DE19822924A1

DE19822924A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefeldichte eines Laserstrahls

Info

Publication number: DE19822924A1
Application number: DE19822924A
Authority: DE
Inventors: Jochen Bahnmueller; Markus Beck; Axel Giering
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 1998-05-22
Filing date: 1998-05-22
Publication date: 1999-12-09
Anticipated expiration: 2018-05-23
Also published as: FR2778983A1; GB9911568D0; GB2337585A; GB2337585B; DE19822924C2; US6288384B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls. Hierbei werden die Laserpulse des Laserstrahls in Gruppen oder einzeln aus dem Laserstrahl ausgeblendet, örtlich voneinander getrennt und die jeweilige Verteilung der Energiefelddichte der abgelenkten und örtlich getrennten einzelnen Laserpulse gemessen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15, wie es in der Technik verwendet und hier als bekannt unterstellt wird.

Die Vermessung eines Laserstrahls erfordert die Messung einer Vielzahl von zeitlichen und örtlichen Strahldaten. Sowohl die Meßbarkeit, als auch die Aussagekraft dieser Daten hängt weit gehend von der verwendeten Strahlquelle ab. Hierbei muß auf der Seite des Lasers zwischen dem gepulsten Betrieb (p) und dem Dauerstrichbetrieb (c_w) unterschieden werden. Weiter müssen beim gepulsten Betrieb die Pulsdauer t_p und die Pulsperiode T bzw. die Pulsfrequenz f_p = 1/T als weitgehend unabhängige Grö ßen betrachtet werden. Im Gegensatz zu Pulsen die durch akusto optische Modulatoren (Q-Switch) erzeugt werden, sind die ge nannten Größen bei lampengepulsten Systemen stark voneinander abhängig.

Die Verteilung der Energiefelddichte oder Intensität in der Ebe ne senkrecht zur Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls I(x,y) ist eine wichtige Meßgröße bei der Lasermaterialbearbeitung. Sie ist bezüglich ihrer lateralen Verteilung für die Symmetrie des ablatierten Werkstückvolumens verantwortlich (besonders wichtig beim Laserbohr- u. Abtrageprozeß). Die Energieflußdich te, welche in erster Näherung für das abgetragene Materialvolu men verantwortlich ist, läßt sich als Produkt aus Intensität und Pulsdauer errechnen.

Es ist zu bemerken, daß die Messung einer solchen Intensitäts verteilung im besten Fall im Fokus oder in Fokusnähe (I^Fokus(x,y)) erfolgen sollte. Das hat zwei wesentliche Gründe: Eventuelle, zusätzliche Störgrößen (Linse, Umlenkspiegel, thermische Bre chungseffekte, Phasenfrontdeformationen . . .) fließen in die Mes sung mit ein. Weiter gibt diese Wahl des Meßortes auch die Mög lichkeit geometrische Strahldaten (Fokusdurchmesser d_f, Strahlqualität, Strahllage, . . .) direkt zu messen.

Der Markt bietet z. Z. nur für einige Meßaufgaben (CO₂-Laser, cw-Betrieb) Meßgeräte an. Insbesondere bei schnell und kurzge pulsten Lasern ist praktisch kein adäquates Meßgerät verfügbar. Es werden vor allem im Wellenlängenbereich von 1064 nm u. 532 nm (Nd : YAG) CCD-Kameras als ortsauflösenden Sensoren einge setzt. Für Messungen im Fokus oder in Fokusnähe werden Systeme verwendet, die auf dem Prinzip einer rotierenden Nadel oder schnell bewegten Blenden basieren. Die oben beschriebenen Meß größen können allerdings von derartigen Systemen nur in wenigen Ausnahmen erfaßt werden. Insbesondere kann mit keinem der ange botenen Gerät die transversale Intensitätsverteilung von Nd : YAG Lasern im Fokus oder in Fokusnähe: (I^Fokus(x,y)) gemessen werden.

Die einzigen Systeme, die mit den hohen Leistungsdichten des Bearbeitungsfokus zurecht kommen (rotierenden Nadel o. ä.) haben u. a. eine zu geringe Ortsauflösung für die Wellenlänge des Nd : YAG-Lasers. Ferner ist diese Methode für gepulste Laser prinzipiell ungeeignet, da sich die Messung eines Intensitäts profils aus vielen Teilmessungen verschiedener Pulse zusammen setzt.

