung eine robuste Bestimmung der Ist-Strahllage ermöglicht wird.
Der Laser stellt hierbei den Laserstrahl bereit, der entlang der Strahlausbreitungsrichtung in z-Richtung propagiert. In der Ebene senkrecht zur Strahlausbreitungsrichtung befindet sich die sogenannte Strahlebene, wobei der Laserstrahl in der Strahlebene eine spezifische Intensitätsverteilung aufweist. Diese spezifische Intensitätsverteilung kann sich während des Betriebs des Lasers ändern, wie oben beschrieben.
Die spezifische Intensitätsverteilung kann mit dem Strahllagesensor gemessen werden. Hierzu kann der Laserstrahl auf den Strahllagesensor geleitet werden. Der Strahllagesensor ist hierbei ein zweidimensional aufgelöstes Sensorarray. Das Sensorarray umfasst eine Vielzahl von Sensorzellen, beispielsweise Photodioden oder Pixel eines Kamerasensors, insbesondere eines CCD oder CMOS Sensors. Insbesondere kann der Strahllagesensor auch eine Kamera sein.
Die Sensorzellen messen die über einer Belichtungszeit beziehungsweise Integrationszeit einfallende lokale Laserintensität und geben diesen Messwert beispielsweise in Form eines ADU-Messerwerts (analog-to-digital-Units) aus. Beispielsweise kann ein Sensorarray mit einem Dynamikumfang von 12 Bit insgesamt 4096 verschiedene Intensitätswerte pro Sensorzelle erzeugen. Beispielsweise gibt eine Sensorzelle die keine Intensität registriert hat den Wert 0 aus, während eine Sensorzelle, die eine sehr hohe Intensität registriert hat, den Wert 4095 (also 4096-1) ausgibt.
Das Sensorarray weist eine Vielzahl von Sensorzellen auf, die typischerweise auf einem regelmäßigen Raster angeordnet sind. Das Raster ist hierbei typischerweise in einer Ebene, der sogenannten Strahllagesensorebene angeordnet. Bevorzugt ist die Ebene hierbei nicht gekrümmt, so dass alle Flächennormalen des Sensorarrays, beziehungsweise die Flächennormalen der Sensorzellen, parallel verlaufen. Durch die Sensorzellen ergibt sich in der Gesamtschau der gemessenen lokalen Intensitäten eine zweidimensional aufgelöste Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Strahllageebene.
Anhand der gemessenen lokalen Intensitäten kann die Ist-Strahllage des Laserstrahls bestimmt werden. Die Bestimmung der Strahllage kann hierbei einen oder mehrere Schritte der Bildverarbeitung umfassen, wie beispielsweise das Beschneiden des Dynamikumfangs oder das Auswählen bestimmter Bereiche des Sensorarrays.
Beispielsweise kann der Dynamikumfang durch ein sogenanntes Histogramm-Streching und/oder-Clipping angepasst werden. Wenn beispielsweise die gemessene Intensitätsverteilung in einem Bereich zwischen 100 und 1000 ADU liegt, dann kann durch das Histogramm-Clipping beispielsweise der untere Intensitätsbereich beschnitten werden. Beispielsweise können alle Intensitätswerte unter 200 ADU als 0 ADU gesetzt werden. Gleichzeitig können alle Intensitätswerte ab 800 ADU linear auf 4095 ADU gestreckt werden.
Die Ist-Strahllage kann hierbei verstanden werden als der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des Laserstrahls auf dem Strahllagesensor, der aus der gemessenen Intensitätsverteilung bestimmt wird. Der Schwerpunkt ist hierbei gegeben durch das erste Moment der Intensitätsverteilung, welches gewissermaßen analog zu einem Massenschwerpunkt einer Massenverteilung berechnet werden kann. Die Ist-Strahllage kann hierbei insbesondere durch die Koordinate des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung auf dem Sensorarray gegeben sein. Es ist aber auch möglich, dass die Ist-Strahllage des Laserstrahls durch einen Abstand zu einem Referenzpunkt, beispielsweise der Mitte des Sensorarrays, gegeben wird. Es sind jedoch auch weitere Verfahren zur Bestimmung der Ist-Strahllage möglich, wie weiter unten gezeigt.
Die Soll-Strahllage kann hierbei verstanden werden als die gewünschte Strahllage des Laserstrahls auf dem Sensorarray. Die Soll-Strahllage kann hierbei durch eine Koordinate des Sensorarrays oder durch einen Referenzpunkt, beispielsweise die Mitte des Sensorarrays, gegeben sein. Insbesondere kann die Soll-Strahllage auch dadurch definiert werden, dass der Laserstrahl besonders gut durch das optische System geleitet wird. Dementsprechend kann eine Soll-Strahllage auch dadurch bestimmt werden, dass die gemessene Intensität besonders hoch ist. Dann ist die Soll-Strahllage beispielsweise das Maximum oder der Schwerpunkt der besonders hohen Intensitätsverteilung. Es ist dementsprechend möglich, die Soll-Strahllage auch dadurch zu bestimmen, dass der Laserstrahl bei der Soll-Strahllage besondere Eigenschaften aufweist. Die Soll-Strahllage kann hierbei vom Anwender oder in der Produktion festgelegt werden, so dass beispielsweise eine Stabilisierung auf eine werkseitig definierte Koordinate des Sensorarrays erfolgen kann.
Die Abweichung der Ist-Strahllage von der Soll-Strahllage kann schließlich durch einen Vergleich, beispielsweise eine Subtraktion der jeweiligen Koordinaten, berechnet werden. Die Abweichung kann demnach insbesondere eine zweidimensionale Abweichung oder eine vektorielle Abweichung sein, so dass hierdurch direkt die benötigte Größe und Richtung der Verschiebung des Laserstrahls gegeben wird, um die Ist-Strahllage in die Soll-Strahllage zu überführen.
Die Strahllagesensoreinstellungen können so gewählt werden, dass die Aussteuerung des Strahllagesensors zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 70% und 90% des Dynamikbereichs des Strahllagesensors liegt.
Die Aussteuerung des Strahllagesensors kann hierbei insbesondere durch die Aussteuerung der Sensorzellen gegeben sein.
Die Strahllagesensoreinstellungen können hierbei beispielsweise die Belichtungszeit, die Integrationszeit, die Vorverstärkung (Gain) und ein Pixel-Binning umfassen. Insbesondere kann die Strahllagesensoreinstellung den Einsatz eines Neutral-Dichtefilters und/oder eines Grau-Filters und/oder eines Polarisationsfilters o.ä. umfassen, durch den die Intensität des Laserstrahls gezielt vor dem Sensorarray abgeschwächt werden soll, so dass die Intensitätsverteilung innerhalb der zur Verfügung stehenden Belichtungszeiten oder Integrationszeiten, innerhalb des Dynamikbereichs des Sensorarrays abgebildet werden kann.
