DE202008010495U1 - Optisches Element und Vorrichtung zum Überwachen des optischen Elements - Google Patents

Optisches Element und Vorrichtung zum Überwachen des optischen Elements Download PDF

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Abstract

Optisches Element (20) mit:
einem für Laserstrahlung (6) bevorzugt mit einer Wellenlänge im Infrarot-Bereich transmissiven oder teiltransmissiven Grundkörper (20a), wobei der Grundkörper (20a) an einer Umfangsfläche (26) mindestens eine Planfläche (27a, 27b) aufweist, die insbesondere durch einen Flächenanschliff gebildet ist,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Grundkörper (20a) an der Planfläche (27a) mit einem für Messstrahlung (23) bei der Messwellenlänge λM bevorzugt im sichtbaren Bereich transmissiven plattenförmigen Körper (20b) verbunden ist, und dass die dem Grundkörper (20a) abgewandte Fläche (28) des plattenförmigen Körpers (20b) eine für die Messstrahlung (23) spiegelnde oder entspiegelnde Beschichtung aufweist.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Element mit einem für Laserstrahlung bevorzugt im Infrarot-Bereich transmissiven oder teiltransmissiven Grundkörper, wobei der Grundkörper an einer Umfangsfläche mindestens eine Planfläche aufweist, die insbesondere durch einen Flächenanschliff gebildet ist. Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zum Überwachen eines im Strahlengang eines Laserstrahls angeordneten optischen Elements, sowie eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer solchen Überwachungsvorrichtung. Besondere Anwendung findet die Erfindung bei Infrarot-Gaslasern, speziell bei CO2-Gaslasern mit einer Betriebswellenlänge λB von 10,6 μm.
  • Die Aufgaben eines Strahlführungs- und Strahlformungssystems an einer CO2-Hochleistungslaseranlage bestehen in einer möglichst leistungs- und qualitätsverlustfreien Führung des Laserstrahls und dessen Formung zur gewünschten Leistungsdichteverteilung am Bearbeitungsort. Bei der Auswahl der optischen Elemente sind die besonderen Anforderungen der infraroten CO2-Wellenlänge und die hohen Leistungsdichten zu berücksichtigen. Aufgrund der langen Wellenlänge > 2 μm erfolgt die Strahlführung überwiegend in freier Strahlpropagation über reflektierende, transmissive und teiltransmissive optische Elemente und nicht über optische Glasfasern, da die Dämpfungsverluste zu groß sind. Für viele Anwendungen besteht die Möglichkeit, sowohl reflektierende als auch transmissive bzw. teiltransmissive optische Elemente einzusetzen.
  • Bei der infraroten Wellenlänge eines CO2-Laserstrahls von 10,6 μm stehen nur wenige optische Werkstoffe für transmissive optische Elemente zur Verfügung. Für transmissive optische Elemente wird überwiegend Zinkselenid (ZnSe) verwendet. Vorteilhaft sind bei diesem Material vor allem der kleine Absorptionskoeffizient und die geringe Temperaturabhängigkeit des Brechungsindex. Im Vergleich zu Zinkselenid besitzt Galliumarsenid (GaAs) einen höheren Absorptionskoeffizienten, der jedoch durch eine bessere Wärmeleitfähigkeit und mechanische Festigkeit kompensiert wird. Als weitere optische Werkstoffe für transmissive optische Elemente werden Zinkselenid (ZnS) und Germanium eingesetzt.
  • Absorption von Laserstrahlung an optischen Elementen ist unvermeidbar und vor allem für transmissive und teiltransmissive optische Elemente von Bedeutung. Ein einfallender Laserstrahl wird im Grundwerkstoff des optischen Elementes, in den Beschichtungen und an Verunreinigungen im und auf dem optischen Element absorbiert und führt zu einer Erwärmung des optischen Elementes und einer Veränderung der optischen Kenngrößen (Brechungsindex, Wärmeleitfähigkeit etc.). Staubpartikel oder sonstige Verschmutzungen, wie z. B. Abrieb, die in einem Strahlführungsraum vorhanden sind, können sich an der Oberfläche der optischen Elemente ablagern und zu einer verstärkten Absorption des auftreffenden Laserstrahls und damit zu einer zusätzlichen Erwärmung der optischen Elemente führen.