Für die Messung von Laserpulsengruppen, - Laserpulsgruppe be zeichnet hier und im folgenden eine Reihe von einigen direkt aufeinanderfolgenden Laserpulsen - und einzelner Laserpulse eignen sich insbesondere CCD-Kameras oder ähnliche ortsauflö sende Sensoren, da diese eine Intensitätsverteilung in einem Meßvorgang aufzeichnen können. Allerdings besitzen Systeme, die auf CCD-Sensoren basieren bisher noch keine geeigneten Trigger möglichkeiten zur Aufnahme von einzelnen Laserpulsen. Ferner sind sie mit Ausnahme von sehr teuren Hochgeschwindigkeitskame ras nicht in der Lage aufeinanderfolgende Laserpulse aufzu zeichnen. CCD-Kameras, wie sie z. T. in Strahldiagnosemodulen verwendet werden, arbeiten mit 25-60 Hz. Dabei wird, wenn man von üblichen Frequenzen von Laserpulsen (Percussionsbohrung 10 Hz-10 kHz) ausgeht, im Extremfall über eine Laserpulsgruppe von ca. 150-300 einzelnen Laserpulsen integriert. Weiter kann keines der CCD-Diagnosesysteme im Fokus oder wenigsten nach der Bearbeitungsoptik eingesetzt werden.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren und eine Vor richtung zu entwickeln, mit dem bzw. mit der die oben genannten Nachteile zumindest verringert sind.

Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den kennzeichnenden Verfahrenschritten des Anspruchs 1 und durch eine Vorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.

Außer der Lösung der obigen Aufgabe weist die Erfindung ferner auch noch folgende Vorteile auf:

- Charakterisierung von Laserstrahlquellen sowie der zeitlichen Strahlcharakteristik.
- Durch die verbesserte zeitaufgelöste Messung eines gepulsten Laserstrahls können aussagekräftige Daten für die Prozeßsimu lation (Laserbohren/Laserabtragen) gewonnen werden.
- Es ist eine Prozeßüberwachung (on-line) für Qualitätssiche rung bei Fertigungsverfahren mit gepulsten Strahlquellen, insbesondere bei Laserablations-, Laserbohr- und/oder Laser schweißverfahren möglich.
- Systematische und/oder statistische Bearbeitungsmängeln kön nen exakter diagnostiziert und analysiert werden, da unter Verwendung einer aussagekräftigen Strahldiagnose klar ent schieden werden kann, ob die Mängel von Materialschwankun gen/-fehlern oder von Fluktuationen/Asymmetrien der Strahl quelle herrühren.

Für alle Laserbearbeitungsbereiche gilt allgemein, daß das er findungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung in einfacher Weise vorzugsweise in der Fertigung und in der Produktion einsetzbar sind. Insbesondere sind die erfindungsge mäßen Strahldiagnosemöglichkeiten leicht zu bedienen und ein fach zu adaptieren. Von besonderem Vorteil ist desweiteren, daß bei einer Messung im oder nach dem Bearbeitungsfokus ist kein Eingriff in die Strahlführung einer Bearbeitungsmaschine not wendig ist.

Sinnvolle Ausgestaltungen der Erfindung sind den entsprechenden Unteransprüchen entnehmbar. Im übrigen wird die Erfindung an hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 einen apparativen Aufbau zur Messung der Laserintensi tät im bearbeitenden Strahlengang des Laserstrahls,

Fig. 2 einen apparativen Aufbau zur Messung der Laserintensi tät in einem vom Werkzeug kommenden Strahlengang und

Fig. 3 ein Meßergebnis zeitlich und räumlich aufgelöster Strahlung eines Lasers.

In Fig. 1 ist ein konkreter Aufbau zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls unter Verwendung einer nachfolgend näher beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die dargestellte Vorrichtung deckt alle oben ange sprochenen Funktionen ab. Die Element der Grundausstattung des Aufbaus sind in Tabelle 1, optionale Erweiterungen in Tabelle 2 aufgeführt.

Tabelle 1

Komponenten des Grundausstattung der Vorrichtung

Tabelle 2

Komponenten des Erweiterungsmöglichkeiten der Vorrichtung

Weitere mögliche Bauteile sind bspw. Elemente zur Abschwächung des Laserstrahls. Diese Bauteile sind bzgl. ihrer Art und ihrer Funktion von der Leistung des zu vermessenden Lasers abhängig. Die spezielle Auswahl und Abfolge der Teilkomponenten sollte an den jeweiligen Einsatzfall (Art des Lasers, Leistung des La sers, Pulsrate, Wellenlänge usw.) angepaßt werden.