Indem die Aussteuerung des Strahllagesensors zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 70% und 90%, des Dynamikbereichs des Strahllagesensors liegt, wird ein Überbelichten des Sensorarrays vermieden. Gleichzeitig ist die Aussteuerung jedoch so groß, dass auch fehlerhafte Pixel, beispielsweise sogenannte Hot Pixel, die stets eine volle Aussteuerung anzeigen, durch eine einfach statistische Analyse der lokalen Intensitätswerte beseitigt werden können. Zudem ist die Aussteuerung des Sensorarrays deutlich größer als der Dunkelstrom und/oder Auslesestrom des Sensorarrays, so dass hier besonders vorteilhaft das Messsignal, die Intensitätsverteilung, von den elektronische und thermischen Hintergrund- und Störeffekten des Sensorarrays getrennt werden können.
Die Bestimmung der Ist-Strahllage kann das Anwenden einer Intensitätsmaske auf die gemessene Intensitätsverteilung umfassen.
Eine Intensitätsmaske kann hierbei umfassen, dass von allen lokalen Intensitätswerten lediglich ein begrenzter Wertebereich berücksichtigt wird. Beispielsweise können durch das Anwenden einer Intensitätsmaske besonders hohe Intensitätswerte der Intensitätsverteilung berücksichtigt werden. Hierdurch können beispielsweise Nebenmaxima des Laserstrahls mit einer geringen Intensität bei der Bestimmung der Ist-Strahllage aus der gemessenen Intensitätsverteilung unberücksichtigt bleiben, so dass die Bestimmung der Ist-Strahllage besonders robust durchgeführt werden kann. Es ist aber auch möglich besonders große Werte von der Bestimmung des Schwerpunkts auszuschließen, so dass beispielsweise die vorgenannte Bestimmung unter besonderer Berücksichtigung der Nebenmaxima durchgeführt wird.
Insbesondere kann das Anwenden einer Intensitätsmaske auf die gemessene Intensitätsverteilung, beispielsweise in einem Kalibrierungsprozess oder einem Initialisierungsprozess, bei der Bestimmung der Soll-Strahllage verwendet werden.
Beispielsweise misst das Sensorarray eine Intensitätsverteilung zwischen 150 und 1000 ADU, so dass das Anwenden der Intensitätsmaske darin besteht, dass beispielsweise lediglich Werte über 500 ADU bei der Bestimmung des Schwerpunkts berücksichtigt werden. Beispielsweise können die Werte außerhalb des maskierten Bereichs durch Nullen ersetzt werden. Es ist aber auch möglich die Werte außerhalb des maskierten Bereichs durch einen anderen Wert ersetzt werden, wodurch bei der Bestimmung des Schwerpunkts eine Gewichtung dieser maskierten Regionen eingestellt werden kann. Insbesondere ist es möglich die Werte außerhalb des maskierten Bereichs durch „NaNs“ (Not-A-Number) zu ersetzen, so dass diese Werte der Intensitätsverteilung bei der Datenverarbeitung nicht berücksichtigt werden, wodurch die Bestimmung des Schwerpunkts besonders schnell und effektiv durchgeführt werden kann. Die gemessenen Werte, die nicht außerhalb der Maske liege, gehen dann beispielsweise mit ihren tatsächlichen Werten in die Berechnung des Schwerpunkts ein, so dass der Schwerpunkt mit den gemessenen Werten gewichtet ist. Das Anwenden der Intensitätsmaske kann darin bestehen, nur den Teil der gemessenen Intensitätsverteilung zu berücksichtigen, der einen Intensitätsschwellwert übersteigt.
Der Intensitätsschwellwert kann hierbei ein tatsächlicher Intensitätswert des Laserlichts sein. Hierfür ist es beispielsweise notwendig, dass die Kamera oder der Sensorarray auf die entsprechende lichttechnische Einheit kalibriert ist. Es ist aber auch möglich, dass der Intensitätsschwellwert in den Einheiten des Sensorarrays gemessen wird, so dass der Intensitätsschwellwert mit einem Aussteuerungswert zusammenfällt. Letzteres setzt keine weitere Kalibrierung voraus.
Beispielsweise kann hierdurch die Bestimmung der Ist-Strahllage mit den Teilen der gemessenen Intensitätsverteilung durchgeführt werden, die für die Bestimmung der Ist-Strahllage besonders relevant sind. Typischerweise ist das Hauptmaximum der Intensitätsverteilung von besonderer Bedeutung für die Bestimmung des Mittelpunkts der Intensitätsverteilung, so dass ein entsprechend gewählter Intensitätsschwellwert das Hauptmaximum der Intensitätsverteilung für die Bestimmung der Ist-Strahllage isoliert.
Beispielsweise misst das Sensorarray eine Intensitätsverteilung zwischen 10 und 50 ADU und der Intensitätsschwellwert beträgt 30 ADU. Dann kann jeder Wert unterhalb des Intensitätsschwellwerts beispielsweise auf 0 oder NaN gesetzt werden, wohingegen die Werte oberhalb des Intensitätsschwellwerts unverändert bleiben.
Das Anwenden der Intensitätsmaske kann darin bestehen, von der gemessenen Intensitätsverteilung den Intensitätsschwellwert abzuziehen, wobei negative Werte durch 0 ersetzt werden.
Beispielsweise misst das Sensorarray eine Intensitätsverteilung zwischen 300 und 3000 ADU und der Intensitätsschwellwert beträgt 1000 ADU. Dann besteht das Anwenden der Intensitätsmaske darin, dass numerisch eine Intensitätsverteilung zwischen -700 ADU und 2000 ADU erzeugt wird, wobei anschließend die Werte zwischen -700 ADU und -1 ADU auf 0 ADU gesetzt werden. Das Verfahren ist äquivalent dazu, dass die Intensitätswerte kleiner gleich 1000 ADU direkt auf 0 gesetzt werden und von den Werten oberhalb des Intensitätsschwellwerts der Intensitätsschwellwert abgezogen wird. Die maskierte Intensitätsverteilung geht im vorliegenden Beispiel dann von 0 ADU bis 2000 ADU.
Dies hat den Vorteil, dass bei der Bestimmung der Ist-Strahllage lediglich Bereiche mit besonders hoher Intensität berücksichtigt werden können.
Das Anwenden der Intensitätsmaske kann darin bestehen, eine logische Indizierung der gemessenen Intensitätsverteilung durchzuführen, wobei alle Werte der gemessenen Intensitätsverteilung oberhalb des Intensitätsschwellwerts durch einen ersten Wert ersetzt werden und alle Werte unterhalb des Intensitätsschwellwerts durch einen zweiten Wert ersetzt werden, der vom ersten Wert verschieden ist.
Beispielsweise misst das Sensorarray eine Intensitätsverteilung zwischen 0 und 255 ADU und der Intensitätsschwellwert beträgt 155 ADU. Dann können alle gemessenen Intensitätswerte die größer (oder größer gleich) als der Intensitätsschwellwert sind durch einen ersten Wert, beispielsweise 1, ersetzt werden. Dementsprechend können dann alle gemessenen Intensitätswerte die kleiner gleich (oder kleiner) des Intensitätsschwellwerts sind durch einen zweiten Wert, beispielsweise 0, ersetzt werden. Dadurch kann die gemessene Intensitätsverteilung gewissermaßen in ein echtes Schwarz-Weiß-Bild oder Binärbild übersetzt werden, wobei beispielsweise die Nebenmaxima der gemessenen Intensitätsverteilung sicher ausgeblendet werden können.
