DE202004009856U1 - Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls - Google Patents

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    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/02Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the intensity of light

Abstract

Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls (14), mit einem drehbaren Brewster-Element (16), das entlang einer Achse, die parallel zur Richtung des Laserstrahls (14) ist, ausgerichtet und im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) angeordnet ist,
einer Antriebseinrichtung (24) zum Drehen des Brewster-Elementes (16) um diese Achse,
einer Meßeinrichtung (22) zur Erfassung der Leistung des Laserstrahls (14) stromabwärts des drehbaren Brewster-Elementes (16) und Erzeugen eines Leistungs-Istwertes,
einer Regeleinrichtung (28) mit einem Eingang, der mit der Meßeinrichtung (22) verbunden ist, und einem Ausgang, der mit der Antriebseinrichtung (24) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (28) den Leistungs-Istwert sowie einen Leistungs-Sollwert erhält und einen Stellwert erzeugt und ausgibt,
wobei die Antriebseinrichtung (24) das drehbare Brewster-Element (16) abhängig von dem Stellwert dreht, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls und insbesondere der Leistung eines von einem CO2-Laser emittierten Laserstrahls.
  • Eine der größten Schwierigkeiten bei der Verwendung von CO2-Lasern ist ihre inhärente Instabilität der Ausgangsleistung. Diese Instabilität wird durch eine Vielfalt von Faktoren verursacht, zu denen die Änderung der Kühlwassertemperaturen, die Expansion und Kontraktion des Laserhohlraums sowie Änderung des Arbeitspunkts durch Modulationsänderungen gehören. Letzteres findet statt, wenn die Anwendung unterschiedliche Leistungen braucht, z.B. bei einer Bitmap/Graustufen-Markierung oder -Schneiden, Anwendungen mit verschiedenen Geschwindigkeiten und dergleichen.
  • Die meisten Hersteller von kontinuierlichen (Continuous Wave; CW) CO2-Lasern spezifizieren ihre Produkte mit einer Stabilität innerhalb von ±7% nach einer „Aufwärmphase". Abhängig von dem Typ und Aufbau des Laserhohlraums können während dieser Aufwärmphase zahlreiche Sprünge zwischen den Ausgangsphasen des Lasers auftreten.
  • Bestimmte Prozeßanwendungen erfordern auch im Dauerbetrieb einen wesentlich höheren Grad an Leistungsstabilität für die hochpräzise Verarbeitung von Materialien, wie beispielsweise das Aufscannen von Graustufenbildern auf Glas- oder Kunststoffmaterialien.
  • Im Stand der Technik ist es bekannt, optische Filter und Modulatoren einzusetzen, um die Laserausgangsleistung nach der Aufwärmphase zu stabilisieren.
  • Zu diesem Zweck werden beispielsweise akustooptische Modulatoren der Hersteller Isomet Corporation, Springfield, VA, USA und Neos Technology, Melbourne, FL, USA verwendet. Auch bei Verwendung akustooptischer Modulatoren konnte die Stabilität der Ausgangsleistung eines CO2-Lasers bisher jedoch für viele Anwendungen nicht ausreichend verbessert werden.
  • Aus dem europäischen Patent EP 1 246 712 derselben Anmelderin sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Steuern der Leistung eines Laserstrahls abhängig von der Bewegung des Laserstrahls über ein Ziel bekannt. Die Vorrichtung umfaßt eine Ablenkeinheit zum Bewegen des Laserstrahls über das Ziel und wenigstens eine drehbare Brewster-Platte, die im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist, sowie eine Antriebseinrichtung zum Drehen der Brewster-Platte. Die Brewster-Platte wird nach Maßgabe der Bewegung der Ablenkeinrichtung und somit des Laserstrahls auf dem Ziel gesteuert, um sicherzustellen, daß der Laserstrahl in Übereinstimmung mit der Bewegung des Laserstrahls auf dem Ziel an dieses immer eine konstante Leistung abgibt. Eine Regelung der Laserleistung und insbesondere eine Feinregelung der Ausgangsleistung eines CO2-Lasers und eine Kompensation der inhärenten Instabilitäten ist in dieser Schrift nicht vorgesehen.