Die eigentliche Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte des Laserstrahls umfaßt einen variablen Ab schwächer 5, eine Umlenkeinrichtung 6, eine Abbildungslinse 7, einen Detektor 8 mit einem ortsauflösenden Meßsensor 14 und eine steuerbar öffen- und verschließbare Lochblende 10 für ein Lock in-Verfahren zur Rauschverminderung bzw. -unterdrückung. Die beiden optischen Elemente 6.2 und 6.3 stellen bilden einen so genannten x,y-scanner zur definierten Ablenkung des Laserstrahl in x- und in y- Richtung dar. Gemeinsam mit der Steuereinheit 6.4 bilden sie die Umlenkeinrichtung 6.

Der vom nicht eingezeichneten Laser kommende Laserstrahl wird bei der in Fig. 1 dargestellten Fokusdiagnose von der Linse 1 einer Bearbeitungsoptik der Laseranlage über einen Bearbei tungs- bzw. Abbildungsfokus 2 auf eine Kollimationslinse 3 zur Strahlkollimation abgebildet. Bei der Kollimationslinse 3 kann es sich um eine Aufweitungs- oder um eine Sammellinse bzw. ein entsprechendes optisches System handeln.

Im Strahlengang der Laserstrahls ist der Kollimationslinse 3 nachfolgend ein oder mehrere Strahlenteiler 4 angeordnet. Der Strahlenteiler 4 trennt den ursprünglichen Laserstrahl in einen Meßstrahl 2.1 und in einen durchgehenden Strahl auf.

Der Strahlenteiler 4 kann den durchgehenden Laserstrahl zusätz lich zu der vom Strahlenteiler 4 abgetrennten Intensität des Laserlichts zusätzlich noch abschwächen. Dies ist insbesondere dann sinnvoll, wenn der durchgehende Laserstrahl auf ein Lei stungsmeßgerät 12.1 mit Meßkopf 12 geleitet wird, das bei Strahllage und -qualitätsmessung zur Kalibrierung direkt von einem PC 9 ausgelesen werden kann.

Der abgetrennte Laserstrahl, also der mit dem bspw. für eine Laserbearbeitung vorgesehene Laserstrahl in einer vorzugsweise festen Beziehung korrelierte Meßstrahl 2.1, durchläuft den va riablen Abschwächer 5, der insbesondere zum Schutz der Photodi oden-Arrays der späteren als Detektor 8 verwendeten CCD-Kamera dient. Der Faktor der vorzugsweise mittels Graukeilen, Filter- Revolvern o. ä. vorgenommenen Abschwächung des variablen Ab schwächers 5 ist im vorliegenden zwischen 0 und 10^-5 veränder bar.

Im Strahlengang des Meßstrahls 2.1. folgt dem Abschwächer 5 ei ne Umlenkeinrichtung 6, mittels der zeitlich verschiedene Zu stände, also insbesondere einzelne Pulse oder Pulsgruppen und damit der zeitliche Verlauf des Meßstrahls definiert an räum lich unterschiedliche Orte abgebildet werden kann.

Hierzu weist die Umlenkeinrichtung vorzugsweise einen insbeson dere aus der Laserbeschriftungstechnik bekannten sogenannten x/y-scanner mit zwei Spiegeln 6.2. und 6.3. sowie eine zugehö rige Steuereinheit mit Schrittmotor 6.4. auf. Anstelle der Spiegel 6.2. und 6.3. können auch sogenannte Polygonspiegel o.a. eingesetzt werden. Desweiteren können die Scannerspiegel zur weiteren Abschwächung des Meßstrahls 2.1. ebenfalls mit ei ner AR-Beschichtung (anti-reflection-coating) versehen werden.

Zur Abbildung der definiert örtlich zeitaufgelösten Pulse bzw. Pulsgruppen des vorherigen Meßstrahls 2.1. auf einem ortsauflö senden Meßsensor 14 - bspw. einen Photodioden-Array - einer als Detektor 8 verwendeten CCD-Kamera, ist zwischen dem Meßsensor 14 und der Umlenkeinrichtung 6 noch eine Abbildungslinse 7 an geordnet. Mit der Abbildungslinse 7 kann die Fleckgröße eines Pulses bzw. einer Pulsgruppe des Meßstrahls 2.1. bzgl. der scan- Geschwindigkeit angepaßt werden.