Es ist aber auch möglich, dass zunächst der Dynamikumfang der gemessenen Intensitätsverteilung auf einen Wertebereich reduziert wird, beziehungsweise das Histogramm gestreckt wird, und anschließend eine logische Indizierung durchgeführt wird oder ein Intensitätsschwellwert abgezogen wird.
Der Intensitätsschwellwert kann größer als 5%, bevorzugt größer als 10% besonders bevorzugt größer als 20% des Intensitätsmaximums der gemessenen Intensitätsverteilung sein.
Beispielsweise kann das Intensitätsmaximum der gemessenen Intensitätsverteilung den Dynamikbereich zu 90% beanspruchen. Bei einem Dynamikbereich von 10 bit (1024 ADU) wäre das Intensitätsmaximum etwa 900 ADU groß. Der Intensitätsschwellwert kann dementsprechend größer als 45 ADU, bevorzugt größer als 90 ADU besonders bevorzugt größer als 180 ADU sein. Diejenigen Bereiche der Intensitätsverteilung, die unterhalb der Intensitätsschwelle liegen, können entsprechend der vorgestellten Verfahren maskiert werden und bei der Bestimmung der Ist-Strahllage unberücksichtigt bleiben.
Der Intensitätsschwellwert kann hierbei insbesondere so gewählt werden, dass ein oder mehrere Nebenmaxima der Intensitätsverteilung unterhalb der Intensitätsschwelle liegen. Hierdurch können besonders einfach die Nebenmaxima bei der Bestimmung der Ist-Strahllage unberücksichtigt bleiben, sodass die Bestimmung der Ist-Strahllage besonders genau und robust erfolgen kann.
Der Intensitätsschwellwert kann größer als 5%, bevorzugt größer als 10%, besonders bevorzugt größer als 20% der maximal möglichen Aussteuerung des Strahllagesensors sein.
Die maximal mögliche Aussteuerung des Strahllagesensors ist hierbei die obere Grenze des zur Verfügung stehenden Dynamikbereichs.
Beispielsweise kann der Dynamikbereich des Sensorarrays 8 bit (0 bis 255 ADU) groß sein, wobei durch die Wahl der Strahllagesensoreinstellungen das gemessene Intensitätsmaximum stets bei 70%, also etwa 180 ADU, liegen kann. Demnach kann eine für das Sensorarray feste Intensitätsschwelle vorgegeben werden, die insbesondere aus der Kalibrierung des Lasersystems relevante Parameter berücksichtigt, wie die typische Intensitätsverteilung oder den typischen verlauf der Intensitätsverteilung, sowie die typische Größe der Nebenmaxima.
Hierdurch können die Nebenmaxima bei der Bestimmung der Ist-Strahllage unberücksichtigt bleiben, sodass die Bestimmung der Ist-Strahllage besonders genau erfolgen kann.
Die Ist-Strahllage des Laserstrahls kann durch numerisches Anpassen einer analytischen Funktion, insbesondere einer Gauß'schen Glockenkurve und/oder einer Sekans-Quadrat-Funktion und/oder einer Polynomfunktion n-ter Ordnung, an die maskierte gemessene Intensitätsverteilung und/oder durch Berechnen des Schwerpunkts der maskierten gemessenen Intensität und/oder durch das Intensitätsmaximum der maskierten gemessenen Intensität bestimmt wird.
Beispielsweise kann der Laserstrahl ein Gauß'sches Strahlprofil aufweisen. Das bedeutet, dass der Laserstrahl in der Strahlebene einen Intensitätsverlauf umfasst, der einer Gauß'schen Glockenkurve entspricht. Insbesondere kann das Strahlprofil daher in zwei senkrecht zueinanderstehenden Achsen, etwa der x- und y-Achse, einer Gauß'schen Glockenkurve entsprechen. Durch das numerische Anpassen der Gauß'schen Glockenkurve jeweils an die gemessene Intensitätsverteilung entlang der x-Achse und der y-Achse, enthält man die Ist-Strahllage in x- und y-Richtung als die Optimierungsparameter unter denen die Anpassungsmetrik minimal wird. Mit anderen Worten wird eine Gauß'sche Glockenkurve jeweils an die gemessene Intensitätsverteilung in x- und y-Richtung angefittet, wobei die Mittelpunkte der Gauß'schen Glockenkurven neben den Amplituden, den Halbwertsbreiten und neben den Offsets Fitparameter sind. Hierbei ist es insbesondere von Vorteil, wenn die x- und y-Achsen. So gewählt sind, dass sie mit den Hauptachsen der zweidimensionalen Gaußverteilung zusammenfallen.
Insbesondere kann die Intensitätsverteilung auch entlang der x-Richtung und/oder der y-Richtung aufsummiert werden und anschließend ein solcher Fit der aufsummierten Intensitätsverteilung durchgeführt werden.
Es ist jedoch auch möglich, dass eine zweidimensionale Gauß'sche Glockenkurve insgesamt an die zweidimensionale Intensitätsverteilung numerisch angepasst wird. Dadurch werden die x- und y-Koordinate der Ist-Strahllage gleichzeitig bestimmt.
Beispielsweise kann ein Ausgangswert für die numerische Optimierung durch das Maximum der maskierten gemessenen Intensitätsverteilung gegeben sein.
Es kann auch sein, dass der Laserstrahl ein Flat-Top Strahlprofil oder ein Donut-förmiges Strahlprofil aufweist. Ein Flat-Top Strahlprofil weist über einen gewissen Querschnitt eine quasikonstante Intensität auf und fällt außerhalb des Querschnitts schnell auf eine verschwindende Intensität ab. Ein Donut-förmiges Strahlprofil weist auf der Strahlachse eine minimale Intensität auf und in einem radialen Abstand zur Strahlachse eine große Intensität auf.
Es kann sein, dass für bestimmte Intensitätsverteilungen keine analytische Funktion oder nur eine sehr komplexe analytische Funktion zur Verfügung steht, so dass ein numerisches Anpassen einer solchen Funktion nur schwer oder mit hohem Rechenaufwand möglich ist. Daher müssen hier auch weitere Bestimmungsmethoden berücksichtigt werden.
Beispielsweise kann die Ist-Strahllage besonders einfach durch das Berechnen des Schwerpunkts, insbesondere des ersten Moments, der maskierten Intensitätsverteilung berechnet werden. Beispielsweise kann der Schwerpunkt aus den lokalen Intensitäten und der jeweiligen Pixel-Koordinaten der Sensorzellen direkt berechnet werden. Insbesondere können auch aus einem oben ausgeführten Schwarz-Weiß-Bild die ersten Momente berechnet werden, wobei durch die lediglich zwei verschiedenen Werte eine lokale Gewichtung der Intensitäten entfällt.