  • Die europäische Patentanmeldung EP 1 308 235 derselben Anmelderin beschreibt ein Verfahren zum Steuern der Laserstrahlenergie eines Laserstrahls mittels zweier Brewster-Elemente, die entlang einer Achse ausgerichtet sind, die parallel zur Richtung des Laserstrahls ist, wobei die Brewster-Elemente um diese Achse gedreht werden und das erste Brewster-Element in eine Richtung und das zweite Brewster-Element in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird. Insbesondere werden die beiden Brewster-Elemente gleichzeitig und um den gleichen Winkelbetrag gedreht, um die Laserausgangsleistung auf einen Wert zwischen 0% und 100% der maximalen Leistung des CO2-Lasers einzustellen. Eine Regelung der Laserleistung ist nicht vorgesehen. Auch ist nicht vorgesehen, inhärente Instabilitäten eines CO2-Lasers auszugleichen.
  • Den genannten Schutzrechten derselben Anmelderin liegt das Konzept zugrunde, zur Steuerung der Laserleistung ein Element zu verwenden, das für die Polarisationssteuerung eines Lichtstrahls bekannt ist, nämlich ein Brewster-Element oder Brewster-Platte. Ausgehend von einem Lichtstrahl, und insbesondere einem Laserstrahl mit nur einer Polarisationsrichtung, kann ein Brewster-Element, das auf den richtigen Brewster-Winkel eingestellt ist, theoretisch dazu verwendet werden, zwischen 0% und 100% der polarisierten Strahlung hindurch zu lassen, wenn es um einen Winkel zwischen 0° und 90° gedreht wird. Abhängig von der Art des Lasers, werden für die Brewster-Elemente verschiedene Materialien und Beschichtungen gewählt. Zur Steuerung der Energie eines Kohlendioxid (CO2)-Lasers werden als Brewster-Elemente vorzugsweise ZnSe-Platten verwendet. Verschiedene Beschichtungen können auf die Oberflächen der Brewster-Elemente aufgebracht werden, um die maximale und minimale Transmission, die Ausgangspolarisation und die erforderliche Drehung der Brewster-Elmente zum Steuern der Transmission verändern zu können. In der Praxis beträgt die maximale Transmission eines Brewster-Elementes der beschriebenen Art etwa 99,98%. In der Praxis ist ferner die Dämpfung eines einzelnen Brewster-Elementes häufig nicht ausreichend, um eine Transmission von null Prozent einzustellen.
  • Die Funktion von Brewster-Elementen sei im folgenden zur Erläuterung des Hintergrundes der Erfindung anhand der 1 bis 4 näher betrachtet.
  • 1 zeigt, wie ein Laserstrahl, der entweder in die P-Pol (parallel) oder S-Pol (senkrecht) Richtung polarisiert ist, mit einem einzelnen Brewster-Element 200 reflektiert oder hindurchgelassen werden kann. Zum Zweck der Darstellung sind sowohl P-Polarisation als auch S-Polarisation in der Zeichnung dargestellt. Ein Fachmann wird jedoch verstehen, daß in der Praxis ein CO2-Laserstrahl im wesentlichen nur eine Art von Polarisation (Linearpolarisation) aufweist. Mit Bezug auf 1 wird, wenn die Eingangspolarisation P-Pol ist, der Strahl reflektiert. Wenn die Eingangspolarisation S-Pol ist, wird der Eingangsstrahl hindurchgelassen.
  • Ferner wird der Laserstrahl um einen Faktor versetzt, der sich aus dem durch den Brewster-Winkel gegebenen Einfallswinkel und aus der Dicke des Brewster-Elements selbst ergibt.
  • 2 zeigt das Brewster-Element 200, das um 90° gedreht wurde, wobei nun der P-Pol-Strahl hindurchgelassen und der S-Pol-Strahl reflektiert wird. Der Laserstrahl wird um exakt den gleichen Faktor versetzt wie in 1, unterscheidet sich jedoch dadurch, daß er nun um 90° um die Mittellinie gedreht wurde.
  • 3 zeigt zwei zueinander ausgerichtete Brewster-Elemente 450, 452, die es ermöglichen, daß der Ausgangsstrahl des Lasers zum Eingangsstrahl des Lasers nicht versetzt ist, weil das zweite Brewster-Element 452 die durch das erste Brewster-Element 450 erzeugte Parallelverschiebung kompensiert. In der Realität und abhängig von der Beschichtung der Brewster-Elemente 450, 452 wird der von dem ersten Brewster-Element 450 reflektierte Teil des P-Pol-Laserstrahls einen sehr hohen Prozentsatz des P-Pol-Eingangsstrahls umfassen, so daß nur noch ein sehr kleiner Prozentsatz von dem zweiten Brewster-Element 452 reflektiert werden muß.