Insbesondere kann durch Verschieben der Abbildungslinse 7 in etwa parallel zur Ausbreitungsrichtung der Pulse bzw. der Puls gruppen die Strahlqualität nach DIN vermessen werden, wozu al lerdings die Umlenkeinrichtung 6 nicht aktiv sein darf, so daß der Meßstrahl 2.1. hierbei nicht örtlich definiert abgelenkt und dadurch zeitaufgelöst wird.

Die Verschiebung der Abbildungslinse 7 erfolgt unter Zuhilfe nahme eines Schlittens 11, der durch einen linearen Schrittmo tor 11.1. antreibbar ist, wobei die Steuerung durch eine Elek tronik 11.2. erfolgt.

Die Vorrichtung weist ferner noch einen sogenannten Chopper - also eine beweglich, insbesondere rotierende Lochblende 10 - auf, der vor dem Strahleneintritt des durch die Umlenkeinrich tung 6 aufbereiteten Meßstrahls 2.1. in die als Detektor 8 ver wendete CCD-Kamera angeordnet ist. Mit dem Chopper können bspw. cw-Laser oder sehr lange Laserpulse (< ms) zur Messung in einzelne Pulse aufgetrennt werden.

Zuletzt weist die Vorrichtung noch einen Rechner 9 mit zugehö rigen Schnittstellenkarten zur den betreffenden Steuergeräten und zum Laser (Bild 2, Leitung 17) auf, mit dem der gesamte Prozeß dokumentiert und bei entsprechender Software auch auto matisiert werden kann.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird der Bearbeitungsfokus des Laserstrahls vorzugsweise auf einem CCD-Chip abgebildet. Durch die Verwendung eines x/y-Scanners in der Umlenkeinrich tung 6 wird die zeitliche Abfolge der als Meßstrahl 2.1. ver wendbaren Laser- und/oder Wärmestrahlung bzw. entsprechenden Pulsgruppen des Meßstrahls 2.1. örtlich auflöst, d. h. insbeson dere einzelne Pulse werden auf dem CCD-Chip nebeneinander abge bildet. Durch dieses Verfahren können z. B. Meßfrequenzen sogar größer 10 kHz erreicht werden. Dieser Werte entspricht, wie Ausschnittweise in Fig. 3 dargestellt ist, bei 200 Pulsen pro Videobild einem Einzelpulsfeld von ca. 70 × 70 Pixeln, wobei eine Detektorfläche mit 1000 × 1000 Pixel verwendet wurde. Aus diesem Bild kann dann in einfacher Weise durch eine Integration der Verlauf der aufgenommenen Verteilung der Energiefelddichte ermittelt, in einem Energiefelddichte-Zeit-Diagramm 13 darge stellt und ggf. entsprechend - wie anhand der Beispiele 1 und 2 später beschrieben wird - ausgewertet werden.

Durch die freie Programmierbarkeit des Scanners können alle Auflösungen von 0 bis 10 kHz mit der entsprechenden Auflösung (Vollbild bis 200 Pulse pro Frame) nahezu kontinuierlich ge wählt werden.

Nachfolgend werden beispielhaft einige Eigenschaften der Erfin dung zusammengefaßt:

- Messung von Pulsketten bis (f_p < 10 kHz) im Fokus oder im Roh strahl
- Der konventionelle x/y-Scanner ist in seiner Bewegung frei programmierbar.
- Der Abbildungs- und Frequenzmaßstab ist frei wählbar.
- Ein modularer Aufbau ist möglich:
- - alternativer Einsatz im Rohstrahl oder Fokusbereich
- - schnelle, günstige Umrüstung möglich
- - Shutter/Chopper optional für lange Pulsdauern oder cw-Betrieb
- Mit zusätzlicher, beweglicher Linse 7 kann Strahllage und Kaustik nach DIN EN ISO 11 146 vermessen werden.
- Es besteht nur ein geringer Entwicklungsaufwand, da aus schließlich Standardkomponenten verwendet werden.

Das Diagnosekonzept eignet sich für Meß- und -überwachungsaufga ben an Materialbearbeitungslasern, insbesondere bei einer An wendung der Erfindung für gepulste Nd : YAG Systeme zum Bohren und Abtragen.

Praktisch können allen gepulsten Lasersysteme, für deren Wel lenlängenbereiche örtlich hochauflösende Detektoren zur Verfü gung stehen, mit diesem Prinzip überwacht und vermessen werden.

Das System eignet sich aber auch in besonderem Maße für Laser, die im cw-Betrieb arbeiten. Auch hier können erstmalig Samplin graten von 10 kHz bei der Messung von Intensitätsverteilungen erreicht werden.

