DE19615630A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der LaserleistungInfo
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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
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 (6)
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.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19615630A DE19615630A1 (de) | 1996-04-20 | 1996-04-20 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE19615630A DE19615630A1 (de) | 1996-04-20 | 1996-04-20 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE19615630A1 true DE19615630A1 (de) | 1997-10-23 |
Family
ID=7791844
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE19615630A Ceased DE19615630A1 (de) | 1996-04-20 | 1996-04-20 | Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der Laserleistung |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE19615630A1 (de) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE102010052368A1 (de) | 2010-09-06 | 2012-03-08 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Laservorrichtung und eine Laservorrichtung |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3608930A1 (de) * | 1986-03-18 | 1987-09-24 | Standard Elektrik Lorenz Ag | Verfahren zur regelung der optischen leistung eines lasers und schaltung zur ausuebung des verfahrens |
EP0680121A1 (de) * | 1994-04-27 | 1995-11-02 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Laserbearbeitungsapparat und Verfahren zu seiner Steuerung |
-
1996
- 1996-04-20 DE DE19615630A patent/DE19615630A1/de not_active Ceased
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3608930A1 (de) * | 1986-03-18 | 1987-09-24 | Standard Elektrik Lorenz Ag | Verfahren zur regelung der optischen leistung eines lasers und schaltung zur ausuebung des verfahrens |
EP0680121A1 (de) * | 1994-04-27 | 1995-11-02 | Mitsubishi Denki Kabushiki Kaisha | Laserbearbeitungsapparat und Verfahren zu seiner Steuerung |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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DE102010052368A1 (de) | 2010-09-06 | 2012-03-08 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum Steuern und/oder Regeln einer Laservorrichtung und eine Laservorrichtung |
WO2012031580A2 (de) | 2010-09-06 | 2012-03-15 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum steuern und/oder regeln einer laservorrichtung und eine laservorrichtung |
WO2012031580A3 (de) * | 2010-09-06 | 2012-05-10 | Mtu Aero Engines Gmbh | Verfahren zum steuern und/oder regeln einer laservorrichtung und eine laservorrichtung |
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