Es ist aber auch möglich, durch numerische Anpassung des analytischen funktionalen Zusammenhangs des Flat-Top Strahlprofils an die maskierte Intensitätsverteilung, die Ist-Strahllage des Laserstrahls zu bestimmen. Gleichzeitig ist es jedoch auch möglich bei Gauß'schen Strahlprofilen die Ist-Strahllage durch die Bestimmung des Schwerpunkts zu ermitteln.
In einem weiteren Fall kann die Ist-Strahllage auch durch das Intensitätsmaximum der maskierten Intensitätsverteilung bestimmt sein. Beispielsweise fallen bei einem Gauß'schen Laserstrahl typsicherweise das Intensitätsmaximum und der Mittelpunkt der Gauß'schen Glockenkurve zusammen. In der Praxis können jedoch das Intensitätsmaximum und der Mittelpunkt durch Aberrationen und/oder Messfehler und/oder Rauschen auseinanderfallen beziehungsweise nicht übereinander liegen.
Durch die Maskierung der Intensitätsverteilung kann hierbei insbesondere erreicht werden, dass die numerische Anpassung, beziehungsweise die verwendete Anpassungsmetrik, konvergiert. Dadurch ist die numerische Anpassung besonders robust und wenig fehleranfällig.
Die Abweichung der Ist-Strahllage des Laserstrahls von der Soll-Strahllage des Laserstrahls kann durch Ansteuerung mindestens einer beweglichen Korrekturvorrichtung, insbesondere einer motorisierten Optik oder Piezo-gesteuerten Optik, reduziert werden.
Durch eine Korrekturvorrichtung kann der Laserstrahl im Strahlengang abgelenkt werden, so dass der Laserstrahl die Ist-Strahllage auf dem Sensorarray verändert, so dass schließlich die Ist-Strahllage und die Soll-Strahllage zusammenfallen. Die Korrekturvorrichtung kann demnach insbesondere als Korrekturvorrichtung für die Strahllage angesehen werden. Durch eine motorisierte oder Piezo-gesteuerte Optik kann hierbei die Strahllage des Laserstrahls besonders schnell und sicher eingestellt werden.
Beispielsweise ist eine entsprechende Korrekturvorrichtung ein Spiegel sein, der den Laserstrahl umlenkt, oder ein transparentes Glaselement, was beim Durchgang des Laserstrahls einen Strahl- und/oder Winkelversatz erzeugen kann, oder ein Strahlteiler.
Insbesondere kann das Lasersystem auch zwei Korrekturvorrichtungen umfassen, beispielsweise zwei Spiegel, umfassen. Hierbei kann der erste Spiegel einen Winkel des Laserstrahls erzeugen, während der erste Spiegel zusammen mit dem zweiten Spiegel einen Parallelversatz des Laserstrahls erzeugen kann. Durch die individuelle Ansteuerung der beiden Spiegel, beispielsweise über eine Piezo-Steuerung, kann die Strahllage insgesamt eingestellt werden.
Die Bestimmung der Ist-Strahllage und/oder die Ansteuerung der mindestens einen beweglichen Korrekturvorrichtung kann durch ein FPGA und/oder einen Computer und/oder ein Rechnersystem und/oder einen Prozessor und/oder einen Mikrocontroller erfolgen.
Die vorgenannten Bestimmungseinheiten können besonders schnell die Ist-Strahllage des Laserstrahls bestimmen. Durch eine entsprechende elektronische Ansteuerung der Korrekturvorrichtung kann die Differenz von Ist-Strahllage und Soll-Strahllage des Laserstrahls ausgeglichen werden. Die Steuersignale können hierzu direkt von der jeweiligen Bestimmungseinheit, beispielsweise von einem FPGA und/oder einem Computer, an die Korrekturvorrichtung weitergegeben werden, so dass eine möglichst kurze Feedback-Schleife zwischen Strahllagesensor, Bestimmungseinheit und Korrekturvorrichtung erreicht wird.
Um die Ist-Strahllage des Laserstrahls in dem optischen System, in dem der Laser verwendet wird, zu optimieren, kann der Strahllagesensor an verschiedenen Positionen, insbesondere mehreren verschiedenen Positionen, in dem optischen System angeordnet werden.
Ein Strahllagesensor im Laserresonator kann vor und/oder nach einer Blende angeordnet sein. Eine Anordnung vor der Blende hat insbesondere den Vorteil, dass die Ist-Strahllage korrigiert werden kann, bevor der Laserstrahl auf die Blende trifft und die Blende zerstört oder beschädigt.
Ein Strahllagesensor kann vor dem Laserausgang angeordnet sein und/oder ein Strahllagesensor kann im Strahlengang nach dem Laser angeordnet sein.
Das hat den Vorteil, dass die Ist-Strahllage korrigiert werden kann, bevor der Laserstrahl das optische System durchläuft. Ein weiterer Vorteil ist, dass beim Durchlauf durch das optische System eine korrekte Strahlführung ermöglicht wird.
Der Laserstrahl kann nach dem Stabilisieren der Ist-Strahllage in eine Blende und/oder eine Transportfaser, insbesondere eine Hohlkernfaser und/oder ein Lasermodul eingekoppelt werden.
In dem der Laserstrahl mit der korrigierten Ist-Strahllage durch eine Blende und/oder in eine Transportfaser eingekoppelt wird, kann sichergestellt werden, dass der Teil des Laserstrahls mit der höchsten Intensität durch die Blende oder die Transportfaser geführt wird. Somit steht hinter der Blende und/oder hinter der Transportfaser ein Laserstrahl mit besonders hoher Intensität zur Verfügung, wobei die Blende jedoch nicht beschädigt wird.
Insbesondere kann die Strahllage gleichzeitig an mehreren Stellen gemessen werden, so dass ein Parallelversatz und der Winkel des Laserstrahls mit beispielsweise zwei Korrekturvorrichtungen korrigiert werden kann.
Die oben gestellte Aufgabe wird weiterhin durch ein Lasersystem mit Strahllagebestimmung mit den Merkmalen des Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Vorrichtung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der vorliegenden Beschreibung und den Figuren.
Entsprechend wird ein Lasersystem mit Strahllagebestimmung vorgeschlagen, umfassend einen Strahllagesensor der dazu eingerichtet ist die Intensitätsverteilung des Laserstrahls in der Strahllagesensorebene zu messen, eine Bestimmungsvorrichtung die dazu eingerichtet ist die Ist-Strahllage in der Strahllagesensorebene zu bestimmen, eine Korrekturvorrichtung die dazu eingerichtet ist die Abweichung der Ist-Strahllage des Laserstrahls von der Soll-Strahllage des Laserstrahls zu reduzieren.
Der Laser kann ein Hochleistungslaser, bevorzugt ein Hochleistungslaser mit Multipass-Scheibenverstärker, sein.
Die Bestimmungsvorrichtung der Ist-Strahllage kann ein FPGA und/oder einen Computer und/oder ein Rechnersystem und/oder einen Prozessor und/oder einen Mikrocontroller umfassen und die Bestimmungsvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, Ansteuerungsbefehle an die mindestens eine bewegliche Korrekturvorrichtung zu senden.