Darüber hinaus ist die Anwendung dieses Verfahrens auch zur Be obachtung von Reflexen aus der Bearbeitungszone möglich. Mit einer entsprechenden Abbildungsoptik kann der selbe Aufbau auch zu 10 kHz-Prozeßdiagnose verwendet werden.

In Fig. 2 ist ein weiterer Aufbau zur Messung der Intensität eines Laserstrahls dargestellt. Die Vorrichtung gemäß Fig. 2 deckt ebenfalls alle in der Beschreibungseinleitung genannten Funktionen ab. Da der apparative Aufbau gemäß Fig. 2 weitge hend dem Aufbau nach Fig. 1 gleicht, wird hier nur noch auf deren Unterschiede eingegangen wird.

Im Gegensatz zu dem Aufbau nach Fig. 1 ist der als Strahlen teiler 4 eingesetzte Spiegel um 180° gedreht. Dadurch wird nicht ein Teil des vom Laser kommenden Laserstrahls als Meß strahl 2.1. ausgeblendet. Vielmehr wird als Meßstrahl 2.1. nun mehr eine Strahlung verwendet, die vom Werkstück 15 kommt und die auf den bearbeitenden Laserstrahl zurückzuführen ist. Ins besondere handelt es sich hierbei um den vom Werkstück 15 re flektierten Laserstrahl und/oder eine von der momentanen Bear beitungsstelle des Werkstücks 15 stammende Wärmestrahlung.

Die weitere Verarbeitung eines Meßstrahls 2.1. entspricht der jenigen, wie sie bereits anhand Fig. 1 beschrieben wurde. Da der Meßstrahl 2.1. nun eine Wärmestrahlung und/oder ein Laser strahl sein kann, können noch Unterschiede bei den verwendeten einzelnen Bauteilen auftreten. Aus dem gleichen Grund ist es auch denkbar, das mit zwei Meßstrahlen und damit auch Meß strecken gearbeitet wird, wobei dann die eine Meßstrecke für die Wärmestrahlung und die andere für die Laserstrahlung verwendet wird.

Im folgenden werden zwei unterschiedliche Anwendungsbeispiele der Erfindung beschrieben. Beide Beispiele, die mit einem appa rativen Aufbau entsprechend den Fig. 1 bzw. 2 realisiert werden, betreffen die Dokumentation und/oder die Überwachung eines Arbeitsprozesses bei dem eine Laserstrahl insbesondere zur Ablation, zum Bohren oder zum Schweißen verwendet wird.

Beispiel 1 (Fig. 1)

Anhand dem nachfolgend beschriebenen Beispiel 1 wird eine Doku mentation beschrieben, wie sie insbesondere beim Laserbohren und beim Laserschweißen angewendet werden kann. Im Unterschied jedoch zu Fig. 1 befindet sich am Auftreffbereich bzw. Bear beitungsort des unabgelenkten Laserstrahls dann nicht wie darge stellt ein Leistungsmeßgerät 12.0 mit Meßkopf 12.1, sondern vielmehr, wie in Fig. 2 dargestellt ist, das zu bearbeitende Werkstück 15.

Beim Laserbohren ist es für die entsprechende Dokumentation günstig zu wissen, welche Energie und damit welche bohrlochbe zogene Gesamtenergie für ein jedes Bohrloch 16 benötigt wird. Beim Laserschweißen ist es zweckmäßig, wenn die Laserschweiß naht schrittgesteuert ist und eine entsprechende fortschreiten de, also schweißnahtlängenbezogene Gesamtenergie des Laser strahls erforderlich ist.

Bei einem bevorzugt verwendeten gepulsten Laserstrahl wird die Gesamtenergie durch die Summe der einzelnen Energien der jewei ligem Laserpulse gebildet, wobei zu beachten ist, das hierbei ein Teil der vom Laser eingebrachten Energie u.U in das Materi al des zu bearbeitenden Werkstückes abfließen kann.

Bei dem Beispiel 1 nach Fig. 1 wird aus dem fokusierten und kollimierten Laserstrahl 2 durch den Strahlteiler 4 ein defi nierter Anteil des Laserstrahls als Meßstrahl 2.1. ausgeblen det. Hierbei ist es zweckmäßig, daß die Ausblendung zu allen Zeiten gleichbleibend ist, womit zwischen dem Meßstrahl 2.1. und dem durchgehenden Laserstrahl eine gleichbleibende und ein fache Korrelation vorliegt. Durch das Ausblendungsverhältnis zwischen Meß- 2.1. und Laserstrahl und ggf. nachfolgende Ab schwächungen der Intensität des Meßstrahls 2.1. kann dann die Intensität des durchgehenden - also des nicht ausgeblendeten - und zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahls in einfacher Weise bestimmt werden.