  • 4 zeigt die zwei Brewster-Elemente 450, 452, die gemeinsam in dieselbe Richtung gedreht werden. Wenn die Drehung zunimmt, nimmt der Anteil des von dem ersten Brewster-Element 450 reflektierten P-Pol-Strahls ab und die P-Pol-Durchlässigkeit nimmt zu. Entsprechend nimmt mit der zunehmenden Drehung der Anteil der durch das erste Brewster-Element 450 durchgelassenen S-Pol-Laserstrahlung ab und die Reflexion der S-Pol-Laserstrahlung nimmt zu.
  • Es ist wichtig, zu beachten, daß die Laserstrahlpolarisation, welche das erste Brewster-Element 450 verläßt, mit der Drehung dieses ersten Brewster-Elements 450, abhängig von dessen Beschichtung, gedreht wird. 4 zeigt, daß P-Pol-Laserstrahlung, die durch das erste Brewster-Element 450 hindurchgelassen wird, daher von dem zweiten Brewster-Element 452 reflektiert wird. S-Polarisation, die durch das erste Brewster-Element 450 hindurchgelassen wird, wird von dem zweiten Brewster-Element 452 ebenfalls hindurchgelassen.
  • Das zweite Brewster-Element 452 hat daher auf die Leistungssteuerung keine wesentliche zusätzliche Wirkung. Jedoch ist es für die Korrektur der Strahlverschiebung des Laserstrahls durch das erste Brewster-Element wesentlich.
  • Bei dem in 4 gezeigten Verfahren werden die zwei Brewster-Elemente 450, 452 gemeinsam um 90° gedreht, um die Übertragung oder Durchlässigkeit vom Maximum zum Minimum zu steuern und die Verschiebung des Laserstrahls auszugleichen.
  • Ausgehend von dem oben erörterten Stand der Technik ist es die Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls anzugeben, die insbesondere zur Leistungsstabilisierung von CO2-Lasern geeignet ist. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Schutzanspruch 1 gelöst.
  • Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfaßt ein drehbares Brewster-Element, das entlang einer Achse, die parallel zur Richtung des Laserstrahls ist, ausgerichtet und im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist. Eine Antriebseinrichtung, beispielsweise ein Galvanometer-Scanner, ist mit dem Brewster-Element verbunden, um dieses zu drehen. Eine Meßeinrichtung ist vorgesehen, um die Leistung des Laserstrahls stromabwärts des drehbaren Brewster-Elementes zu erfassen und einen Leistungs-Istwert zu erzeugen. Die Regeleinrichtung empfängt an ihrem Eingang den Leistungs-Istwert von der Meßeinrichtung, vergleicht diesen mit einem Leistungs-Sollwert und gibt an ihrem Ausgang einen Stellwert an die Antriebseinrichtung. Die Antriebseinrichtung dreht das drehbare Brewster-Element abhängig von dem Stellwert, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren. Erfindungsgemäß wird somit das drehbare Brewster-Element als Stellglied in einer Regelschleife zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls verwendet. Insbesondere bei Einsatz von schnellen galvanometrischen Motoren können dadurch Schwankungen in der Intensität der Ausgangsleistung beispielsweise eines CO2-Lasers schnell ausgeregelt werden. In einer praktischen Erprobung konnte die Intensität eines CO2-Lasers nach der Aufwärmphase innerhalb eines Bereiches von ±0,3% stabil gehalten werden. Selbst in der Aufwärmphase war noch immer eine Regelung der Laserleistung auf einen Sollwert mit einer Abweichung von lediglich ±1,3% möglich.
  • Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sowohl die Ausgangsleistung eines Lasers auf einen konstanten Wert geregelt werden, wodurch Intensitätsschwankungen ausgeglichen werden, als auch durch Vorgabe eines entsprechenden Sollwertprofils ein vorgegebenes Leistungsprofil durchfahren werden.
  • In einer besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung wird das drehbare Brewster-Element in Verbindung mit einem feststehenden Brewster-Element eingesetzt, das unmittelbar hinter dem drehbaren Brewster-Element im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist. Es ist auch möglich, je ein feststehendes Brewster-Element vor und hinter dem drehbaren Brewster-Element anzuordnen, wobei sowohl drehbares als auch feststehendes Brewster-Element stromaufwärts der Meßeinrichtung liegen sollten.
