DE19615630A1

DE19615630A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung

Info

Publication number: DE19615630A1
Application number: DE19615630A
Authority: DE
Inventors: Gert Dr Ing Teschauer; Tino Petsch; Frank Dorsch
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1996-04-20
Filing date: 1996-04-20
Publication date: 1997-10-23

Description

Die Erfindung betrifft die Regelung von Laserlampen. Das Anwendungsgebiet derartiger Laser ist insbesondere die Materialbearbeitung.

Es ist bekannt, den Lampenstrom von Laserlampen zu regeln, um das Absinken der Lampenleistung aufgrund des Verschleißes nach einer bestimmten Betriebsdauer sowie Veränderungen im optischen System auszugleichen. Nach der DE-OS 36 08 930 ist ein Verfahren und eine Schaltung zur Regelung der optischen Leistung eines Lasers bekannt, dessen Betriebsstrom sich aus einem Vorstrom und einem Modulationsstrom zusammensetzt. Das bekannte Regelungsverfahren basiert auf der Messung eines Teilstrahls des von einer Laserdiode ausgesendeten Laserstrahls mittels einer Photodiode als Meßglied. Der Laser arbeitet im Bereich des Kennlinienknickes, der in der Strom- Leistungs-Kennlinie an der Stelle des Schwellstroms entsteht. Es wird eine bestimmte Spektrallinie aus dem Leistungsspektrum des Lasers, die bei der Einschaltverzögerung auftritt, durch Mischen mit der Taktfrequenz detektiert. Dabei wird die Verzögerung sehr gering gehalten, so daß Signale noch ungestört und damit eine maximale optische Lichtleistung übertragen werden. Die Regelung des Betriebsstroms der Laserdiode erfolgt, indem der Strom, der die optische Leistung des von der Photodiode aufgenommenen Teilstrahls widerspiegelt, einen Spannungsabfall erzeugt, dessen Mittelwert mit einer Referenzspannung verglichen wird. Der Spannungsvergleich wird von einem Komparator vorgenommen. Die Referenzspannung steht für den Sollwert der mittleren Leistung. Sinkt die optische Leistung der Laserdiode ab, vergrößert sich die Differenzspannung zwischen den Komparatoreingängen, so daß die Ausgangsspannung des Komparators größer wird. Mit der Ausgangsspannung des Komparators wird die Stromquelle des Betriebsstroms der Laserdiode proportional gesteuert. Eine Anhebung der Komparatorausgangsspannung erhöht somit den Betriebsstrom der Laserdiode und demzufolge die optische Leistung derselben. Da die Regelung getrennt für den Vorstrom und den Modulationsstrom erfolgt, sind zwei gleichartige Regeleinrichtungen vorgesehen, wobei die Regelung des Vorstroms durch Auskopplung des Wechselanteils des von dem in der Photodiode erzeugten Strom hervorgerufenen Spannungsabfalls, dessen Verknüpfung mit dem Taktsignal an einem Multiplizierer und dem Komparator vergleich mit einer den Sollwert der Spektrallinie im Leistungsdichtespektrum widerspie gelnden Referenzspannung vollzogen wird.

Nachteilig an der bekannten Lösung ist, daß die analoge Schaltungstechnik einen beträchtlichen Aufwand darstellt und hinsichtlich ihrer Präzision begrenzt ist. Da die Referenzspannungen als Sollwerte für den Soll-/Istwertevergleich extern aufgeprägt werden müssen und die Schaltung entsprechend der optischen Leistung der Laserdiode dimensioniert wird, ist die bekannte Lösung lediglich für einen Lasertyp einsetzbar ohne daß umfangreiche Änderungen erforderlich sind.

Daraus ergibt sich die Aufgabe der Erfindung, Qualitätsverluste bei der Materialbearbei tung mit Laserstrahlen, die auf dem Absinken der Laserleistung bei zunehmender Betriebsdauer und/oder auf Veränderungen im optischen System zurückzuführen sind, zu verhindern, den hierfür erforderlichen Aufwand zu senken und sowohl die Genauigkeit der Regelung der Laserleistung zu erhöhen als auch die Einsatzbreite auf beliebige Strahlquellen auszudehnen.

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mittels der im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Eine Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschreibt Anspruch 4. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Lösung aufgeführt.

