DE102023127826A1

DE102023127826A1 - System und verfahren zur profiluntersuchung eines laserstrahls über ein galvanometerscanfeld

Info

Publication number: DE102023127826A1
Application number: DE102023127826.6A
Authority: DE
Inventors: Michael J. Scaggs
Original assignee: Haas Laser Technologies Inc
Current assignee: Haas Laser Technologies Inc
Priority date: 2022-10-17
Filing date: 2023-10-11
Publication date: 2024-04-18
Also published as: US20240125645A1

Abstract

System und Verfahren zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometer-Scanners, der eine Dämpfungsoptik aufweist, wobei die Dämpfungsoptik eine erste Meniskuslinse aufweist, die der fokussierten Laserstrahlquelle zugewandt ist, wobei die erste Meniskuslinse in einem festen Einfallswinkel in Bezug zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist, und eine zweite Meniskuslinse zwischen der ersten Meniskuslinse und einem pixelierten Detektor, wobei die zweite Meniskuslinse unter im Wesentlichen demselben festen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist wie die erste Meniskuslinse und relativ zur ersten Meniskuslinse um 90° gedreht ist.

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Optische Galvanometer-Scanner, auch Galvos oder Galvo-Scanner genannt, sind motorisierte Systeme, die für die Steuerung oder das Scannen von Laserstrahlen eingesetzt werden. Galvoscanner sind ideal, um kleine Laserstrahlen schnell, genau und präzise zu bewegen. Galvanometerscanner werden überall dort eingesetzt, wo Laserstrahlen gelenkt werden, z. B. in der Materialbearbeitung, bei Laser-Lichtshows, in der Fertigung, beim Verpacken, Schneiden, Markieren, Schweißen und bei zahlreichen anderen Anwendungen.
Bei Galvoscannern bewegt sich ein Laserstrahl ständig über ein Scanfeld. Die Profiluntersuchung des Laserstrahls für Galvoscanner ist angesichts der Bewegungsdynamik und der hohen Leistung des fokussierten Laserstrahls eine schwierige Aufgabe. Ein bekanntes Gerät zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls ist ein gepixelter Detektor, wie z. B. ein CMOS-Sensor (Complementary Metal-Oxide Semiconductor), ein CCD-Sensor (Charged Coupled Device) oder eine andere geeignete zweidimensionale Anordnung. Das Problem bei diesen Sensoren ist, dass sie nur eine Leistung im Mikrowattbereich verarbeiten können, die industriell für Galvoscanner verwendeten Laser liegen jedoch im Watt- bis Kilowattbereich. Folglich muss der Laser in irgendeiner Weise gedämpft werden, was die Messung jedoch weiter erschwert, da Dämpfungstechniken bekanntermaßen zu unerwünschten Strahlabweichungen führen.
Außerdem sind die meisten industriellen Laserscannersysteme nicht telezentrisch, d. h. der Laserstrahl trifft in einem Winkelbereich von mehr als +/- 20 Grad auf das Verarbeitungsfeld. Bei diesem extremen Winkel wird der normalerweise runde Laserstrahl aufgrund der Neigung des Strahls an der Oberfläche elliptisch, obwohl der Strahl fokussiert ist. Dies ist auf den winkligen konischen Schnitt innerhalb des Scanfelds zurückzuführen. Dieses Problem kann zwar mit einer telezentrischen Optik gelöst werden, aber diese Systeme sind optisch viel komplexer und haben aufgrund dieser Komplexität im Allgemeinen viel kleinere Scanfelder und sind daher nicht so verbreitet wie die nicht telezentrischen Systeme.
Dementsprechend besteht ein Bedarf an einem System und Verfahren zur Auswertung des fokussierten Laserstrahls an jeder beliebigen Stelle des Scanfelds, ohne den Strahl zu verändern, indem der Strahl so profiluntersucht wird, wie das vom Laser bearbeitete Material das Licht sehen würde.
In Anbetracht des gesamten Standes der Technik zum Zeitpunkt der Erfindung war es jedoch für den Fachmann nicht offensichtlich, wie die Grenzen des Standes der Technik überwunden werden können.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls über ein Galvanometer-Scanfeld.
In einer Ausführungsform umfasst ein System zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometerscanners eine Dämpfungsoptik, die so angeordnet ist, dass sie einen fokussierten Laserstrahl von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners empfängt. Die Dämpfungsoptik umfasst eine erste Meniskuslinse und eine zweite Meniskuslinse, die von der ersten Meniskuslinse getrennt ist. Die erste Meniskuslinse hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der fokussierten Laserstrahlquelle zugewandt ist, und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die erste Meniskuslinse unter einem festen Einfallswinkel in Bezug zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist. Die zweite Meniskuslinse hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse zugewandt ist, und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die zweite Meniskuslinse im Wesentlichen unter dem gleichen festen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist wie die erste Meniskuslinse und relativ zur ersten Meniskuslinse um 90° gedreht ist. Insbesondere sind der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse im Wesentlichen gleich. Das System umfasst ferner einen gepixelten Detektor, der parallel zu einem Scanfeld des Galvanometerscanners angeordnet ist, um den fokussierten Laserstrahl von der zweiten Meniskuslinse zu empfangen.