  • Die Verwendung eines feststehenden Brewster-Elements in Kombination mit einem drehbaren Brewster-Element hat mehrere Vorteile. Wie erläutert, wird mit der Drehung des Brewster-Elementes auch die Polarisation des Laserstrahls, welcher durch dieses Brewster-Element hindurchtritt, gedreht. Der transmittierte Anteil des Laserstrahls, welcher anschließend auf das feststehende Brewster-Element auftrifft, wird von diesem in seine ursprüngliche Polarisationsebene zurückgedreht. Da die Wirkung eines Brewster-Elementes abhängig ist von der Polarisation des auftreffenden Lichtstrahls, trägt auch das feststehende Brewster-Element zur Leistungsreduktion des Laserstrahls (mit gedrehter Polarisation) bei. Dadurch kann eine Anordnung aus einem drehenden und einem feststehenden Brewster-Element einen höheren Wirkungsgrad erreichen als ein System mit nur einem drehbaren Brewster-Element. Gegenüber dem oben erläuterten Stand der Technik mit zwei drehbaren Brewster-Elementen hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sie einfacher und kostengünstiger herstellbar ist und daß das System aufgrund der geringeren Trägheit nur einer drehbaren Brewster-Platte schneller ist. Zwar kann bei der beschriebenen Vorrichtung mit einem drehbaren und einem feststehenden Brewster-Element der oben beschriebene Strahlversatz nicht vollständig ausgeglichen werden, durch eine geeignete Anordnung der Laserquelle und der optischen Komponenten innerhalb eines Lasergehäuses kann jedoch gleichwohl ein Laser-Ausgangsstrahl erzeugt werden, der in einer gewünschten Ebene liegt.
  • In der Praxis hat sich erwiesen, daß für eine Leistungsstabilisierung in einem Leistungsbereich von 15–100% der Ausgangsleistung ein drehbares Brewster-Element ausreichend ist, während es für eine Leistungsstabilisierung bzw. -regelung in einem größeren Bereich vorteilhaft ist, eine Kombination aus dem drehbaren und dem feststehenden Brewster-Element vorzusehen. Das feststehende Brewster-Element wird ferner benötigt, um die Polarisationsrichtung in die ursprüngliche Polarisationsebene der Laserquelle zurückzuführen. Dies kann notwendig sein, wenn entsprechende Anforderungen an das Laserausgangssignal gestellt werden, und empfiehlt sich auch im Hinblick auf nachgeschaltete optische Elemente, wie Strahlteiler, Modulatoren und dergleichen, die häufig polarisationsabhängig arbeiten.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist dem drehbaren Brewster-Element ein zweites drehbares Brewster-Element zugeordnet, welches unmittelbar stromabwärts oder stromaufwärts zu dem zuerst genannten drehbaren Brewster-Element entlang derselben Achse im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist. Das erste und das zweite drehbare Brewster-Element sind vorzugsweise in entgegengesetzte Richtungen drehbar, wobei sie insbesondere synchron um denselben Winkelbetrag in entgegengesetzte Richtungen gedreht werden. In einer besonders bevorzugten Ausführung dieser Variante sind das erste und das zweite drehbare Brewster-Element jeweils so eingerichtet, daß sie synchron um ungefähr 0 bis +45° bzw. 0 bis –45° drehbar sind, um die Transmission des Laserstrahls vom Maximum zum Minimum und umgekehrt zu steuern. Durch Vorsehen eines zweiten drehbaren Brewster-Elementes erhält man einen größeren dynamischen Bereich für die Leistungsreduktion bzw. Transmission des Laserstrahls, der wenigstens von 0 bis 98% Transmission reicht. Auch kann durch Vorsehen von zwei hintereinander geschalteten drehbaren Brewster-Elementen die Reaktionszeit verkürzt werden, und es können kleinere Drehwinkel (0 bis 45°) realisiert werden als bei Verwendung nur eines drehbaren Brewster-Elementes (0 bis 90°).
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Meßvorrichtung ein Leistungsmeßgerät und einen Strahlenteiler, der im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet ist und einen definierten Teil des Laserstrahls auf das Leistungsmeßgerät lenkt. Der von dem Strahlenteiler abgeleitete Teil des Laserstrahls sollte möglichst klein sein, um die Laserausgangsleistung nicht zu stark zu verringern.
  • Die Regeleinrichtung umfaßt vorzugsweise ein PID-Regelglied, welches einen Proportional-Regleranteil, einen Integral-Regleranteil und einen Differential-Regleranteil enthält. In einer bevorzugten Ausführungsform ist es durch Software in einer elektronischen Regeleinheit verwirklicht. In diesem Fall ist es zweckmäßig, am Eingang und am Ausgang der Regeleinrichtung einen A/D-Wandler bzw. einen D/A-Wandler vorzusehen. Die Regelung kann jedoch auch auf rein elektronischer Basis realisiert werden.
  • Die Antriebseinrichtung für das drehbare Brewster-Element umfaßt vorzugsweise einen galvanometrischen Motor und insbesondere einen Galvanometer-Scanner, der eine schnelle Beschleunigung und Abbremsung des Brewster-Elementes und dadurch eine schnelle Einstellung des gewünschten Winkels erlaubt.
