DE19822924C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefeldichte eines Laserstrahls - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefeldichte eines LaserstrahlsInfo
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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.
So ist bspw. aus der US 4,745,280 eine optische Vorrichtung zur
Bestimmung der Energiefelddichte bzw. des Intensitätsprofils
eines Laserstrahls eines Hochleistungslasers bekannt. Die vor
bekannte Vorrichtung weist u. a. eine Umlenkeinrichtung mit ei
nem Scanner auf, der im Strahlengang des Meßstrahls angeordnet
ist. Des weiteren weist die Vorrichtung noch einen Detektor
auf, der im Bereich der von der Umlenkeinrichtung abgelenkten
Teilstrahlen des Meßstrahls angeordnet ist. Zur Erzeugung eines
geeigneten Meßstrahls ist im Strahlengang des Laserstrahls noch
ein Abschwächer bekannter Transmission angeordnet. Das vom
Scanner stammende und von dem Detektor gemessene analoge Signal
wird einem Verstärker übergeben. Das verstärkte Signal wird
mittels eines A/D-Wandlers in ein digitales Signal umgewandelt
und einem Steuer-Computer übergeben. Der Scanner weist, ein
Steuergerät auf, das mit dem Steuer-Computer verbunden ist und
das den Scanner antreibt. Die ermittelten Werte werden auf ei
nem Bildschirm und/oder einem Plotter angezeigt.
Aus der US 4,670,646 ist eine weitere Vorrichtung zur Bestim
mung der Intensität eines Laserstrahls bekannt. Bei dieser Vor
richtung wird aus einem Laserstrahl ein Meßstrahl ausgeblendet,
der Meßstrahl aufgeweitet oder verengt und danach ggf. abge
schwächt. Der so aufbereitete Meßstrahl wird auf eine CCD-
Kamera gerichtet, die als Detektor dient. Die Bildpunkte der
CCD-Kamera werden ausgewertet und die Intensität des Meßstrahls
bestimmt. Bei einem bekannten Verhältnis zwischen der Intensi
tät des unabgelenkten Laserstrahls und dem ausgeblendeten Meß
strahl kann so auf die Intensität des Laserstrahls rückge
schlossen werden.
Aus der DE 39 19 572 C2 ist Einrichtung zur direkten Messung
des Intensitätsprofil eines Laserstrahl bekannt, bei der zur
Fokussierung des Laserstrahls eine Linse mit schwach transmit
tierenden Eigenschaften verwendet wird. Der Linse folgt ein
Spiegel, der im Brennpunkt der Linse angeordnet ist. Der Spie
gel ist mit einem Antrieb versehen, mit dem der Spiegel zu
schnellen Vibrationen angeregt werden kann. Im Strahlengang des
von dem vibrierenden Spiegel reflektierten Laserlichts ist ein
Detektor angeordnet, der nur von einem kleinen Teil des Laser
strahls getroffen wird. Dadurch wird immer nur ein kleiner Teil
der Gesamtintensität des Laserlichts detektiert.
Aus der DE 35 10 937 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, die eben
falls zur zeitlichen Messung der Intensität eines Laserstrahls
vorgesehen ist. Bei der für dieses Verfahren vorgesehenen Vor
richtung wird eine dünne Nadel senkrecht zur Ausbreitungsrich
tung des Laserstrahls durch den Laserstrahl hindurchbewegt. An
der reflektierenden Oberfläche der Nadel wird der Laserstrahl
gestreut. Ein Teil dieser gestreuten Strahlung wird von einem
Detektor gemessen und die Intensität entsprechend bestimmt. Da
die Nadel nur kleine Abmessungen aufweist, wird nur ein gering
fügiger Teil des Laserstrahls gestreut, wodurch der restliche
Laserstrahl nahezu unverändert bleibt. Des weiteren kann die
Geschwindigkeit, mit der die Nadel durch den Laserstrahl bewegt
wird, geregelt werden, wodurch eine hohe zeitliche Auflösung
des Laserstrahls möglich ist.