Die Dämpfungssoptik kann ferner einen oder mehrere Filter enthalten, die zwischen der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und dem gepixelten Detektor angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren Filter einen normalen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls haben.
Das System kann außerdem eine Justiervorrichtung zum Einstellen einer optischen Achse aufweisen, die mit der Dämpfungsoptik gekoppelt ist. Die Justiervorrichtung für die optische Achse ist so konfiguriert, dass sie den Einfallswinkel der Dämpfungsoptik so einstellt, dass der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse beibehalten wird und der normale Einfallswinkel des einen oder der mehreren Filter relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls über einen Scanfläche des Galvanometerscanners beibehalten wird.
Das System kann außerdem eine Justiervorrichtung für den gepixelten Detektor enthalten, die mit dem gepixelten Detektor gekoppelt ist. Die Justiervorrichtung für den gepixelten Detektor ist so konfiguriert, dass sie den gepixelten Detektor so positioniert, dass er den fokussierten Laserstrahl empfängt, wenn sich der Galvanometerscanner über das Scanfeld bewegt.
In einer weiteren Ausführungsform wird ein Verfahren zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometer-Scanners bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Positionieren einer Dämpfungsoptik zum Empfangen eines fokussierten Laserstrahls von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners. Die Dämpfungsoptik weist eine erste Meniskuslinse und eine zweite Meniskuslinse auf, die von der ersten Meniskuslinse getrennt ist. Die erste Meniskuslinse hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der fokussierten Laserstrahlquelle zugewandt ist, und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die erste Meniskuslinse unter einem festen Einfallswinkel relativ zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist. Die zweite Meniskuslinse hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse zugewandt ist, und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die zweite Meniskuslinse im Wesentlichen unter dem gleichen festen Einfallswinkel in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist wie die erste Meniskuslinse und um etwa 90° relativ zur ersten Meniskuslinse gedreht ist. Insbesondere sind der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse im Wesentlichen gleich.
Das Verfahren umfasst ferner ein Positionieren eines gepixelten Detektors parallel zu einem Scanfeld des Galvanometerscanners, um den fokussierten Laserstrahl von der zweiten Meniskuslinse zu empfangen. Das Verfahren umfasst außerdem ein Dämpfen des fokussierten Laserstrahls, der an der Dämpfungsoptik empfangen wird, ein Übertragen des gedämpften fokussierten Laserstrahls an den gepixelten Detektor und ein Messen des gedämpften fokussierten Laserstrahls an dem gepixelten Detektor, um ein Profil des fokussierten Laserstrahls von der Laserstrahlquelle des Galvanometerscanners zu untersuchen.
Das Verfahren kann ferner ein Positionieren eines oder mehrerer Filter in der Dämpfungsoptik zwischen der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und dem gepixelten Detektor umfassen, wobei der eine oder die mehreren Filter einen normalen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls aufweisen.
Das Verfahren kann ferner ein Koppeln einer Justagevorrichtung zum Einstellen einer optischen Achse mit der Dämpfungsoptik aufweisen, wobei die Justagevorrichtung zum Einstellen einer optischen Achse den Einfallswinkel der Dämpfungsoptik so einstellt, dass der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls beibehalten wird und der normale Einfallswinkel des einen oder der mehreren Filter in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls über eine Scanfläche des Galvanometerscanners beibehalten wird.
Das Verfahren kann ferner ein Koppeln einer Justiervorrichtung für den pixelierten Detektor mit dem pixelierten Detektor aufweisen. Die Justagevorrichtung für den gepixelten Detektor ist so konfiguriert, dass sie den gepixelten Detektor so positioniert, dass er den fokussierten Laserstrahl empfängt, wenn sich der Galvanometerscanner über das Scanfeld bewegt.
In verschiedenen Ausführungsformen bietet die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zum Auswerten eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometerscanners an einer beliebigen Stelle innerhalb des Scanfeldes, ohne den Laserstrahl zu verändern.
Diese und andere wichtige Gegenstände, Vorteile und Merkmale der Erfindung werden im weiteren Verlauf der Beschreibung deutlich werden.
Die Erfindung weist dementsprechend die Merkmale der Konstruktion, der Kombination von Elementen und der Anordnung von Teilen, die in der nachstehenden Beschreibung beispielhaft beschrieben werden auf, und der Umfang der Erfindung wird in den Ansprüchen angegeben.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Zum besseren Verständnis des Wesens und der Ziele der Erfindung wird auf die folgende ausführliche Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen verwiesen, in denen:

1 ein Diagramm ist, das ein System mit einer Dämpfungsoptik zeigt, die zwei optische Elemente zur Dämpfung eines Laserstrahls aufweist, ohne eine Aberration in den Laserstrahl einzuführen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
2A ist ein Punktdiagramm, das ein Laserprofil ohne die Dämpfungsoptik der vorliegenden Erfindung zeigt.
2B ist ein Punktdiagramm, das ein Laserprofil mit der Dämpfungsoptik der vorliegenden Erfindung zeigt.
3 ist ein Punktdiagramm, das ein Laserprofil zeigt, bei dem einer der Spiegel in der Dämpfungsoptik entfernt wurde.