  • Da das Strahlführungs- und Strahlformungssystem einen großen Einfluss auf das Bearbeitungsergebnis hat, stellt die Absorption eine wesentliche Fehlerquelle dar. Diese kann durch die Herstellung hochreiner Optikwerkstoffe, durch eine Kühlung der optischen Elemente und regelmäßige Wartung im Einsatz eingeschränkt werden. Überwachungssysteme bieten die Möglichkeit zur frühzeitigen Entdeckung von Fehlern und zur Verlängerung der Standzeiten optischer Elemente.
  • Die DE 198 39 930 C1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung der Funktionalität eines transmissiven Schutzelementes einer für die Laserwellenlänge transmissiven Laseroptik sowie eine Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Aufgabe ist es dort, ein Verfahren bzw. eine Einrichtung zur Überwachung der Funktionalität eines transmissiven Schutzelementes einer transmissiven Laseroptik so auszugestalten, dass insbesondere Rissbildungen oder thermische Zerstörungen des Schutzelementes zuverlässig erfasst werden können. Die Überwachungseinrichtung umfasst einen an die Umfangsfläche des Schutzelementes angekoppelten Detektor, der aus der Umfangsfläche austretendes Licht erfasst, und eine Lichtquelle, die an die Umfangsfläche angekoppelt ist und mit dem Detektor als Lichtschranke zusammenwirkt. Die Messstrahlung der Lichtquelle wird in einer zur Einfallsrichtung des Laserstrahls schrägen Richtung in das Schutzelement eingekoppelt und durchquert das Schutzelement. Ein Teil der Messstrahlung wird nach Durchqueren des Schutzelementes vom Detektor als transmittierter Messstrahl erfasst.
  • Die WO 2006/037580 A1 der Anmelderin beschreibt ein optisches Element für eine Laserbearbeitungsmaschine, das an seiner Umfangsfläche mindestens eine Profilierung aufweist, die beispielsweise als planer Flächenanschliff ausgebildet sein kann. Die plane Profilierung wird beispielsweise als Reflexionsfläche zur Reflexion eines über die Umfangsfläche eingekoppelten Messlichtstrahls genutzt oder vor einer Messlichtquelle angeordnet, so dass das Licht der Messlichtquelle besser in das optische Element eingestrahlt werden kann.
  • Bei der Überwachung eines optischen Elements mit Hilfe von über die Umfangsfläche eingekoppelter und an der Umfangsfläche reflektierter Messstrahlung tritt das Problem auf, dass beim Ein- bzw. Auskoppeln der Messstrahlung Leistungsverluste durch Reflexion an der Umfangsfläche, sowie bei der Reflexion der Messstrahlung Leistungsverluste aufgrund von Transmission der Messstrahlung durch die Umfangsfläche auftreten. Dies kann dazu führen, dass das Messsignal der detektierten Messstrahlung zu gering wird, um eine zuverlässige Überwachung des optischen Elements zu gewährleisten. Um diesem Problem zu begegnen, können die Grenzflächen für die Ein- und Auskopplung bzw. Reflexion der Messstrahlung bei der Herstellung des optischen Elements ent- bzw. verspiegelt werden, was jedoch zu mehr Prozessschritten und dabei notwendigen Positionsänderungen des optischen Elements während des Herstellungsprozesses und damit zu deutlich höheren Kosten führt.
  • Aufgabe der Erfindung
  • Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kostengünstiges optisches Element sowie eine kostengünstige Vorrichtung bereitzustellen, die eine prozesssichere Überwachung des optischen Elements unter Verwendung von über die Umfangsfläche des optischen Elements eingekoppelter Messstrahlung ermöglicht.
  • Gegenstand der Erfindung
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein optisches Element der eingangs genannten Art, bei dem der Grundkörper an der Planfläche mit einem für Messstrahlung bei einer Messwellenlänge λM bevorzugt im sichtbaren Bereich transmittissiven plattenförmigen Körper fest verbunden ist, und bei dem die dem Grundkörper abgewandte Fläche des plattenförmigen Körpers eine für die Messstrahlung spiegelnde oder entspiegelnde Beschichtung aufweist.
  • An dem erfindungsgemäßen optischen Element kann die Ein-/Auskopplung bzw. die Reflexion der Messstrahlung an der beschichteten Fläche des plattenförmigen Körpers und nicht an der Planfläche des Grundkörpers erfolgen. Dies ist vorteilhaft, da hierdurch die Ent- bzw. Verspiegelung des Grundkörpers entfällt und somit dessen Herstellung nicht durch einen zusätzlichen, zeitaufwändigen Beschichtungsschritt verlangsamt wird. Die Ent- bzw. Verspiegelung des plattenförmigen Körpers kann kostengünstig dadurch erfolgen, dass ein großflächiger, dünner Grundkörper mit der Beschichtung versehen und anschließend in mehrere plattenförmige Körper mit kleinerer Grundfläche unterteilt wird. Die Form der Grundfläche des platten förmigen Körpers entspricht in der Regel der Form der Planfläche, wobei die Grundfläche des plattenförmigen Körpers typischer Weise so gewählt ist, dass dieser nicht über die Planfläche übersteht.