  • Vorzugsweise ist auch eine Eingabevorrichtung zum Eingeben entweder eines konstanten Leistungs-Sollwertes oder eines Leistungs-Sollwertprofils in die Regeleinrichtung vorgesehen. In der bevorzugten Ausführung, in der die Regeleinrichtung durch einen Prozessor realisiert ist, kann die Eingabevorrichtung in einem Allzweckcomputer oder einem Spezialcomputer vorgesehen werden.
  • In einer weiteren besonders bevorzugten Ausführung der Erfindung ist stromabwärts der Meßeinrichtung ein optisches Modulationssystem im Ausbreitungsweg des Laserstrahls angeordnet. Dieses umfaßt besonders bevorzugt einen akustooptischen Modulator. Das Modulationssystem unterstützt die Regeleinrichtung bei der Rückführung der Laserausgangsleistung auf einen Sollwert, wenn schnellere Schwankungen der Laserintensität oder Sollwertsprünge auftreten. In diesem Fall verändert das Modulationssystem seinen Arbeitszyklus derart, daß die Laserausgangsleistung in Richtung des Sollwertes geführt wird, wobei das Modulationssystem dann, wenn der Leistungs-Istwert den Sollwert erreicht, wieder auf einen voreingestellten Arbeitszyklus zurückgeführt wird. Das Modulationssystem empfängt als Eingangssignal die Regeldifferenz zwischen dem Leistungs-Sollwert und dem Leistungs-Istwert, um auf Sprünge im Leistungs-Sollwert oder der Regelabweichung schnell reagieren zu können. Durch Vorsehen des Modulationssystems ist es möglich, die Ausgangsleistung des Laserstrahls noch schneller auf einen Sollwert zu führen als bei Verwendung nur der Brewster-Elemente. Das Modulationssystem wird ferner immer dann angewendet, wenn ein variabler Pulsbetrieb des Laserstrahls gewünscht wird.
  • Während bei Verwendung von Galvanometer-Scannern zum Drehen drehbarer Brewster-Elemente schnelle Regelzeiten im Bereich von einigen Milli-Sekunden erzielbar sind, können diese durch das nachgeschaltete Modulationssystem auf die Hälfte dieses Wertes oder darunter gesenkt werden.
  • Das drehbare Brewster-Element sowie das feststehende Brewster-Element bestehen vorzugsweise jeweils aus einer ZnSe-Platte, welche beispielsweise mit einer geeigneten Antireflexschicht beschichtet ist.
  • Die Erfindung ist im folgenden anhand bevorzugter Ausführungsformen mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:
  • 1 ein Beispiel eines Brewster-Elements zur Erläuterung des Verhaltens eines polarisierten Laserstrahls, der von dem Brewster-Element reflektiert bzw. hindurchgelasen wird;
  • 2 zeigt das Brewster-Element der 1, nachdem es um 90° gedreht wurde;
  • 3 zeigt eine Anordnung aus zwei Brewster-Elementen zur Erläuterung des Verhaltens eines polarisierten Laserstrahls, der auf die Brewster-Elemente auftrifft;
  • 4 zeigt die Anordnung aus den zwei Brewster-Elementen der 3, wobei diese synchron in dieselbe Richtung gedreht wurden;
  • 5 zeigt eine schematische Darstellung des Betrags und der Polarisationsrichtung eines Laserstrahls, welcher ein drehbares Brewster-Element und ein feststehendes Brewster-Element durchläuft;
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Regelungsvorrichtung;
  • Zur Erläuterung der Funktion eines drehenden Brewster-Elements in Kombination mit einem feststehenden Brewster-Element wird auf 5 Bezug genommen. In 5 ist das drehbare Brewster-Element bei 10 und das feststehende Brewster-Element bei 12 schematisch dargestellt. In 5 zeigt ein Doppelpfeil A schematisch den Betrag und die Polarisationsrichtung eines Laserstrahls, der auf das drehbare Brewster-Element 10 auftrifft. Es sei angenommen, daß der Doppelpfeil A einer Ausgangsleistung von 100% und einer P-Polarisation entspricht. Dieser Strahl trifft auf das drehbare Brewster-Element auf, wobei er das drehbare Brewster-Element 10, nach einer Drehung desselben um beispielsweise 45°, mit einem Betrag und einer Polarisationsrichtung verläßt, welche schematisch durch den Doppelpfeil B dargestellt ist. Der Doppelpfeil B entspricht der mit b bezeichneten Flanke eines rechtwinkligen Dreiecks auf dem Doppelpfeil A. Der Laserstrahl am Ausgang des drehbaren Brewster-Elementes 10 trifft auf das feststehende Brewster-Element 12 und wird von