4A ist ein Diagramm, das eine Querschnittsansicht eines Systems mit einer Dämpfungsoptik zeigt, die ein plan-konvexes optisches Element und ein plan-konkaves optisches Element zur Dämpfung eines Laserstrahls aufweist, ohne eine Aberration in den Laserstrahl einzuführen, gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
4B ist eine vergrößerte Ansicht der in 4A dargestellten Dämpfungsoptik.
5 ist ein Diagramm, das ein System mit einer Dämpfungsoptik mit zwei Meniskuslinsen zur Dämpfung eines Laserstrahls ohne Einführung einer Aberration in den Laserstrahl gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
6A ist eine Querschnittsansicht des Systems von 5 mit einer Dämpfungsoptik, die zwei Meniskuslinsen zur Dämpfung eines Laserstrahls aufweist, ohne eine Aberration in den Laserstrahl einzuführen, in Übereinstimmung mit einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
6B ist eine vergrößerte Ansicht der Dämpfungsoptik von 6A.
7 ist ein Diagramm, das das System von 5 veranschaulicht, das weiterhin eine Justagevorrichtung zum Einstellen einer optischen Achse zum Einstellen des Winkels der Dämpfungsoptik auf der Grundlage des Winkels des Laserstrahls relativ zum Scanfeld und eine Justagevorrichtung zum Einstellen eines Pixeldetektors zum Einstellen der Position des Pixeldetektors innerhalb des Scanfeldes gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung aufweist.
8 ist ein Diagramm, das das System von 7 einschließlich eine Strahlfalle zeigt.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
In verschiedenen Ausführungsformen ermöglicht die vorliegende Erfindung die Laserstrahlprofiluntersuchung eines Scanfelds für ein Hochleistungslaser-Galvanometersystem, das in einem beliebigen zweidimensionalen Scanfeld eines Galvanometerscanners verwendet wird, der einen fokussierten Laserstrahl über ein großes Feld zum Markieren, Schneiden, Bohren, 3-D-Pulverbeeten oder verschiedenen anderen Hochleistungslaseranwendungen mit einer Galvanometerscanner-Vorrichtung lenkt. Das System und das Verfahren der vorliegenden Erfindung sind wirksam bei der Dämpfung eines Hochleistungslaserstrahls, so dass er von einem gepixelten Detektor betrachtet werden kann, ohne dass eine Aberration in den Laserstrahl eingebracht wird, und bieten dadurch die Möglichkeit, das Profil des fokussierten Laserstrahls an jedem Ort innerhalb des Scanfeldes eines laserbasierten Galvanometerscannersystems direkt zu messen.
Die Abbildung des Laserstrahlprofils eines Galvanometer-Scanfeldes, z. B. eines additiven 3-D-Pulverbettes oder eines Scanfeldes eines 2-D-F-Theta-Linsengalvanometers, war bisher nicht möglich, ohne dass komplexe Methoden erforderlich waren oder nur ein begrenzter Bereich des Scanfeldes abgedeckt wurde. Die derzeit bekannten Systemen geben den Benutzern von 3D-Additivmaschinen nicht die große Sicherheit festzustellen, wie der Laserstrahl in den äußersten Bereichen des Scanfelds aussieht. Geht man von einem perfekten Gaußschen Strahl in der 0,0-Position des Scanfelds aus, so wird der runde Strahl an einer äußeren Ecke des Scanfelds für jedes nicht telezentrische Scannersystem aufgrund des Winkels des Strahls an der extremen Feldposition zu einem elliptischen Strahl. Dies setzt weiterhin voraus, dass der Scanner beugungsbegrenzt ist und an diesen extremen Feldpunkten keine Aberrationen aufweist. Die Schwierigkeit liegt sowohl in der hohen Leistung von mehreren hundert Watt bis zu mehr als einem Kilowatt von Dauerstrichlasern als auch in der Winkelbewegung des Strahls über das Scanfeld, die die Dämpfung des Strahls schwierig macht, ohne eine Aberration im Quellstrahl zu erzeugen. In den verschiedenen Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können nun ein System und ein Verfahren zur Abbildung eines großen Scanfelds eines laserbasierten Scanners für ein additives 3-D-System mit einer Laserleistung von mehr als 1 Kilowatt realisiert werden. Darüber hinaus ist das System kompakt, aberrationsfrei, schnell und sehr einfach zu bedienen.
In verschiedenen Ausführungsformen stellt die vorliegende Erfindung ein System und Verfahren zur Strahldämpfung bereit, das nicht zur Aberration des fokussierten Laserstrahls eines Galvanometerscanners beiträgt.