Die Korrekturvorrichtung kann dazu eingerichtet sein, Ansteuerungsbefehle, insbesondere Ansteuerungsbefehle der Bestimmungsvorrichtung, zu empfangen und umzusetzen. Die Korrekturvorrichtung kann hierbei insbesondere eine motorisierte Optik oder eine Piezo-gesteuerte Optik sein.
Ein Strahllagesensor kann vor und/oder nach einer Blende angeordnet sein und/oder ein Strahllagesensor kann vor dem Laserausgang angeordnet sein und/oder ein Strahllagesensor kann im Strahlengang nach dem Laser angeordnet sein und/oder ein Strahllagesensor kann vor einer Verstärkerstufe angeordnet sein.
Der Laserstrahl kann nach dem Stabilisieren der Ist-Strahllage in eine Blende und/oder in eine Transportfaser, insbesondere in eine Hohlkernfaser und/oder in ein Lasermodul eingekoppelt werden.
In dem Lasersystem kann die Abweichung der Ist-Strahllage des Laserstrahls von der Soll-Strahllage des Laserstrahls durch das oben beschriebene Verfahren reduziert werden.
Figurenliste
Bevorzugte weitere Ausführungsformen der Erfindung werden durch die nachfolgende Beschreibung der Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:

1A, B schematische Darstellung eines Lasersystems und des Strahllagesensors;
2A, B, C, D schematische Darstellung der Bestimmung der Ist-Strahllage;
3 weitere schematische Darstellung der Bestimmung der Ist-Strahllage;
4A, B weitere schematische Darstellung der Bestimmung der Ist-Strahllage; und
5 schematische Darstellung eines weiteren Lasersystems.

Detaillierte Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele anhand der Figuren beschrieben. Dabei werden gleiche, ähnliche oder gleichwirkende Elemente in den unterschiedlichen Figuren mit identischen Bezugszeichen versehen, und auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente wird teilweise verzichtet, um Redundanzen zu vermeiden.
In 1A ist schematisch ein Lasersystem 100 dargestellt. Das Lasersystem 100 umfasst hierbei einen Laser 1 der einen Laserstrahl 10 abgibt. Der Laserstrahl 10 weist hierbei in seinem Querschnitt eine Intensitätsverteilung 12 auf, welche während der Betriebszeit, insbesondere während der Aufwärmphase des Lasers 1 und des Lasersystems 100, variiert, wodurch insbesondere das Intensitätsmaximum 120 der Intensitätsverteilung 12 nicht im Raum fixiert ist. Vielmehr muss aufgrund der momentanen Gestalt der Intensitätsverteilung 12 die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 oft regelmäßig angepasst werden, so dass die weiteren optischen Elemente 3 des Lasersystems 100 nicht durch die dort deponierte Laserenergie beschädigt oder beeinträchtigt werden.
Zu diesem Zweck umfasst das Lasersystem 100 einen Strahllagesensor2 der dazu eingerichtet ist die Intensitätsverteilung 12 des Laserstrahls 10 in der Strahllagesensorebene zu messen. Der Strahllagesensor2 ist in 1B schematisch gezeigt. Der Strahllagesensor2 umfasst eine Vielzahl von lichtempfindlichen Strahllagesensorzellen 20, die in der Strahllagesensorebene 200, hier der x-y-Ebene, angeordnet sind.
Des Weiteren umfasst das Lasersystem 100 eine Bestimmungsvorrichtung 4, die dazu eingerichtet ist, die Ist-Strahllage 122 in der Strahllagesensorebene 200 zu bestimmen und eine Korrekturvorrichtung 340 die dazu eingerichtet ist die Abweichung der Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 von der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 zu reduzieren.
Der Laserstrahl 10 wird auf die Korrekturvorrichtung 340 gelenkt und anschließend über einen Umlenkspiegel 34 und einen Strahlteiler 32 auf den Strahllagesensor 2 geleitet. Der Strahllagesensor 2 ermöglich es die Intensitätsverteilung 12 des Laserstrahls 10 in der Strahllagesensorebene 200 zu messen. Aus der gemessenen Intensitätsverteilung wird in der Bestimmungsvorrichtung 4 die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 bestimmt, sowie die Abweichung zu der Soll-Strahllage 124 der Laserstrahls 10. Aus der Abweichung der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 kann die Bestimmungsvorrichtung 4 vorzugsweise ein Korrektursignal bestimmen, welches von der Korrekturvorrichtung 340 empfangen wird, um die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 anzupassen.
Die Korrekturvorrichtung 340 kann insbesondere ein motorisierter Spiegel sein, so dass die Korrektursignale Steuersignale für den Spiegelmotor sind. Es kann auch sein, dass der Spiegel ein piezo-gesteuerter Spiegel ist, so dass besonders kleine Abweichungen der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 korrigiert werden können.
Die Korrekturvorrichtung 340 kann die Ist-Strahllage 122 insbesondere in zwei verschiedenen Richtungen korrigieren, beispielsweise in x'-Richtung und y'-Richtung auf dem Strahllagesensor 2 in der Strahllagesensorebene 200. Beispielsweise kann in einem ersten Schritt die x-Abweichung und in einem zweiten Schritt die y-Abweichung der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 bestimmt und korrigiert werden. Es ist aber auch möglich, dass beide Abweichungen in demselben Schritt bestimmt und korrigiert werden.
Insbesondere kann der Umlenkspiegel 34 auch als Korrekturvorrichtung 340' ausgebildet sein. Dann können durch die beiden Korrekturvorrichtungen 340, 340' der Winkel des Laserstrahls 10 und ein Parallelversatz des Laserstrahls 10 unabhängig voneinander eingestellt werden.
In dem die Ist-Strahllage 122 auf dem Strahllagesensor 2 nach dem Strahlteiler 32 bestimmt wird, wirkt sich die Änderung der Ist-Strahllage auch auf die Ist-Strahllage des Laserstrahls 10 aus, der nicht zum Strahllagesensor 2, sondern zu einem nachfolgenden optischen Element gelangt. Somit kann die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 auf dem nachfolgenden optischen Element 3 gesteuert werden.
Wie beschrieben ist die Intensitätsverteilung 12 des Laserstrahls 10 zeitlich variabel, so dass eine zeitliche Korrektur der Ist-Strahllage 122 erfolgt. Hierzu wird mit der Bestimmungsvorrichtung 4 die Ist-Strahllage 122 bestimmt. Ausgangspunkt hierfür kann sein, dass der Strahllagesensor 2 so belichtet wird, dass die Aussteuerung des Strahllagesensors 2 zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 70% und 90% des Dynamikbereichs des Strahllagesensors 2 liegt.
Exemplarisch ist in 2A eine solche Messung einer Intensitätsverteilung 12 in der Strahllagesensorebene 200 gezeigt und in 2B der Intensitätsverlauf entlang der x-Achse des Strahllagesensors 2. Die maximale Aussteuerung des Strahllagesensors 2 beträgt hierbei etwa 3000 ADU. Bei einem Dynamikumfang von 12 bit (0 bis 4095 ADU) ergibt sich somit eine Aussteuerung von etwa 75%.