diesem abhängig von seiner Polarisationsrichtung weiter gedämpft, so daß am Ausgang des feststehenden Brewster-Elementes 12 ein Laserstrahl mit einer Polarisationsrichtung und einem Betrag entsprechend dem Doppelpfeil C austritt. Die Dämpfung des feststehenden Brewster-Elementes 12 ist abhängig von der vorangegangenen Drehung der Polarisationsrichtung des Laserstrahls durch das drehbare Brewster-Element 10. Wie aus 5 erkennbar, führt das feststehende Brewster-Element 12 den Laserstrahl wieder in die ursprüngliche Polarisationsebene zurück und dämpft die Lei stung des Laserstrahls abhängig von der einfallenden Polarisationsrichtung. Der Doppelpfeil C entspricht der Flanke c eines rechtwinkligen Dreiecks auf dem Doppelpfeil B.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung einer bevorzugten Ausführung der erfindungsgemäßen Regelvorrichtung. In 6 ist ein linear polarisierter Laserstrahl aus einer (nicht gezeigten) Laserquelle mit 14 bezeichnet. Als Laserquelle wird in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ein CO2-Laser verwendet. Der Laserstrahl trifft in seiner Ausbreitungsrichtung, in der Figur von rechts nach links, zunächst auf eine drehbare Brewster-Platte 16, das auch als aktives Brewster-Element bezeichnet ist, dann auf ein feststehendes Brewster-Element 18, das auch als passives Brewster-Element bezeichnet ist, und einen Strahlteiler 20, beispielsweise einen teilreflektierenden Spiegel, welcher einen definierten Teil des Laserstrahls 14 auf ein Leistungsmeßgerät 22 lenkt. Anstelle einer einzelnen drehbaren Brewster-Platte 16 können auch zwei gegenläufig drehbare Brewster-Platten vorgesehen werden (in der Figur nicht gezeigt), um den dynamischen Bereich der Regelvorrichtung zu vergrößern und mit kleineren Drehwinkeln pro Brewster-Platte eine kürzere Reaktionszeit der Regelvorrichtung zu erreichen. Das drehbare oder aktive Brewster-Element kann somit eine drehbare Brewster-Platte oder zwei gegenläufig drehbare Brewster-Platten umfassen, wie sie beispielsweise in dem deutschen Patent 101 54 363 derselben Anmelderin beschrieben sind. In 6 ist ferner eine Antriebseinrichtung in Form eines Galvanometer-Scanners 24 zum Drehen des drehbaren Brewster-Elements 16 schematisch dargestellt. Bei 26 ist ein A/D-Wandler gezeigt, der das Ausgangssignal des Leistungsmeßgerätes 22 in ein digitales Signal umwandelt, das von einer Regeleinrichtung 28 übernommen wird. Die Regeleinrichtung 28 umfaßt z.B. ein PID-Regelglied, das als Eingangssignale den Leistungs-Istwert und einen Leistungs-Sollwert erhält und ein Stellsignal zur Ansteuerung des Galvanometerscanners 24 erzeugt. Am Ausgang der Regeleinrichtung 28 kann ein D/A-Wandler (nicht gezeigt) vorgesehen sein. Der A/D-Wandler und der D/A-Wandler können auch in die Regeleinrichtung 28 integriert sein. Das in 6 dargestellte System arbeitet wie folgt:
  • Eine CO2-Laserquelle oder andere Laserquelle ist mit der gezeigten Regelvorrichtung gekoppelt und gibt den Laserstrahl 14 wie in 6 dargestellt ab. Der Laserstrahl trifft auf das drehbare Brewster-Element 16 und wird von diesem abhängig von der Stellung des Brewster- Elementes hindurchgelassen bzw. ganz oder teilweise reflektiert. Dem liegt zugrunde, daß ein Brewster-Element oder eine Brewster-Platte, deren Material und Beschichtung auf die Art und Polarisationsrichtung der Laserquelle abgestimmt und die mit dem entsprechenden Brewster-Winkel zur Strahlausbreitungsrichtung eingestellt ist, einen linear polarisierten Laserstrahl abhängig von dem Drehwinkel der Brewster-Platte steuerbar hindurchläßt oder reflektiert. Für CO2-Laser werden beispielsweise Brewster-Platten aus ZnSe hergestellt und mit geeigneten reflexmindernden Schichten versehen beschichtet. Der von dem drehbaren Brewster-Element 16 hindurchgelassene Anteil des Laserstrahls 14 trifft auf das feststehende Brewster-Element 18 und wird von diesem wiederum abhängig von der Polarisationsrichtung des Laserstrahls hindurchgelassen bzw. reflektiert. Da das stromaufwärtige Brewster-Element 16 die Polarisationsrichtung des Laserstrahls dreht, ist die Transmission des feststehenden