-
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 CO
2-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 CO
2-Lasers
einzustellen. Eine Regelung der Laserleistung ist nicht vorgesehen. Auch
ist nicht vorgesehen, inhärente
Instabilitäten
eines CO
2-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