Aus dem Fachartikel von R. MUTH et al. In: Feinwerktechnik und
Meßtechnik (F), 1994, Bd. 102, Nr. 10, S. 521-524 ist ein Ab
lenkeinrichtung für einen Laserstrahl bekannt, mit der ein La
serstrahl in zwei Raumrichtung gesteuert ablenkbar ist. Durch
diesen X/Y-Scanner ist es also möglich, mit dem Laserstrahl ge
zielt eine Ebene zu bestrahlen. Um dies zu erreichen, weist der
X/Y-Scanner zwei getrennt voneinander ansteuerbare drehbare
Spiegel auf, die quer zueinander angeordnet sind. Ferner sind
die beiden Spiegel orthogonal zur Ausbreitung des Laserstrahls
in dem Strahlengang des Laserstrahls angeordnet. Dadurch ist
der eine Spiegel für die X-Auslenkung und der andere Spiegel
für die Y-Auslenkung zuständig.
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 (cW) unterschieden werden. Weiter müssen
beim gepulsten Betrieb die Pulsdauer tp und die Pulsperiode T
bzw. die Pulsfrequenz fp = 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 (IFokus(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 df,
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 ortsauflösende 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 Geräte die transversale Intensitätsverteilung von Nd:YAG-
Lasern im Fokus oder in Fokusnähe: (IFokus(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 Laserpulsgruppen, -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 (online) für Qualitätssiche rung bei Fertigungsverfahren mit gepulsten Strahlquellen, insbesondere bei Laserablations-, Laserbohr- und/oder Laser schweißverfahren möglich.
- - Systematische und/oder statistische Bearbeitungsmängel 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 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 Elemente der Grundausstattung des
Aufbaus sind in Tabelle 1, optionale Erweiterungen in Tabelle 2
aufgeführt.
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
Energiefeldichte des Laserstrahls umfaßt einen variablen Ab
schwächer 5, eine Umlenkeinrichtung 6, eine Abbildungslinse 7,
einen Detektor 8 mit einem ortauflösenden 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. ä. 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 bewegliche, 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 zu 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 Energiefeldichte
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:
- 1. Messung von Pulsketten bis (fp < 10 kHz) im Fokus oder im Roh strahl
- 2. Der konventionelle x/y-Scanner ist in seiner Bewegung frei programmierbar.
- 3. Der Abbildungs- und Frequenzmaßstab ist frei wählbar.
- 4. Ein modularer Aufbau ist möglich:
- 1. alternativer Einsatz im Rohstrahl oder Fokusbereich
- 2. schnelle, günstige Umrüstung möglich
- 3. Shutter/Chopper optional für lange Pulsdauern oder cw-Betrieb
- 5. Mit zusätzlicher, beweglicher Linse 7 kann Strahllage und Kaustik nach DIN EN ISO 11146 vermessen werden.
- 6. 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 alle 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 Sampling
raten von 10 kHz bei der Messung von Intensitätsverteilungen L
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 Meßstrec
ken 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.
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 Lasertrahls 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
ligen 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 fokussierten 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.
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 Energiefeldichten
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
rückgesteuert 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 Energiefel
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
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 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 (24)
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.) mit
einem ortsauflösenden Sensor gemessen 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 Energiefeldichte 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 einer 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 intensitätsseitigen 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,
daß der Detektor (8) im Bereich der von der Umlenkeinrichtung (6) abgelenkten Teilstrahlen des Meßstrahls (2.1.) angeordnet ist, und
daß der Detektor (8) ein ortsauflösendes Sensorelement ist.
daß die Vorrichtung eine Ausblendvorrichtung (Strahlenteiler 4) zur zumindest teilweisen intensitätsseitigen 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,
daß der Detektor (8) im Bereich der von der Umlenkeinrichtung (6) abgelenkten Teilstrahlen des Meßstrahls (2.1.) angeordnet ist, und
daß der Detektor (8) ein ortsauflösendes Sensorelement 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) eine CCD-Kamera ist.
22. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor (8) einer eine Fläche ortsauflösenden Sensor (14),
insbesondere ein Feld von Photodioden (Photodioden-Array) auf
weist.
23. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Detektor (8) ein CMOS Detektor-Array ist.
24. Vorrichtung nach Anspruch 15,
dadurch gekennzeichnet,
daß in dem Strahlengang des Meßstrahl (2.1.) Sammel- und/oder
Steulinsen und/oder Grauscheiben und/oder Spiegel und/oder ho
lographisch-optische Elemente angeordnet sind.
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