Das Strahldämpfungssystem der vorliegenden Erfindung weist, im weitesten Sinne, zwei hochreflektierende Spiegel auf, die in einem Einfallswinkel zur optischen Achse des Laserstrahls angeordnet sind, wobei jeder Spiegel in entgegengesetzten Achsen um 90° zueinander geneigt ist. Im Allgemeinen ist der erste Dämpfungsspiegel so positioniert, dass er das Licht des Laserstrahls des Galvanometerscanners empfängt, weistein für das zu messende Licht geeignetes Substrat auf und hat auf einer ersten Oberfläche eine hochreflektierende Beschichtung von > 99% und auf einer zweiten Oberfläche eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsvermögen von < 1,0%. Der zweite Dämpfungsspiegel hat eine Beschichtung und ein Substrat, das mit dem des ersten Dämpfungsspiegels vergleichbar ist. Ein geeignetes Substrat für die Reflexionsspiegel kann Quarzglas für einen Hochleistungs-Faserlaser oder ZnSe (Zinkselenid) für einen CO₂ Laser sein. Wenn der Leistungspegel des durchgelassenen Lichts niedrig genug ist, um keine thermische Linsenbildung zu verursachen, kann ein Substrat aus absorbierendem Material verwendet werden, so dass alle Geisterbilder, die durch die zweiten Oberflächenreflexionen der beiden Spiegel entstehen, gedämpft werden und vom gepixelten Detektor nicht erfasst werden. Dieses absorbierende Substrat mit einer hochreflektierenden Beschichtung kann an beliebiger Stelle vor dem gepixelten Detektor angeordnet werden, wenn die Leistung durch die ersten beiden Dämpfungsspiegel sehr hoch ist. Durch die Kombination der beiden erfindungsgemäßen Dämpfungsspiegel kann das Laserlicht direkt auf den gepixelten Detektor fokussiert werden, ohne dass der Strahl verändert wird.
Bezugnehmend auf 1 weist eine Dämpfungsoptik 100 in einer Ausführungsform einen ersten Dämpfungsspiegel 105 und einen zweiten Dämpfungsspiegel 110 auf. Die Dämpfungsoptik 100 ist so angeordnet, dass sie einen fokussierten Laserstrahl 120 von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners empfängt. In dieser Ausführungsform sind der erste Dämpfungsspiegel 105 und der zweite Dämpfungsspiegel 110 in einem Einfallswinkel von 45° zur optischen Achse des Laserstrahls 120 angeordnet. Wie später beschrieben wird, kann ein Einfallswinkel von 22,5° eine bessere Ausrichtung sein, aber um den Einfluss der geneigten Optik auf den fokussierten Laserstrahl 120 zu demonstrieren, wird der Einfallswinkel von 45° für die Erörterung des Problems der optischen Aberration verwendet. Wie dargestellt, sind der erste Dämpfungsspiegel 105 und der zweite Dämpfungsspiegel 110 in entgegengesetzten Achsen zueinander um 90° gekippt. Der Teil des Laserstrahls, der aus dem zweiten Dämpfungsspiegel 110 austritt, wird von dem gepixelten Detektor 115 gemessen, der parallel zu einem Scanfeld des Galvanometerscanners angeordnet ist.
2A zeigt ein Diagramm des Strahls aus 1 durch den Brennpunkt, und der gleiche Strahl ohne Dämpfungsoptik ist in 2B dargestellt. Wie zu sehen ist, gibt es keine Veränderung der optischen Leistung, so dass die Dämpfungsoptik 100 der vorliegenden Erfindung die Dämpfung ohne Einführung schädlicher Aberrationen bereitstellt. Wenn man einen der beiden Dämpfungsspiegel 105, 110 entfernt, führt das Fehlen des zweiten Dämpfungsspiegels, der um 90° in Bezug auf den ersten Dämpfungsspiegel gedreht ist, zu dem in 3 gezeigten Diagramm des durchgehenden Brennpunkts, das sich drastisch verändert. So zeigt sich, dass bei nur einem gekippten Dämpfungsspiegel die optische Weglänge in einer Achse um die Quadratwurzel aus der zweifachen Dicke des Fensters länger ist als in der anderen Achse, was natürlich aufgrund dieser unterschiedlichen Weglänge zwischen den beiden Achsen zu Astigmatismus führt.
Während 1 das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung zeigt, gibt es andere Ausführungsformen, die Vorteile für das Deponieren der reflektierten Hochleistungslaserstrahlung bieten und daher wünschenswerter sind.
4A und 4B zeigen eine Dämpfungsoptik 400 mit einer ersten Optik 405 und einer zweiten Optik 410. Die erste Optik 405 umfasst ein plankonkaves Element und ein plankonvexes Element, wobei das plankonkave Element und das plankonvexe Element im Wesentlichen gleiche, aber entgegengesetzte Vorzeichen der Krümmungsradien aufweisen. Die zweite Optik 410 umfasst ebenfalls ein plankonkaves Element und ein plankonvexes Element, wobei das plankonkave Element und das plankonvexe Element im Wesentlichen gleiche, aber entgegengesetzte Vorzeichen der Krümmungsradien aufweisen. Die Krümmungsradien dieser beiden Optiken 405, 410 sind im Wesentlichen gleich, so dass diese beiden Optiken, die sich in unmittelbarer Nähe zueinander befinden, sich aber nie berühren, keine „optische Leistung“ aufweisen. Der Abstand der Optiken 405, 410 kann <1mm betragen, um den Leistungseinfluss abzuschwächen. In dieser Ausführungsform hat die konkave Oberfläche des plan-konkaven Elements 405 eine hochreflektierende Beschichtung, so dass < 1,0 % des Lichts 420 durchgelassen wird. Die ebene Oberfläche des plan-konkaven Elements 405 hat eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad von < 1,0 %. Die konvexe Oberfläche des plankonvexen Elements 410 weist eine hochreflektierende Beschichtung auf, so dass <1,0 % des Lichts 420 durchgelassen wird. Die ebene Oberfläche des plankonvexen Elements 410 hat eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsvermögen von <1,0 %. Die Kombination aus erster Optik 405 und zweiter Optik 410 ist in einem Winkel von 22,5° geneigt, um das von der konkaven Oberfläche der ersten Optik 405 reflektierte Licht durchzulassen, was dazu führen würde, dass sich das im Wesentlichen reflektierte Licht nach der Reflexion an der konkaven Oberfläche in Richtung eines Strahlenkanals (nicht dargestellt) auszudehnen beginnt. Die Dämpfungsoptik 400 weist ferner ein Filterpaar 450 auf, das die gleiche optische Dicke wie das Elementpaar plan-konkav 405/plan-konvex 410 aufweist. Das Filterpaar 450 umfasst einen Laserlichtdurchlassfilter 425 und einen Neutraldichtefilter 430. Der Laserlichtdurchlassfilter 425 kann ein Kurzpassfilter, ein Langpassfilter, ein Schmalbandpassfilter oder ein beliebiger anderer in der Technik bekannter Filter sein, der unerwünschtes Restlicht wirksam blockiert und das auf den gepixelten Detektor auftreffende Laserlicht durchlässt. Das Filterpaar 450 fällt im Wesentlichen senkrecht auf den fokussierten Laserstrahl 420.