Der Meßstrahl 2.1. wird in der oben beschriebenen Weise aufbe reitet und die Verteilungen der Energiefelddichten am Detektor 8 gemessen und insbesondere mittels des Rechners 9 oder des Dia gramms 13 dokumentiert.

Durch die Auswertung der zeitlich aufgelösten Einzelpulse bzw. Pulsgruppen des Meßstrahls 2.1. kann nunmehr festgestellt wer den, daß die Summe der einzelnen Intensitäten der korrespondie renden Laserpulse - also die für die Bearbeitungsstelle benö zogte Gesamtenergie - für eine fehlerfreie Bearbeitung zu ge ring oder auch zu groß (bspw. Durchbohrungen) war. In diesem Fall ist das hergestellte Werkstück mangelhaft. Damit ist also eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Qualitätsüberwa chung eines bearbeiteten Werkstückes realisiert.

Wird zusätzlich zu der Verteilung der Energiefelddichte auch noch der zugehörige Bearbeitungsort aufgenommen und dokumen tiert, kann anschließend auch quantitativ bestimmt werden, wo eine entsprechende Nachbearbeitung des Werkstück nötig und ggf. möglich ist. Durch diese weiterführende Maßnahme kann also der fehlerbehaftete Ort am Werkstück 15 festgelegt werden, wodurch eine Methode zur Bestimmung der Stelle eventueller Nacharbeiten gegeben ist. Durch diese Maßnahme ist die Nachbearbeitung ver billigt, da nun das gesamte Werkstück 15 nicht mehr nach der fehlerbehafteten Stelle abgesucht werden muß.

Beispiel 2 (Fig. 2)

Anhand dem nachfolgend beschriebenen Beispiel 2 wird eine wei tere Möglichkeit zur Dokumentation beschrieben, wie sie eben falls insbesondere beim Laserbohren und beim Laserschweißen an gewendet werden kann.

Bei Beispiel 2 nach Fig. 2 wird durch den Strahlenteiler 4 - ggf. auch einem halbdurchlässigen Spiegel - ein definierter An teil einer Strahlung, die vom Werkstück 15 kommt und auf den Einfluß des bearbeitenden Laserstrahl zurückzuführen ist, als Meßstrahl 2.1. ausgeblendet.

Der Meßstrahl 2.1. wird in der oben beschriebenen Weise aufbe reitet und die Verteilungen der Energiefelddichten am Detektor 8 gemessen und dokumentiert. Da es sich bei dem Meßstrahl 2.1. um eine vom Werkstück 15 kommende Strahlung, insbesondere dem rückgestreuten Laserstrahl und/oder eine Wärmestrahlung han delt, kann durch die Auswertung der zeitlich aufgelösten Ein zelpulse bzw. Pulsgruppen des Meßstrahls 2.1. auf das Bearbei tungsergebnis rückgeschlossen werden.

Eine derartige Beurteilung wird anhand einer mittels eines La serstrahls vorgenommenen Bohrung 16 nachfolgend beschrieben.

Solange die Bohrung 16 noch nicht vollständig eingebracht ist, zeigt der zeitlich aufgelöste Meßstrahl 2.1. zwischen zwei auf einanderfolgenden einzelnen Verteilungen der Energiefelddichten allenfalls eine geringe Änderung. Diese Änderung ist oberhalb eines vorgebbaren Schwellenwerts angeordnet. Dies gilt unabhän gig davon, ob der Meßstrahl 2.1. nun eine Laserstrahlung oder eine Wärmestrahlung ist.

Ist die Bohrung 16 nun vollendet, sinkt die betreffende Ener giefelddichte des Meßstrahls 2.1. unterhalb des Schwellenwerts, da ja der Laserstrahl nicht mehr bzw. nur noch geringfügig zu rückgestreut bzw. die Erwärmung am Bearbeitungsort durch den Laserstrahl verringert ist.