Bei einer Intensitätsverteilung 12 wie der in 2A kann es sinnvoll sein, eine Maskierung der gemessenen Intensitätsverteilung 12 vorzunehmen, so dass die Ist-Strahllage 122 genauer bestimmt werden kann. Maßgeblich kann hierbei beispielsweise sein, dass ansonsten ein optisches Element 3 im Strahlengang beschädigt werden kann, wenn ein zu intensiver Teil des Laserstrahls 10 beziehungsweise der Intensitätsverteilung 12 auf es fällt. Um die Ist-Strahllage 122 zu bestimmen, kann beispielsweise der Schwerpunkt der Intensitätsverteilung 12 berechnet werden. Es ist jedoch auch möglich eine Gauß'sche Glockenkurve numerisch an die gemessene Intensitätsverteilung 12 anzupassen (durchgezogene Linie).
Wie in 2A gezeigt, ist es jedoch möglich, dass beide vorgenannten Verfahren zu unterschiedlichen Ergebnissen für die Ist-Strahllage 122 führen, da die Position der Ist-Strahllage 122 aus der Bestimmung des Schwerpunkts und die Position der Ist-Strahllage 122 aus einer angepassten Gauß'schen Glockenkurve auseinanderfallen.
In den Figuren wird die Ist-Strahllage aus der Bestimmung des Schwerpunkts stets mit 1220 gekennzeichnet, während die Ist-Strahllage aus einer angepassten Gauß'schen Glockenkurve stets mit 1222 gekennzeichnet ist.
Dementsprechend kann bei der vorliegenden Intensitätsverteilung 12, wenn die Ist-Strahllage 122 mittels Bestimmung des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung 12 bestimmt wird, ein nachfolgendes optisches Element 3 beschädigt werden.
Abhilfe kann hierbei eine Intensitätsmaske schaffen, wobei lediglich der Teil der gemessenen Intensitätsverteilung 12 für die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 berücksichtigt wird, die einen Intensitätsschwellwert S übersteigt.
Beispielsweise kann in der 2A ein Intensitätsschwellwert S etwa 1000 ADU betragen. Dementsprechend werden bei der Bestimmung der Ist-Strahllage des Laserstrahls 10 nur Intensitätswerte des Strahllagesensors 2 berücksichtigt, die größer gleich oder größer 1000 ADU sind. Hierfür kann beispielsweise wie in 2C und 2D gezeigt der Intensitätsschwellwert S von der gemessenen Intensitätsverteilung 12 subtrahiert werden, wobei negative Werte durch 0 ersetzt werden.
Die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 durch die Bestimmung des Schwerpunkts wie auch durch eine Anpassung einer Gauß'schen Glockenkurve an die maskierte Intensitätsverteilung fallen dann zusammen, so dass die Bestimmung der Ist-Strahllage robust gegen weitere Variationen der Intensitätsverteilung 12 des Laserstrahls 10 ist.
Insbesondere sei erwähnt, dass ein solche Rechenoperationen, die auf den Daten der gemessenen Intensitätsverteilung 12 durchgeführt wird, mit Lateraleffektdioden nach dem Stand der Technik nicht möglich ist. Gewissermaßen entspricht die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 durch die Bestimmung des Schwerpunkts der unmaskierten Intensitätsverteilung der Bestimmung der Ist-Strahllage 122 mit einer solchen Lateraleffektdiode. Durch eine Maskierung der Intensitätsverteilungen 12 kann die Bestimmung des Schwerpunkts jedoch auf die relevanten Teile der Intensitätsverteilung 12 reduziert werden, so dass das Intensitätsmaximum 120 zuverlässig durch den weiteren optischen Aufbau geleitet werden kann.
Alternativ zu dem vorherigen Vorgehen kann der Intensitätsschwellwert S auch unabhängig von dem Dynamikumfang des Strahllagesensors 2 festgelegt werden. Beispielsweise kann wie in 3 gezeigt auch die maximale Aussteuerung des Strahllagesensors 2 bestimmt werden und anschließend relativ zu diesem Wert der Intensitätsschwellwert S festgelegt werden. Beispielsweise kann der Intensitätsschwellwert S größer als 5%, bevorzugt größer als 10% besonders bevorzugt größer als 20% der maximalen Aussteuerung des Strahllagesensors 2 sein. In der 3 beträgt der Intensitätsschwellwert 40%, so dass ein Einfluss der Nebenmaxima zuverlässig bei der Bestimmung der Ist-Strahllage 122 ausgeschlossen werden.
Die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 kann durch numerisches Anpassen einer Gauß'schen Glockenkurve an die maskierte gemessene Intensitätsverteilung 12' erreicht werden. Eine solche numerische angepasste Gauß'sche Glockenkurve ist in 2D gezeigt (durchgezogene Linie). Für die numerische Anpassung wird eine Gauß'sche Glockenkurve mit Startwerten für die Halbwertsbreite, die Amplitude, die Lage in x- und/oder y-Position auf dem Strahllagesensor 2, und einen numerischen Offset initialisiert. Bei der numerischen Anpassung wird der Abstand oder die Differenz der Funktionswerte der Gauß'schen Glockenkurve zu den gemessenen Intensitätswerten minimiert, indem die Startwerte für die oben genannten Parameter vorzugsweise systematisch variiert werden. Für einen minimalen Abstand oder Differenz der Gauß'schen Glockenkurve von der maskierten gemessenen Intensitätsverteilung 12 entspricht die Lage der Gauß'schen Glockenkurve der Ist-Strahllage des Laserstrahl 10.
Für Laserstrahlen 10 mit einem von einer Gauß'schen Glockenkurve abweichenden Strahlprofil kann bevorzugt die Ist-Strahllage 122 durch die Berechnung des Schwerpunkts der maskierten Intensitätsverteilung 12' bestimmt werden, oder durch Anpassen einer entsprechenden analytischen mathematischen Funktion der Gestalt der Intensitätsverteilung 12.
In 4A ist eine schematische Intensitätsverteilung 12 eines Flat-Top Laserstrahls 10 gezeigt. Der Flat-Top Laserstrahl 10 weist ein sehr homogenes Zentrum auf und fällt nach einem bestimmten Strahldurchmesser schnell zu einer verschwindend geringen Intensität ab. Zusätzlich kann der Flat-Top Laserstrahl beispielsweise einen asymmetrischen Hintergrund aufweisen, der die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 erschwert, sofern er bei der Bestimmung berücksichtigt wird. Die entsprechende Intensitätsverteilung entlang der x-Achse des Strahllagesensors 2 ist in 4B gezeigt.