Eine weitere Ausführungsform zur Bereitstellung divergenter Reflexionen, ohne dass dem optischen Dämpfungspaar optische Leistung hinzugefügt wird, ist in 5 dargestellt. Wie in 5 gezeigt, weist ein System zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometerscanners eine Dämpfungsoptik 500 auf, die so positioniert ist, dass sie einen fokussierten Laserstrahl 520 von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners empfängt. Die Dämpfungsoptik 500 umfasst eine erste Meniskuslinse 505 und eine zweite Meniskuslinse 510, die von der ersten Meniskuslinse 505 getrennt ist. Die erste Meniskuslinse 505 hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der fokussierten Laserstrahlquelle 520 zugewandt ist, und eine der ersten Oberfläche gegenüberliegende zweite Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, und die erste Meniskuslinse 505 ist in einem festen Einfallswinkel relativ zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls 520 geneigt. Die zweite Meniskuslinse 510 hat eine erste Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse 505 zugewandt ist, und eine zweite, der ersten Oberfläche gegenüberliegende Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, und die zweite Meniskuslinse 510 ist im Wesentlichen unter demselben festen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls 520 geneigt wie die erste Meniskuslinse 505 und ist um etwa 90° in Bezug zur ersten Meniskuslinse 505 gedreht. Insbesondere sind der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse 505, der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse 505, der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse 510 und der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse 510 im Wesentlichen gleich. Die Dämpfungsoptik kann ferner ein Filterelement 550 aufweisen, das einen Laserlichtdurchlassfilter 525 und einen Neutraldichtefilter 530 aufweisen kann, wie zuvor beschrieben. Das Filterelement 550 ist in einem normalen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls 520 angeordnet. Das System weist ferner einen gepixelten Detektor 515 auf, der parallel zu einem Abtastfeld des Galvanometerscanners angeordnet ist, wobei der gepixelte Detektor den fokussierten Laserstrahl von der zweiten Meniskuslinse 510 empfangen soll.
Eine Querschnittsansicht der Ausführungsform von 5 ist in 6A und 6B dargestellt. 6B ist eine vergrößerte Version der Dämpfungsoptik 500 von 6A. Wie in 5 sind die Linsen der Dämpfungsoptik 500 im Wesentlichen Meniskuslinsen 505, 510, da die Krümmungsradien für die erste Oberfläche 507 und die zweite Oberfläche 509 der ersten Meniskuslinse 505 und für die erste Oberfläche 512 und die zweite Oberfläche 514 der zweiten Meniskuslinse 510 im Wesentlichen gleich sind. Dadurch wird der fokussierte Strahl 520, der durch diese Linsen 505, 510 hindurchgeht, nicht durch die optische Leistung nachteilig beeinflusst. Die erste Oberfläche 507 der ersten Meniskuslinse 505 hat eine hochreflektierende Beschichtung von > 99 % und lässt < 1 % des Lichts 520 durch. Die zweite Oberfläche 509 der ersten Meniskuslinse 505 hat eine Antireflexionsbeschichtung mit einem Reflexionsgrad von < 1 %. Die zweite Meniskuslinse 510 hat die gleichen Beschichtungen wie die erste Meniskuslinse 505, ist aber um 90° gegenüber der ersten Meniskuslinse 505 gedreht, um die nominelle Neigung von 22,5° zu erreichen. Dadurch ist die optische Weglänge in der X- und Y-Achse des Laserstrahls 520 im Wesentlichen gleich, so dass keine optische Aberration hinzukommt, und der Strahl 520 hat einen Formfaktor, der ihm keine zusätzliche optische Leistung verleiht.
Der bevorzugte Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse 505 und der zweiten Meniskuslinse 510 ist 22,5°, wie bereits beschrieben. Der Grund dafür ist, dass bei einem extremen Winkel weniger Vignettierung des Strahls 520 auftritt als bei den üblicherweise verwendeten 45° und dass der Einfallswinkel von 22,5° eine stärkere Komprimierung der Optik ermöglicht, um das System so kompakt wie möglich zu halten. Ein noch flacherer Einfallswinkel ist möglich, aber das Problem ist die Handhabung der reflektierten Hochleistungslaserstrahlung. Der Einfallswinkel von 22,5° ist nicht als Einschränkung zu verstehen, und ein Einfallswinkel zwischen etwa 10° und 45° wird im Rahmen der Erfindung berücksichtigt.