Wird nun bei einer vorgegebenen Anzahl von Laserpulsen pro Boh rung 16 eine quantitative Auswertung vorgenommen, kann anhand der Verteilung der Energiefelddichte auf die Bearbeitungsquali tät rückgeschlossen werden. Da bei einer vollendeten Bohrung 16 die zu einem Laserpuls zugehörige Verteilung der Energiefeld dichte des Meßstrahls 2.1. unter den Schwellenwert absinkt, gibt es drei mögliche Fälle.

a) Die Verteilung der Energiefelddichte des vorgegebenen letzten Laserpulses sinkt unterhalb des Schwellenwertes. In diesem Fall ist die Bohrung 16 gut.
b) Die Verteilung der Energiefelddichte sinkt vor dem vorgegebe nen letzten Laserpuls unter den Schwellenwert. In diesem Fall kann die der Bohrung 16 gegenüberliegende Wandung des Werk stücks 15 beschädigt worden sein. Bei der Beschädigung kann es sich bspw. um eine in diese Wandung eingebrachte weitere ungewollte Bohrung oder um eine Dünnstelle handeln.
c) Die Verteilung der Energiefelddichte sinkt auch beim letzten vorgegebenen Laserpuls nicht unter den Schwellenwert. In die sem Fall wurde die Bohrung 16 zumindest nicht vollständig eingebracht.

Auch hier ist also eine einfache und effiziente Möglichkeit zur Qualitätsüberwachung eines bearbeiteten Werkstückes 15 reali siert.

Wird zusätzlich oder anstelle zu den Verteilungen der Energie felddichten auch noch der zugehörige Bearbeitungsort aufgenommen und dokumentiert, kann anschließend auch quantitativ bestimmt werden, wo eine entsprechende Nachbearbeitung des Werkstück 15 und nötig ggf. möglich ist. Durch diese weiterführende Maßnahme kann also der fehlerbehaftete Ort am Werkstück 15 festgelegt werden, wodurch eine Methode zur Bestimmung der Stelle eventu eller Nacharbeiten gegeben. Durch diese Maßnahme ist die Nach bearbeitung verbilligt, da nun nicht mehr das gesamte Werkstück 15 nach der fehlerbehafteten Stelle abgesucht werden muß.

In einer sinnvollen Weiterführung des obigen erfindungsgemäßen Verfahrens werden die jeweilige Verteilung der Energiefelddichte möglichst ohne Zeitverzug ausgewertet und zur Steuerung der Be arbeitung verwendet. Dies erfolgt bei dem obigen Bearbeitungs beispiel in zweckmäßiger Weise dadurch, daß mit dem Laserstrahl solange gebohrt wird, bis an dem ortsauflösenden Sensor 14 des Detektors 8 die Intensität eines Einzelimpulses unterhalb des Schwellwerts absinkt. Ist dies geschehen, wird zur nächsten Bohrung weiter getaktet. In bevorzugter Weise kann bis zur Er reichung des nächsten Bohrung 16 der Laserstrahl abgedeckt oder das Werkstück weitertransportiert und entsprechend positioniert werden.

Das anhand Beispiel 2 beschriebene Verfahren ist insbesondere bei Werkstücken günstig, die einen unterschiedlichen Verlauf ihrer Wandstärke aufweisen.

Bevorzugte Einsatzgebiete der Erfindung sind die Herstellung von Kühl- und Formbohrungen bei Turbinenschaufel, Perforationen bei dünnen Blechen, vorzugsweise zur Grenzflächenabsaugung bei umströmten Bauteilen wie Flügel und dgl., Einspritzöffnungen von Einspritzdüsen sowie Mikrostrukturen in Gleit- und Laufflä chen. Insgesamt ist das Verfahren auch bei Bauteilen von Vor teil, die innenseitig eine vorzugsweise stabilisierende Riffe lung bzw. Versteifungen aufweisen.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines vorzugsweise gepulsten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem Laserstrahl ein mit dem Laserstrahl insbesondere gleichbleibend korrelierter Meßstrahl (2.1.) ausgeblendet wird, daß der Meßstrahl (2.1.) zu unterschiedlichen Zeitpunkten defi niert und örtlich voneinander getrennt abgebildet wird, und daß die Verteilung der Energiefelddichte der örtlich definiert abge bildeten zeitaufgelösten Teilstrahlen des Meßstrahls (2.1.) ge messen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pulsgruppen und/oder einzelne Pulse des Meßstrahls (2.1.) zu unterschiedlichen Zeitpunkten örtlich voneinander getrennt werden, und daß die Verteilung der Energiefelddichte der örtlich definiert abgebildeten zeitaufgelösten Pulse bzw. Pulsgruppen des Meßstrahls (2.1.) gemessen werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der ursprüngliche, den Laser verlassenden Laserstrahl re flektiert wird, daß aus dem reflektierten Laserstrahl der Meß strahl (2.1.) ausgeblendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verteilung der Energiefelddichte einzelner Pulse bzw. Pulsgruppen des Meßstrahls (2.1.) zeitlich getrennt voneinander gemessen werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Pulse des Meßstrahls (2.1.) auf eine Umlenkeinrichtung (6) geleitet werden und daß die Pulse von der Umlenkeinrichtung (6) örtlich definiert abgelenkt werden und daß die Ablenkung der Umlenkeinrichtung (6) pro Puls bzw. Pulsgruppe eingestellt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mit der Umlenkeinrichtung (6) der Meßstrahl (2.1.) unabhän gig voneinander in zwei unterschiedliche und zueinander quer liegende Raumrichtungen abgelenkt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (2.1.) quer zur ursprünglichen Ausbreitungs richtung des Laserstrahls in Richtung der Umlenkeinrichtung (6) geleitet wird.