Um die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahl 10 aus der gemessenen Intensitätsverteilung 12 zu bestimmen kann, wie in 4B gezeigt, die gemessene Intensitätsverteilung maskiert werden, beispielsweise indem ein Intensitätsschwellwert von 30% des gemessenen Intensitätsmaximums 120 festgelegt wird. Nur diejenigen Pixel des Strahllagesensors, die eine größere Intensität gemessen haben, werden bei der Bestimmung des Schwerpunkts berücksichtigt. Wie in 4B gezeigt liegt der dadurch bestimmte Ist-Strahllage 122 in der Mitte der maskierten gemessenen Intensitätsverteilung. Somit ist das Verfahren robust gegenüber asymmetrischen Ausläufern der Intensitätsverteilung 12.
Am Beispiel des Flat-Top Laserstrahls 10 ist auch ersichtlich, dass eine einfache Bestimmung des Intensitätsmaximums 120 oft nicht ausreichend für eine Bestimmung der Ist-Strahllage 122 ist. Erst durch eine weitere Datenverarbeitung der maskierten gemessenen Intensitätsverteilung 12' kann die Ist-Strahllage 122 zuverlässig bestimmt werden.
In 4A ist ebenfalls exemplarisch eine Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 gezeigt. Die Ist-Strahllage 122 soll hierbei der Soll-Strahllage 124 angepasst und idealerweise zur Deckung gebracht werden. Es ist aber auch möglich, dass die Soll-Strahllage 124 lediglich in einem gewissen Toleranzbereich (eingekreist) erreicht werden muss. Dies kann dazu führen, dass der Korrekturmechanismus bei einer ausreichenden Justage innerhalb des Toleranzbereichs nicht eingesetzt wird, so dass das optische Lasersystem 100 insgesamt stabil bleibt.
Um die Abweichung der Ist-Strahllage 122c von der Soll-Strahllage des Laserstrahls 10 zu korrigieren, kann mindestens eine Korrekturvorrichtung 340, beispielsweise zwei Korrekturvorrichtungen 340,angesteuert werden. Die Korrekturvorrichtungen 340 können hierbei insbesondere motorisierte Optiken oder Piezo-gesteuerte Optiken sein.
Beispielsweise ist in 1 die Korrekturvorrichtung 340 durch einen verkippbaren Umlenkspiegel gegeben. Der Umlenkspiegel 340 kann insbesondere in zwei Achsen verkippbar sein, so dass die Ist-Strahllage 122 auf dem Strahllagesensor 2 in zwei Achsen angepasst werden kann. Der Umlenkspiegel 340 kann beispielsweise ein Grobverstellung aufweisen, etwa durch Schrittmotoren, so dass besonders große Abweichungen der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 reduziert werden können. Der Umlenkspiegel 340 kann zusätzlich auch eine Piezo-Verstellung aufweisen, wobei durch die Piezo-Verstellung eine besonders feine und schnelle Anpassung der Ist-Strahllage 122 an die Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 erreicht werden kann.
Beispielsweise werden in einem initialen Kalibrierungsprozess je eine x'- oder y'-Achse des Umlenkspiegels 340 verstellt und anschließend der Ablenkungseffekt in x- oder y-Richtung der Ist-Strahllage 122 auf dem Strahllagesensor 2 überprüft. Dadurch können den x'-y'-Achsen des Umlenkspiegels 340 den zwei x-y-Achsen auf dem Strahllagesensor 2 und umgekehrt zugeordnet werden. Zudem kann die Größe der Ansteuerung des Umlenkspiegels 340 der Größe des Ablenkungseffekts auf dem Strahllagesensor 2 zugeordnet werden. Dies ermöglicht es Abweichungen der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 auf dem Strahllagesensor 2 einer gewünschten Achsverstellung des Umlenkspiegels 340 zuzuordnen.
Wenn eine Abweichung der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 festgestellt wird, dann kann diese Abweichung in eine Achsverstellung der Korrekturvorrichtung 340 überführt werden. Beispielsweise kann dann eine Korrektur der Ist-Strahllage 122 durch eine gewisse Anzahl an Motorschritten in einer oder mehreren Achsen und durch Anlegen einer Spannung an die Piezo-Steuerung in einer oder mehreren Achsen erreicht werden.
Die Bestimmung der Ist-Strahllage 122 und/oder die Ansteuerung der mindestens einen beweglichen Korrekturvorrichtung 340 kann hierbei durch einen FPGA 4 und/oder einer Computer 4 erfolgen. Hierzu wertet der FPGA und/oder Computer die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 nach einem der vorherigen Verfahren aus und vergleicht diese mit der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10. Eine entsprechende Abweichung kann schließlich durch ein elektronisches Signal an die bewegliche Korrekturvorrichtung 340 korrigiert werden.
In 5 ist ein schematischer Aufbau des Lasersystems 100 gezeigt. Hierbei wird der Laserstrahl 10 des Lasers 1 zunächst auf eine erste Korrekturvorrichtung 340 gelenkt, durch die der Laserstrahl 10 mittelbar durch eine erste Blende 30 geleitet wird. Durch einen ersten Strahllagesensor 2 wird die Ist-Strahllage 122 des Laserstrahls 10 gemessen und durch die Bestimmungsvorrichtung 4 wird die Ist-Strahllage 122 bestimmt und entsprechend der Abweichung von Ist-Strahllage 122 und Soll-Strahllage 124 ein Korrektursignal an die Korrekturvorrichtung 340 geliefert. Dadurch wird erreicht, dass der Laserstrahl 10 sicher durch die erste Blende 30 geleitet wird.
Nach der ersten Blende 30 durchläuft der Laserstrahl 10 beispielsweise einen verstellbaren Strahlteiler 340' und einen Verstärker 38, der beispielsweise in einer Multipass-Zelle 382 eine Spiegeleinrichtung 380 und ein scheibenförmiges aktives Medium 384 aufweist. Durch die Spiegeleinrichtung 380 wird der Laserstrahl 10 mehrfach durch das aktive Medium 384 geleitet und dabei verstärkt. Nach dem Durchlaufen des Verstärkers 38 wird der Laserstrahl 10 durch den verstellbaren Strahlteiler 340` durch ein weiteres optisches Element 30', beispielsweise eine weitere Blende 30' und einen weiteren Strahlteiler 32' geleitet. Schließlich wird die Intensitätsverteilung 12 des Laserstrahls 10 mit einem weiteren Strahllagesensor 2' gemessen.
Aus der Intensitätsverteilung 12 kann nun mit einer weiteren Bestimmungsvorrichtung 4' die Ist-Strahllage 122 und die Abweichung der Ist-Strahllage 122 von der Soll-Strahllage 124 des Laserstrahls 10 bestimmt werden. Die Korrektur erfolgt an dem verstellbaren Strahlteiler 340`. Durch den verstellbaren Strahlteiler 340' wird somit der Pfad des Laserstrahls 10 nach dem Verstärker hin zu dem zweiten Strahllagesensor 2' bestimmt.
Die Bestimmungsvorrichtungen 4 und 4' können hierbei dieselbe Bestimmungsvorrichtung sein, so dass beispielsweise ein einziger FPGA und/oder Computer für das gesamte Lasersystem 100 verwendet werden kann.