Da der Galvanometerscanner den fokussierten Laserstrahl 520 um mehr als +/- 20 Grad bewegen kann, ist ein Mechanismus vorgesehen, der die Dämpfungsoptik 500 so ausrichtet, dass der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse 505 und der feste Winkel der zweiten Meniskuslinse 510 beibehalten wird, wie in 7 dargestellt. Durch diesen Mechanismus wird sichergestellt, dass die optische Weglänge an jedem Punkt des Abtastfeldes immer gleich ist. Die Einstellung des Winkels der Dämpfungsoptik 500 kann durch eine kardanische Einstellung der Dämpfungsoptik 500 und eine Rotationseinstellung der Dämpfungsoptik 500 erfolgen, so dass ein aberrationsfreier Strahl an jedem Punkt des Scanfeldes in gleicher Weise auf den gepixelten Detektor 515 treffen kann, wodurch der optische Strahlengang konstant gehalten wird. Verschiedene kardanische Verstell- und Rotationsverstellvorrichtungen sind in der Technik wohlbekannt.
Der Bereich des gepixelten Detektors 515 ist kleiner als der Bereich des Scanfelds des Galvanometerscanners. Daher ist es notwendig, den gepixelten Detektor 515 in X-Y-Richtung zu bewegen, wenn der fokussierte Laserstrahl 520 durch den Galvanometerscanner bewegt wird. Um den gepixelten Detektor 515 so zu positionieren, dass er den fokussierten Laserstrahl 520 über das Scanfeld empfängt, kann das System außerdem eine Justagevorrichtung für den gepixelten Detektor aufweisen, die mit dem gepixelten Detektor 515 gekoppelt ist. Die Justagevorrichtung für den gepixelten Detektor ist so konfiguriert, dass sie die Position des Galvanometerscanners verfolgt und den gepixelten Detektor 515 so positioniert, dass er den fokussierten Laserstrahl 520 empfängt, wenn sich der Galvanometerscanner über das Scanfeld bewegt. Die Justagevorrichtung für den gepixelten Detektor kann manuell oder motorisiert sein, um eine X-Y-Positionierung des gepixelten Detektors 515 im Scanfeld zu ermöglichen. Verschiedene manuelle und motorisierte Einstellmechanismen sind in der Technik bekannt, um die Justage des gepixelten Detektors 515 zu ermöglichen.
In einer speziellen Ausführungsform des Systems der vorliegenden Erfindung kann die Justagevorrichtung zum Einstellen der optischen Achse, die mit der Dämpfungsoptik 500 gekoppelt ist, und die Justagevorrichtung des Pixeldetektors, die mit dem Pixeldetektor 515 gekoppelt ist, aus vier Motoren bestehen. Ein erster Motor ist so konfiguriert, dass er die Dämpfungsoptik 500 so neigt, dass sie mit dem Winkel des Galvanometerscanners übereinstimmt, so dass der Einfallswinkel des fokussierten Laserstrahls 520 immer bei den bevorzugten 22,5° liegt. Ein zweiter Motor ist so konfiguriert, dass er die Dämpfungsoptik 500 so dreht, dass sie sich jedem X-Y-Koordinatenschnitt über das Scanfeld anpasst und den nominalen Einfallswinkel von 22,5° zu den Meniskuslinsen 505, 510 beibehält. Der dritte und vierte Motor sind so konfiguriert, dass sie das gesamte System in der X-Y-Ebene des Scanfelds so positionieren, dass der gepixelte Detektor 515 den fokussierten Laserstrahl 520 in sein Sichtfeld, d. h. in den Sensor, aufnehmen kann.
Des Weiteren ist es wünschenswert, einen lichtblockierenden Filter zu haben, so dass der gepixelte Detektor 515 nur die Laserwellenlänge und kein Umgebungslicht sieht, und es ist wünschenswert, eine zusätzliche Neutraldichtefilterung zu haben, um sicherzustellen, dass der gepixelte Detektor 515 der Laserstrahlung nicht überbelichtet wird. Wie in 7 gezeigt, kann die Dämpfungsoptik zu diesem Zweck ein Filterpaar 550 mit einem Laserlichtdurchlassfilter 525 und einem Neutraldichtefilter 530, oder einem absorbierenden Filter mit einer hochreflektierenden Beschichtung auf einer Oberfläche, aufweisen, das in einem kleinen Winkel unterhalb der zweiten Meniskuslinse 510 angeordnet ist. Der Laserlichtdurchlassfilter 525 und der Neutraldichtefilter 530 befinden sich in einem normalen Einfallswinkel in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls 520 und bewegen sich mit der Dämpfungsoptik 500, um den normalen Einfallswinkel über den gesamten Bereich des Scanfelds beizubehalten. Es ist wichtig zu beachten, dass der gepixelte Detektor 515 selbst nicht kippt, sondern immer parallel zur Ebene des Scanfelds liegt. Bei einer bestimmten Position des gepixelten Detektors 515 könnte der Benutzer die freie Apertur des gepixelten Detektors 515 abtasten. Die Position der Dämpfungsoptik 500 und des gepixelten Detektors 515 wäre idealerweise mit der Bewegung des Galvanometersystems synchronisiert, so dass ein Benutzer in der Lage wäre, eine detaillierte Profilabbildung des gesamten Scanfelds mit einer Auflösung zu erstellen, die nur durch die Pixelgröße des gepixelten Detektors 515 begrenzt ist. Das Gerät würde daher über 4 Bewegungsachsen verfügen: kardanische Neigung und Drehung der Dämpfungsoptik 500; X- und Y-Positionierung der Dämpfungsoptik 500 und des Pixeldetektors 515 um das Scanfeld.