8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für den Meßstrahl (2.1.) eine vom bearbeitenden Werkstück kommende und auf den Laserstrahl zurückzuführende Strahlung (Rückstrahl), insbesondere eine Wärmestrahlung, gewählt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßstrahl (2.1.) eine vom momentanen Bearbeitungsort des Werkstücks (15) kommende Reflexion des Laserstrahls gewählt wird.

10. Verfahren nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß ein jeder Puls des Meßstrahls (2.1.) an einen einzelnen Raumpunkt abgelenkt wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein einzelner Puls des Meßstrahls (2.1.) in mehrere Unter einzelpulse aufgeteilt wird.

12. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (2.1.) im Bereich des Bearbeitungsfokus der Laserstrahls ausgekoppelt wird.

13. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (2.1.) aus dem kollimierten Rohstrahl des La serstrahls ausgekoppelt und entsprechend dem späteren Bearbei tungsfokus aufbereitet als Meßstrahl (2.1.) der Umlenkeinrich tung übergeben wird.

14. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßstrahl (2.1.) während des Bearbeitungsprozesses aus dem Laserstrahl ausgekoppelt wird.

15. Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls mit einem Laserquelle und einem die Vertei lung der Energiefelddichte des Laserstrahls zumindest teilweise detektierenden Detektor, dadurch gekennzeichnet,
daß die Vorrichtung eine Ausblendvorrichtung (Strahlenteiler 4) zur zumindest teilweisen intensitätseitigen Ausblendung eines mit dem Laserstrahl vorzugsweise gleichbleibend korrelierten Meßstrahls (2.1.) aus dem Laserstrahl aufweist,
daß die Ausblendeinrichtung innerhalb des Strahlengangs der La serstrahls angeordnet ist,
daß die Vorrichtung eine Umlenkeinrichtung (6) aufweist,
daß die Umlenkeinrichtung (6) im Strahlengang des Meßstrahls (2.1.) angeordnet ist,
daß die Umlenkeinrichtung (6) zumindest einen den Meßstrahl (2.1.) in Abhängigkeit der Zeit in definierte Raumrichtungen ablenkenden und in verschiedene Teilstrahlen auftrennenden Ma nipulator, bspw. einen mittels Drehschrittmotor gesteuerten Spiegel (6.2 und 6.3) aufweist, und
daß der Detektor (8) im Bereich der von der Umlenkeinrichtung (6) abgelenkten Teilstrahlen des Meßstrahls (2.1.) angeordnet ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (6) einen mindestens in einer Dimen sion beweglichen Spiegel (6.2 und 6.3) aufweist.

17. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (6) einen mindestens in einer Dimen sion beweglichen und insbesondere nichtmechanischen optischen Deflektor aufweist.

18. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung (6) einen Spiegel und/oder einen Strahlteiler und/oder einen Reflektor aufweist.

19. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des Lasers ein optischer Schalter bzw. ein Modulator, insbesondere eine mit definierter Drehzahl ro tierende Lochblendenscheibe (10) angeordnet ist.

20. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des Lasers ein elektrooptischer Schal ter bzw. ein elektrooptischer Modulator angeordnet ist.

21. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (8) ein ortsauflösendes Sensorelement ist.

22. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (8) eine CCD-Kamera ist.

23. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (8) eine Fläche ortsauflösenden Sensor (14), insbesondere ein Feld von Photodioden (Photodioden-Array) auf weist.

24. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (8) ein CMOS Detektor-Array ist.

25. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Strahlengang des Meßstrahl (2.1.) Sammel- und/oder Streulinsen und/oder Grauscheiben und/oder Spiegel und/oder ho lographisch-optische Elemente angeordnet sind.