Mit der Auskopplung eines Teilstrahls aus dem Arbeitsstrahl steht dieser unabhängig von der auszuführenden Bearbeitungstechnologie ständig zur Auswertung zur Verfügung. Die optische Leistung der Laserquelle wird unter Berücksichtigung deren Pulsfrequenzbandbreite erfaßt. Mit der Aufnahme von Meßwerten zum Zeitpunkt der Inbetriebnahme des Lasers werden Meßwertedateien für ausgewählte Pulsfrequenzen aufgestellt, die spezielle Sollwertedateien des konkreten Lasersystems darstellen. Jede wiederholte Messung nach einem beliebig vorgebbaren Zeitabstand ergibt für die jeweils gleichen Pulsfrequenzen jeweils eine Istwertedatei, deren Werte mit denen der Sollwertedatei verglichen wird. Die optische Leistung verringert sich aufgrund der Betriebsdauer und/oder wegen eingetretener Veränderungen am optischen System gegenüber dem Inbetriebnahmezeitpunkt. Der Vergleich der Ist- zu den Sollwerten wird mittels eines Rechenprogramms ausgeführt und liefert vorteilhafterweise den verschiedenen Pulsfrequenzen zugeordnete Ausgleichsfunktionen, anhand derer das den Betriebsstrom der Laserquelle anhebende Steuersignal quantifiziert wird.

Durch die Berücksichtigung der gesamten Bandbreite der Pulsfrequenz wird eine gleichbleibende Qualität in der Materialbearbeitung gesichert. Darüber hinaus sind die Bearbeitungsergebnisse sowie der Bearbeitungsprozeß anhand der gespeicherten Meßwerte jederzeit und ständig reproduzierbar. Die Digitalisierung der Meßwerte erlaubt eine praktisch unbegrenzte Genauigkeit hinsichtlich ihrer Auswertung. Durch die Verwendung handelsüblicher Personalcomputer ist der anwendungsspezifische gerätetechnische Aufwand auf die Auswahl und die Installation eines geeigneten Meßkopfes beschränkt, da sowohl das Anlegen der Meßwertedateien als auch deren Auswertung programmtechnisch gelöst werden, ohne daß diesbezüglich eine spezielle Software erforderlich wäre. Lediglich für den Fall, daß das Zeitraster für die Aufnahme der Meßwerte und deren Auswertung bis hin zur Bereitstellung des Steuersignals zur Beeinflussung des Betriebsstroms der Laserquelle Echtzeitbedingungen erfüllen muß, erhöht sich der Aufwand, indem sowohl Hard- als auch Software diesbezüglich ausgestaltet sein müssen. Hinsichtlich des für Echtzeitbetrieb geeigneten Rechners kann jedoch ebenfalls auf handelsübliche Produkte zurückgegriffen werden.

Die Erfindung wird nachfolgend in Form eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung zeigt in

Fig. 1 eine Laser-Materialbearbeitungseinrichtung mit erfindungsgemäßer Ausgestaltung in schematisierter Darstellung;

Fig. 2 ein qualitatives Kennlinienfeld von zum Inbetriebnahmezeitpunkt t1 aufgenommenen Strom-Leistungs-Kennlinien und

Fig. 3 ein qualitatives Kennlinienpaar für eine ausgewählte Pulsfrequenz mit einer Soll- und einer Istwertekennlinie.

Die Laser-Materialbearbeitungseinrichtung nach Fig. 1 besteht aus einem Lasersystem 1 mit den Komponenten Rückspiegel 11, Güteschalter 12, Anregungseinheit 13, Modenblende 14, Auskoppelspiegel 15, Shutter 16, Pilotlaserdiode 17 und Spiegel 18, einem im Strahlengang S nachfolgenden weiteren Spiegel 4, dem ein Beam-Expander 2 mit einer Streulinse 22 und einer Sammellinse 21 folgt, einem nach dem Beam-Expander 2 vom Laserstrahl S beaufschlagten Scanner 3, und einem F-Theta-Objektiv 5. Im Strahlengang des Bearbeitungsstrahls S ist hinter dem F-Theta-Objektiv 5 ein Strahlteiler 6 angeordnet, der aus einem halbverspiegelten Prisma 61 und einer hinter dem Brennpunkt des Spiegels des Prismas 61 angeordneten Linse 62 besteht. Ein mittels des Strahlteilers 6 aus dem Bearbeitungsstrahl S ausgekoppelter Teilstrahl TS trifft auf einen Meßkopf 7. Der Meßkopf 7 ist in dem bevorzugten Ausführungsbeispiel als thermoelektrischer Empfänger ausgeführt, der ein der Leistungsflußdichte proportionales analoges Ausgangssignal liefert. Gleichermaßen geeignet sind pyroelektrische Empfänger mit einem der Photonenstromdichte proportionalen Ausgangssignal sowie photoelektrische Empfänger, die ein dem Maß der Absorption des Photonenstrahls proportionales Ausgangssignal liefern. Als Ausgangssignal ergibt sich ein Stromverlauf bzw. ein dem Stromverlauf proportionaler Spannungsverlauf über der Zeit. Das Ausgangssignal des Meßkopfes 7 gelangt zu einem Analog-Digital-Wandler 8 und nachfolgend umgesetzt in Digitalwerte zu einem Personalcomputer 9.