In einer weiteren Ausführungsform kann das Profiluntersuchungssystem von 7 außerdem eine Strahlenfalle aufweisen, um die reflektierte Hochleistungslaserstrahlung zu verarbeiten. Strahlfallen sind in der Technik wohlbekannt. In einer in 8 gezeigten Ausführungsform kann ein kegelförmiger Strahlenkanal 560 so positioniert werden, dass er die Dämpfungsoptik 500 umgibt, so dass das reflektierte Hochleistungslicht 562, 564 von der Dämpfungsoptik 500 durch den Strahlenkanal 560 blockiert wird. Obwohl dieses Beispiel einer Strahlenfalle groß und kegelförmig ist, würde jede Strahlenfalle, der die Reflexion von der ersten Meniskuslinse 505 blockieren würde, ausreichen, um Schäden in der Umgebung zu verhindern. Eine einzelne Sperrplatte, die beispielsweise in Richtung des reflektierten Strahls 562, 564 platziert wird, würde ausreichen, oder sogar eine quadratische Falle, die um das Scanfeld herum platziert wird, würde ebenfalls Schutz bieten.
Es wird somit deutlich, dass die oben dargelegten Ziele und die aus der vorstehenden Beschreibung ersichtlichen Ziele auf effiziente Weise erreicht werden, und da bestimmte Änderungen in der obigen Konstruktion vorgenommen werden können, ohne vom Umfang der Erfindung abzuweichen, ist beabsichtigt, dass alle in der vorstehenden Beschreibung enthaltenen oder in den beigefügten Zeichnungen dargestellten Sachverhalte als illustrativ und nicht in einem einschränkenden Sinne zu verstehen sind.
Es ist auch zu verstehen, dass die folgenden Ansprüche alle allgemeinen und spezifischen Merkmale der hierin beschriebenen Erfindung sowie alle Aussagen über den Umfang der Erfindung abdecken sollen, die sprachlich gesehen dazwischen fallen könnten.

Claims

Ein System zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometer-Scanners, wobei das System Folgendes aufweist: eine Dämpfungsoptik, die so positioniert ist, dass sie einen fokussierten Laserstrahl von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners empfängt, wobei die Dämpfungsoptik aufweist; eine erste Meniskuslinse mit einer ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der fokussierten Laserstrahlquelle zugewandt ist, und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die erste Meniskuslinse in einem festen Einfallswinkel relativ zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist; eine zweite Meniskuslinse mit einer ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse zugewandt ist, und mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die zweite Meniskuslinse im Wesentlichen unter demselben festen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist wie die erste Meniskuslinse und relativ zur ersten Meniskuslinse um etwa 90° gedreht ist; wobei der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse im Wesentlichen gleich sind; und einen gepixelten Detektor, der parallel zu einem Abtastfeld des Galvanometerscanners angeordnet ist, wobei der gepixelte Detektor den fokussierten Laserstrahl von der zweiten Meniskuslinse empfangen soll.
System nach Anspruch 1, wobei der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse in Bezug auf die optische Achse des fokussierten Laserstrahls zwischen etwa 10° und etwa 45° liegt.
System nach Anspruch 1, wobei der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse in Bezug auf die optische Achse des fokussierten Laserstrahls etwa 22,5° beträgt.
System nach Anspruch 1, wobei die hochreflektierende Beschichtung der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse und die hochreflektierende Beschichtung der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse ein Reflexionsvermögen von mehr als etwa 99 % aufweisen.
System nach Anspruch 1, wobei die Antireflexionsbeschichtung der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse und die Antireflexionsbeschichtung der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse ein Reflexionsvermögen von weniger als etwa 1% aufweisen.
System nach Anspruch 1, wobei die erste Meniskuslinse ein Substrat aus einem hochwertigen Laserglas auf Basis der Laserstrahlquelle aufweist.
System nach Anspruch 1, wobei die zweite Meniskuslinse ein Substrat aufweist, das aus einem hochwertigen Laserglas auf Basis der Laserstrahlquelle und einem absorbierenden Glas mit einer optischen Dichte (OD) von mindestens -1 ausgewählt ist.
System nach Anspruch 1, wobei die Dämpfungsoptik ferner einen oder mehrere Filter aufweist, die aus einem Laserlichtdurchlassfilter und einem Neutraldichtefilter ausgewählt sind, die zwischen der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und dem gepixelten Detektor angeordnet sind, wobei der eine oder die mehreren Filter einen normalen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls aufweisen.