Brewster-Elementes 18 nicht konstant, sondern abhängig von der vorangegangenen Drehung. Anschließend trifft der Laserstrahl auf den teilreflektierenden Spiegel 20, der einen definierten Anteil des Laserstrahls in das Leistungsmeßgerät 22 lenkt. Im Leistungsmeßgerät wird die Leistung oder Intensität des Laserstrahls als Leistungs-Istwert bestimmt und nach Umwandlung in ein digitales Signal als digitaler Leistungs-Istwert an die Regeleinrichtung 28 gegeben. Die Regeleinrichtung 28 empfängt auch einen Leistungs-Sollwert oder ein Leistungs-Sollwertprofil und bildet eine Regeldifferenz aus dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert. Diese Regeldifferenz ist das Eingangssignal eines PID-Regelgliedes, also eines Regelgliedes mit einem proportionalen, einem differentialen und einem integralen Anteil, wobei abhängig von dem gewählten Regelalgorithmus die P-, I- und D-Anteile unterschiedlich gewichtet sein können. Sofern der Istwert von dem Sollwert abweicht, erzeugt die Regeleinrichtung 28 ein Stellsignal für den Galvanometer-Scanner 24, der das drehbare Brewster-Element 16 entsprechend dreht, um diese Regelabweichung auszugleichen.
  • Mit der gezeigten Regelvorrichtung ist es möglich, schnelle Regelzeiten im Bereich von einigen Milli-Sekunden zur Nachführung des Leistungs-Istwertes bei Sollwertsprüngen oder Schwankungen der Ausgangsleistung des CO2-Lasers zu erreichen. Laserbedingte Leistungsschwankungen sind in der Praxis auf < 0,3% der Laserausgangsleistung begrenzbar. Das feststehende Brewster-Element 18 hat die Aufgabe, die Polarisationsrichtung des Laserstrahls 14 auf die ursprüngliche Polarisationsrichtung zurückzuführen und eine zusätzliche Dämpfung des Laserstrahls zu bewirken. Diese wiederum ist abhängig von dem Drehwinkel des drehbaren Brewster-Elementes.
  • In einer Abwandlung der in 6 gezeigten Ausführung der Erfindung kann zusätzlich zu dem feststehenden Brewster-Element 18 ein weiteres feststehendes Brewster-Element (nicht gezeigt) zwischen der Laserquelle und dem drehbaren Brewster-Element 16 angeordnet sein, um die Polarisationsrichtung des Laserausgangsstrahls der Laserquelle gegebenenfalls zu korrigieren. Wie erwähnt, wird in der bevorzugten Ausführung der Erfindung ein CO2-Laser verwendet, der linear polarisiertes Licht ausgibt. Jedoch liegt die Polarisationsrichtung eines solchen Lasers herstellungsbedingt nicht immer in einer vorgegebenen Polarisationsebene, so daß ein zweites feststehendes Brewster-Element am Ausgang der Laserquelle sicherstellen kann, daß die Polarisationsrichtung in der gewünschten Polarisationsebene liegt und somit die erfindungsgemäße Regeleinrichtung präzise arbeiten kann.
  • Ferner kann vorgesehen sein, am Ausgang der Regeleinrichtung, also dem teilreflektierenden Spiegel 20 nachgeschaltet, einen beispielsweise wassergekühlten Sicherheits-Shutter vorzusehen, der die Regeleinrichtung in Richtung des Target begrenzt. Ferner kann die Regelvorrichtung Strahlenfallen (Beam Dump) aufweisen, welche die von den Brewster-Elementen reflektierten Anteile des Laserstrahls auffangen.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung ist der Regeleinrichtung ein Modulationssystem und insbesondere ein akustooptischer Modulator nachgeschaltet, der in 5 bei 30 schematisch angedeutet ist. Der akustooptische Modulator kann eingesetzt werden, um einen gepulsten Laserstrahl auszugeben, sofern dies gewünscht ist. Ferner kann der akustooptische Modulator die schnelle Nachführung der Leistung des Laserstrahls bei starken oder schnellen Stabilitätsschwankungen der Laserquelle sowie bei Sollwertsprüngen unterstützen und beschleunigen. Zu diesem Zweck würde bei Erfassen einer Regelabweichung, die einen bestimmten Schwellwert übersteigt, der Taktzyklus des akustooptischen Modulators verändern, um die Laserleistung schneller nachzuführen, als dies mit dem Regelsystem alleine möglich wäre. Anstelle eines akustooptischen Modulators kann auch ein anderes Schalt- oder Modulationssystem eingesetzt werden, z.B. ein Leistungssteuersystem, wie es in den oben genannten Schutzrechten derselben Anmelderin beschrieben ist.