Die Erfassung der mittleren Laserleistung Pm sowie die darauf beruhende Regelung derselben wird anhand der in den Fig. 2 und 3 dargestellten Strom-Leistungs-Kennlinien erläutert. Mit der Auskopplung eines Teilstrahls TS aus dem Arbeitsstrahl S steht dieser unabhängig von der auszuführenden Bearbeitungstechnologie ständig zur Auswertung zur Verfügung. Die mittlere optische Leistung Pm der Laserquelle 1 wird unter Berücksichtigung deren Pulsfrequenzbandbreite erfaßt. Mit der in Fig. 2 dargestellten Aufnahme von Meßwerten zum Zeitpunkt t1 der Inbetriebnahme des Lasers 1 werden Meßwertedateien für vorteilhafterweise im mittleren Frequenzband liegende Pulsfrequenzen, hier für 1, 2 und 3 kHz, aufgestellt, die spezielle Sollwertedateien des Lasersystems 1 darstellen. Jede wiederholte Messung nach einem Zeitabstand Δt zu einem Zeitpunkt t2 ergibt für die jeweils gleichen Pulsfrequenzen jeweils eine Istwertedatei, deren Werte mit denen der Sollwertedatei verglichen wird. In Fig. 3 ist das Kennlinienpaar für die Pulsfrequenz von 3 kHz zum Zeitpunkt t2 = t1 + Δt dargestellt. Die mittlere optische Leistung Pm verringert sich aufgrund der Betriebsdauer und/oder wegen eingetretener Veränderungen am optischen System gegenüber dem Inbetriebnahmezeitpunkt t1. Der Vergleich der Ist- zu den Sollwerten wird mittels eines Rechenprogramms ausgeführt und liefert den verschiedenen Pulsfrequenzen zugeordnete Ausgleichsfunktionen, anhand derer das den Betriebsstrom I der Laserquelle 1 anhebende Steuersignal quantifiziert wird. Die Ausgleichsfunktionen weisen die Form einer Differenz zwischen den Referenzfunktionen und den aktuellen Funktionen auf.

Bezugszeichenliste

1 Lasersystem
11 Rückspiegel
12 Güteschalter
13 Anregungseinheit
14 Modenblende
15 Auskoppelspiegel
16 Shutter
17 Pilotlaserdiode
18 Spiegel
2 Beam-Expander
21 Linse
22 Linse
3 Scannerkopf mit X-Y-Ablenkung
4 Spiegel
5 F-Theta-Objektiv
6 Strahlteiler
61 Prisma
62 Linse
7 Meßkopf
8 A-/D-Wandler
9 Personalcomputer
S Bearbeitungslaserstrahl
TS Meßteilstrahl
Pm mittlere optische Leistung
I Lampenstrom
t1 Inbetriebnahmezeitpunkt
t2 Istwertermittlungszeitpunkt
Δt Betriebsdauer

Claims

1. Verfahren zur Regelung der Laserleistung unter Auskopplung eines Teilstrahls (TS) aus einem Laserstrahl (S) und Messung des Teilstrahls (TS), gekennzeichnet dadurch, daß nach der Inbetriebnahme des Lasers (1) die Lichtleistung (Pm) des Teilstrahls (TS) bei verschiedenen Pulsfrequenzen gemessen wird, die Meßwertverläufe abgespeichert werden, die Messungen in einem bestimmten Zeitraster (Δt) wiederholt werden und aus dem Vergleich der jeweils zu bestimmten Betriebszeiten (t2) ermittelten Meßwertverläufe mit den den gleichen Pulsfrequenzen zugeordneten nach der Inbetriebnahme ermittelten Meßwertverläufen ein Stellsignal für den Lampenstrom (I) des Lasers (1) abgeleitet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß aus dem Vergleich der den einzelnen Pulsfrequenzen zugeordneten Meßwertverläufe jeweils eine Ausgleichsfunktion errechnet wird, nach denen in Abhängigkeit von der verwendeten Pulsfrequenz bis zur Durchführung des nächsten Meßwertevergleichs der Lampenstrom (I) eingestellt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Speicherung der Meßwerte und die Berechnung der Ausgleichsfunktionen mittels eines auf einem Rechner (9) installierten Programms erfolgt.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß im Strahlengang (S) einer mit einer Steuerung versehenen Laserlampe (1) ein Strahlteiler (6) angeordnet ist, der von dem Strahlteiler (6) aus dem Strahlengang (S) der Laserlampe (1) ausgekoppelte Teilstrahl (TS) auf einen die Lichtleistung erfassenden Meßkopf (7) trifft, der Meßkopf (7) an einen Rechner (9) angeschlossen ist und ein Ausgang des Rechners (9) mit der Lampensteuerung verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet dadurch, daß der Meßkopf (7) über einen Analog-/Digitalwandler (8) an den Rechner (9) angeschlossen ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet dadurch, daß als Rechner (9) ein Personalcomputer verwendet wird.