System nach Anspruch 1, ferner aufweisend eine Strahlfalle, die so positioniert ist, dass sie einen Teil des fokussierten Laserstrahls empfängt, der von der Dämpfungsoptik reflektiert wird.
System nach Anspruch 1 ferner aufweisend eine Justiervorrichtung für ein Einstellen einer optischen Achse, die mit der Dämpfungsoptik gekoppelt ist, wobei die Justiervorrichtung für ein Einstellen einer optischen Achse den Einfallswinkel der Dämpfungsoptik einstellt, um den festen Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse beizubehalten und den normalen Einfallswinkel des einen oder der mehreren Filter relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls über einen Scanbereich des Galvanometerscanners beizubehalten.
System nach Anspruch 1 ferner aufweisend eine Justiervorrichtung für den gepixelten Detektor, die mit dem gepixelten Detektor gekoppelt ist, wobei die Justiervorrichtung für den gepixelten Detektor so konfiguriert ist, dass sie den gepixelten Detektor so positioniert, dass er den fokussierten Laserstrahl empfängt, wenn sich der Galvanometerscanner über das Scanfeld bewegt.
Verfahren zur Profiluntersuchung eines fokussierten Laserstrahls eines Galvanometer-Scanners, wobei das Verfahren aufweist: ein Positionieren einer Dämpfungsoptik, um einen fokussierten Laserstrahl von einer Laserstrahlquelle eines Galvanometerscanners zu empfangen, wobei die Dämpfungsoptik aufweist; eine erste Meniskuslinse mit einer ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der fokussierten Laserstrahlquelle zugewandt ist, und einer zweiten Oberfläche gegenüber der ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die erste Meniskuslinse in einem festen Einfallswinkel relativ zu einer optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist; eine zweite Meniskuslinse mit einer ersten Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer hochreflektierenden Beschichtung, die so angeordnet ist, dass sie der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse zugewandt ist, und mit einer zweiten, der ersten Oberfläche gegenüberliegenden Oberfläche mit einem Krümmungsradius und einer Antireflexionsbeschichtung, wobei die zweite Meniskuslinse im Wesentlichen unter demselben festen Einfallswinkel relativ zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls geneigt ist wie die erste Meniskuslinse und relativ zur ersten Meniskuslinse um etwa 90° gedreht ist; wobei der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse, der Krümmungsradius der ersten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und der Krümmungsradius der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse im Wesentlichen gleich sind; ein Positionieren eines gepixelten Detektors parallel zu einem Scanfeld des Galvanometerscanners, wobei der gepixelte Detektor den fokussierten Laserstrahl von der zweiten Meniskuslinse empfängt; ein Dämpfen des fokussierten Laserstrahls, der an der Dämpfungsoptik empfangen wird, und ein Übertragen des abgeschwächten fokussierten Laserstrahls an den gepixelten Detektor; und ein Messen des abgeschwächten fokussierten Laserstrahls am gepixelten Detektor, um ein Profil des fokussierten Laserstrahls von der Laserstrahlquelle des Galvanometerscanners zu analysieren.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls zwischen etwa 10° und etwa 45° liegt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei der feste Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse in Bezug auf die optische Achse des fokussierten Laserstrahls etwa 22,5° beträgt.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die hochreflektierende Beschichtung der ersten Oberfläche der ersten Meniskuslinse und die hochreflektierende Beschichtung der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse ein Reflexionsvermögen von mehr als etwa 99 % aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, wobei die Antireflexionsbeschichtung der zweiten Oberfläche der ersten Meniskuslinse und die Antireflexionsbeschichtung der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse ein Reflexionsvermögen von weniger als etwa 1% aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem ein oder mehrere Filter, die aus einem Laserlichtdurchlassfilter und einem Neutraldichtefilter ausgewählt sind, in der Dämpfungsoptik zwischen der zweiten Oberfläche der zweiten Meniskuslinse und dem gepixelten Detektor angeordnet werden, wobei der eine oder die mehreren Filter einen normalen Einfallswinkel in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls haben.
Verfahren nach Anspruch 12 ferner aufweisend ein Positionieren einer Strahlfalle, um einen Teil des fokussierten Laserstrahls zu empfangen, der von der Dämpfungsoptik reflektiert wird.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner ein Koppeln einer Justiervorrichtung für ein Einstellen einer optischen Achse mit der Dämpfungsoptik aufweist, wobei die Justiervorrichtung für ein Einstellen einer optischen Achse den Einfallswinkel der Dämpfungsoptik einstellt, um den festen Einfallswinkel der ersten Meniskuslinse und der zweiten Meniskuslinse in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls beizubehalten und den normalen Einfallswinkel des einen oder der mehreren Filter in Bezug zur optischen Achse des fokussierten Laserstrahls über einen Scanbereich des Galvanometerscanners beizubehalten.
Verfahren nach Anspruch 12, das ferner das Koppeln einer Justiervorrichtung für einen gepixelten Detektor mit dem gepixelten Detektor umfasst, wobei die Justiervorrichtung für den gepixelten Detektor so konfiguriert ist, dass sie den gepixelten Detektor so positioniert, dass er den fokussierten Laserstrahl empfängt, wenn sich der Galvanometerscanner über das Scanfeld bewegt.