Der weitere Strahlteiler 32' reflektiert den Laserstrahl 10 nach dem Verstärker 38 teilweise zu einer weiteren Transportstrecke. Beispielsweise kann der Weitertransport des Laserstrahls 10 durch eine Faser, insbesondere eine Hohlkernfaser 36 ermöglicht werden. Hierzu wird der Laserstrahl 10 von dem weiteren Strahlteiler 32' in eine Einkoppeloptik 360 geleitet, die den Laserstrahl 10 in eine entsprechende Faser einkoppelt. Die Justage des verstellbaren Strahlteiler 340` wirkt sich somit auch auf die Einkopplung des Laserstrahls 10 in die Transportfaser 36 aus.
Es ist insbesondere auch möglich den Strahlteiler 32' als Korrekturvorrichtung auszuführen, so dass die Einkopplung in die Faser 36 unabhängig von dem Pfad des Laserstrahls 10 durch den Verstärker 38 eingestellt werden kann.
Soweit anwendbar, können alle einzelnen Merkmale, die in den Ausführungsbeispielen dargestellt sind, miteinander kombiniert und/oder ausgetauscht werden, ohne den Bereich der Erfindung zu verlassen.
Bezugszeichenliste

1: Laser
100: Lasersystem
10: Laserstrahl
12: Intensitätsverteilung
120: Intensitätsmaximum
122: Ist-Strahllage
1220: Ist-Strahllage (Schwerpunkt)
1222: Ist-Strahllage (Gauß-Fit)
124: Soll-Strahllage
2: Strahllagesensor
20: Sensorzellen
200: Strahllagesensorebene
3: optisches Element
30: Blende
32: Strahlteiler
34: Umlenkspiegel
340: Korrekturvorrichtung
36: Hohlkernfaser
360: Einkoppeloptik
38: Verstärker
380: Spiegeleinrichtung
382: Multipass-Zelle
384: aktives Medium
4: Bestimmungsvorrichtung
S: Intensitätsschwellwert

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 3682200 [0005]
US 8971363 [0005]

Claims

Verfahren zum Stabilisieren der Strahllage eines Laserstrahls (10) eines Lasers (1), umfassend das Messen der Intensitätsverteilung (12) des Laserstrahls (10) mit einem Strahllagesensor (2) in der Strahllagesensorebene (200), die Bestimmung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) in der Strahllagesensorebene (200) aus der gemessenen Intensitätsverteilung (12) und das Korrigieren der Abweichung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) von der Soll-Strahllage (124) des Laserstrahls (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Strahllagesensor (2) ein zweidimensional aufgelöstes Sensorarray mit Sensorzellen (20) ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahllagesensoreinstellungen so gewählt werden, dass die Aussteuerung des Strahllagesensors (2) zwischen 50% und 95%, bevorzugt zwischen 70% und 90% des Dynamikbereichs des Strahllagesensors (2) liegt.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Ist-Strahllage (122) das Anwenden einer Intensitätsmaske auf die gemessene Intensitätsverteilung (12) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Anwenden der Intensitätsmaske darin besteht, nur den Teil der gemessenen Intensitätsverteilung (12) zu berücksichtigen, der einen Intensitätsschwellwert (S) übersteigt, und/oder dass das Anwenden der Intensitätsmaske darin besteht, von der gemessenen Intensitätsverteilung (12) den Intensitätsschwellwert (S) abzuziehen, wobei negative Werte durch 0 ersetzt werden, und/oder dass das Anwenden der Intensitätsmaske darin besteht, eine logische Indizierung der gemessenen Intensitätsverteilung (12) durchzuführen, wobei alle Werte der gemessenen Intensitätsverteilung oberhalb des Intensitätsschwellwerts (S) durch einen ersten Wert ersetzt werden und alle Werte unterhalb des Intensitätsschwellwerts (S) durch einen zweiten Wert ersetzt werden, der vom ersten Wert verschieden ist.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Intensitätsschwellwert (S) größer als 5%, bevorzugt größer als 10% besonders bevorzugt größer als 20% des Intensitätsmaximums (120) der gemessenen Intensitätsverteilung (12) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Intensitätsschwellwert (S) größer als 5%, bevorzugt größer als 10%, besonders bevorzugt größer als 20% der maximal möglichen Aussteuerung des Strahllagesensors (2) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) durch numerisches Anpassen einer analytischen Funktion, insbesondere einer Gauß'schen Glockenkurve und/oder einer Sekans-Quadrat-Funktion, und/oder einer Polynomfunktion n-ter Ordnung, an die maskierte gemessene Intensitätsverteilung (12') und/oder durch Berechnen des Schwerpunkts der maskierten gemessenen Intensität (12') und/oder durch das Intensitätsmaximum (120) der maskierten gemessenen Intensität (12') bestimmt wird.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) Gauß-förmiges und/oder Flat-Top-förmiges und/oder Donut-förmiges Strahlprofil aufweist.
Lasersystem (100) mit Strahllagebestimmung, umfassend einen Strahllagesensor (2) der dazu eingerichtet ist die Intensitätsverteilung (12) des Laserstrahls (10) in der Strahllagesensorebene (200) zu messen, eine Bestimmungsvorrichtung (4) die dazu eingerichtet ist die Ist-Strahllage (122) in der Strahllagesensorebene (200) zu bestimmen, eine Korrekturvorrichtung (340) die dazu eingerichtet ist die Abweichung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) von der Soll-Strahllage (124) des Laserstrahls (10) zu reduzieren.
Lasersystem (100) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser (1) ein Hochleistungslaser, bevorzugt ein Hochleistungslaser mit Multipass-Scheibenverstärker, ist.
Lasersystem (100) nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmungsvorrichtung (4) der Ist-Strahllage (122) ein FPGA und/oder einen Computer und/oder ein Rechnersystem und/oder einen Prozessor und/oder einen Mikrocontroller umfasst und die Bestimmungsvorrichtung dazu eingerichtet ist Ansteuerungsbefehle an die mindestens eine bewegliche Korrekturvorrichtung (340) zu senden.
Lasersystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturvorrichtung (340) dazu eingerichtet ist Ansteuerungsbefehle, insbesondere Ansteuerungsbefehle der Bestimmungsvorrichtung (4), zu empfangen und umzusetzen und insbesondere eine motorisierte Optik oder eine Piezo-gesteuerten Optik ist.
Lasersystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strahllagesensor (2) vor und/oder nach einer Blende angeordnet ist und/oder ein Strahllagesensor (2) vor dem Laserausgang angeordnet ist und/oder ein Strahllagesensor (2) im Strahlengang nach dem Laser (1) angeordnet ist und/oder ein Strahllagesensor (2) vor einer Verstärkerstufe angeordnet ist.
Lasersystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (10) nach dem Stabilisieren der Ist-Strahllage (122) in eine Blende (30) und/oder in eine Transportfaser, insbesondere in eine Hohlkernfaser (36) und/oder in ein Lasermodul eingekoppelt wird.
Lasersystem (100) nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung der Ist-Strahllage (122) des Laserstrahls (10) von der Soll-Strahllage (124) des Laserstrahls (10) durch ein Verfahren nach den Ansprüche 1 bis 10 reduziert wird.