  • Die in der vorstehenden Beschreibung, den Ansprüchen und den Figuren gezeigten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in den verschiedenen Ausführungen von Bedeutung sein.
  • 100
    Eingangsstrahl
    110
    P-pol
    112
    S-pol
    120
    P-pol Reflexion
    122
    P-pol Transmission
    124
    P-pol Transmission
    126
    S-pol Reflexion
    130
    Verschiebung
    140
    Ausgansstrahl
    150
    Rotation

Claims (17)

  1. Vorrichtung zur Regelung der Leistung eines Laserstrahls (14), mit einem drehbaren Brewster-Element (16), das entlang einer Achse, die parallel zur Richtung des Laserstrahls (14) ist, ausgerichtet und im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) angeordnet ist, einer Antriebseinrichtung (24) zum Drehen des Brewster-Elementes (16) um diese Achse, einer Meßeinrichtung (22) zur Erfassung der Leistung des Laserstrahls (14) stromabwärts des drehbaren Brewster-Elementes (16) und Erzeugen eines Leistungs-Istwertes, einer Regeleinrichtung (28) mit einem Eingang, der mit der Meßeinrichtung (22) verbunden ist, und einem Ausgang, der mit der Antriebseinrichtung (24) verbunden ist, wobei die Regeleinrichtung (28) den Leistungs-Istwert sowie einen Leistungs-Sollwert erhält und einen Stellwert erzeugt und ausgibt, wobei die Antriebseinrichtung (24) das drehbare Brewster-Element (16) abhängig von dem Stellwert dreht, um die Differenz zwischen dem Leistungs-Istwert und dem Leistungs-Sollwert zu minimieren.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) stromaufwärts der Meßeinrichtung (22) vor und/oder hinter dem drehbaren Brewster-Element (16) ein feststehendes Brewster-Element (18) angeordnet ist.
  3. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung ein Leistungsmeßgerät (22) und einen Strahlenteiler (20) aufweist, wobei der Strahlenteiler (22) im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) angeordnet ist und einen definierten Teil des Laserstrahls (14) auf das Leistungsmeßgerät (22) lenkt.
  4. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (28) ein PID-Regelglied umfaßt.
  5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (24) einen Galvanometer-Scanner umfaßt.
  6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Eingabevorrichtung (Soll) zum Eingeben eines konstanten Leistungs-Sollwertes und/oder eines Leistungs-Sollwertprofils in die Regeleinrichtung (28).
  7. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß stromabwärts der Meßeinrichtung (22) ein optisches Modulationssystem (30) im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) angeordnet ist.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssystem (30) abhängig von dem Leistungs-Sollwert oder der Regeldifferenz zwischen dem Leistungs-Sollwert und dem Leistungs-Istwert ansteuerbar ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssystem (30) mit der Regeleinrichtung (28) verbunden ist.
  10. Vorrichtung nach einer der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Modulationssystem (30) einen akusto-optischen Modulator umfaßt.
  11. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem drehbaren Brewster-Element (16) ein zweites drehbares Brewster-Element zugeordnet ist, welches benachbart dem ersten drehbaren Brewster-Element (16) entlang derselben Achse im Ausbreitungsweg des Laserstrahls (14) angeordnet ist.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (16) und das zweite drehbare Brewster-Element dazu eingerichtet sind, jeweils in entgegengesetzte Richtungen gedreht zu werden.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das erste (16) und das zweite drehbare Brewster-Element synchron jeweils um ungefähr 0 bis +45°bzw. 0 bis –45° drehbar sind, um die Transmission des Laserstrahls (14) vom Maximum zum Minimum und umgekehrt zu steuern.
  14. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das drehbare Brewster-Element (16) aus ZnSe hergestellt und mit einer Antireflexschicht beschichtet ist.
  15. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Eingang der Regeleinrichtung (28) ein A/D-Wandler (26) und an dem Ausgang der Regeleinrichtung (28) ein D/A-Wandler vorgesehen ist.
  16. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Laserquelle zum Erzeugen eines linear polarisierten Laserstrahls (14).
  17. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine CO2-Laserquelle zum Erzeugen des Laserstrahl.
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