  • Bevorzugt unterscheidet sich der Brechungsindex nF des plattenförmigen Körpers vom Brechungsindex nG des Grundkörpers bei der Messwellenlänge λM um höchstens 0,7, bevorzugt um höchstens 0,3. Um unerwünschte Reflexionen an der Verbindungsfläche zwischen dem Grundkörper und dem plattenförmigen Körper zu vermeiden, sollte dieser einen Brechungsindex aufweisen, der möglichst nahe am Brechungsindex des Grundkörpers liegt.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform bestehen der Grundkörper und der plattenförmige Körper aus demselben Material, bevorzugt aus Zinkselenid. In diesem Fall kann auf besonders einfache Weise sichergestellt werden, dass sowohl der plattenförmige Körper als auch der Grundkörper denselben Brechungsindex aufweisen. Es versteht sich, dass auch andere Materialien als Zinkselenid (Brechungsindex n = 2,7 bei 0,54 μm), z. B. Zinksulfid (Brechungsindex n = 2,4 bei 0,54 μm) oder Flintglas (Brechungsindex n = 2,0) als Materialien für den Grundkörper und/oder den plattenförmigen Körper dienen können.
  • Besonders bevorzugt ist der plattenförmige Körper an dem Grundkörper durch Verkleben mittels eines bei der Messwellenlänge λM transparenten, bevorzugt UV-aushärtbaren Klebers oder durch Bonden verbunden. Insbesondere durch Klebung ist es kostengünstig möglich, eine dauerhafte Verbindung des plattenförmigen Körpers mit dem Grundkörper herzustellen.
  • Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist der Grundkörper zwei parallele Planflächen auf, die sich entlang der Umfangsfläche gegenüberliegen. Hierbei kann eine der Planflächen konventionell verspiegelt oder mit einem eine spiegelnde Beschichtung aufweisenden plattenförmigen Körper verbunden sein, während die andere Planfläche mit einem eine entstpiegelnde Beschichtung aufweisenden plattenförmigen Körper verbunden ist. An einem solchen optischen Element erfolgt die Ein- und Auskopplung der Messstrahlung an derselben Planfläche. Es versteht sich, dass der Grundkörper auch drei Planflächen aufweisen kann, von denen mindestens eine mit einem plattenförmigen Körper verbunden ist, wobei in diesem Fall die Ein- und Auskopplung der Messstrahlung an unterschiedlichen Planflächen erfolgt.
  • Der plattenförmige Körper ist möglichst dünn ausgeführt und hat typischer Weise eine Dicke zwischen ca. 0,1 mm und 1 mm, um die Absorptionsverluste der Messstrahlung möglichst gering zu halten und um zu gewährleisten, dass das optische Element in eine konventionelle, typischer Weise ringförmige Halterung eingesetzt werden kann.
  • Die Erfindung ist auch verwirklicht in einer Vorrichtung zum Überwachen eines im Strahlengang eines Laserstrahls angeordneten optischen Elements, umfassend: ein optisches Element wie oben beschrieben, eine Messlichtquelle zur Erzeugung und Aussendung von Messstrahlung mit einer Messwellenlänge λM auf die Umfangsfläche des optischen Elements, und einen Detektor zum Detektieren zumindest eines Teils der durch das optische Element hindurch getretenen Messstrahlung. Die Messstrahlung kann hierbei an der spiegelnden oder entspiegelnden Fläche des plattenförmigen Körpers transmittiert oder reflektiert werden.
  • In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform ist zwischen der Messlichtquelle und dem Detektor ein teiltransmissiver Spiegel angeordnet. Der teiltransmissive Spiegel ist günstig, wenn die Messstrahlung an derselben Fläche ein- und ausgekoppelt werden soll, da an diesem auf besonders einfache Weise die eingekoppelte von der ausgekoppelten Messstrahlung separiert werden kann.
  • Besonders bevorzugt weist die Vorrichtung eine Auswerteeinrichtung auf, welche die Intensität der vom Detektor aufgezeichneten Strahlung der Temperatur des optischen Elements oder einer insbesondere temperaturabhängigen Kenngröße des optischen Elements zuordnet.
  • Die Erfindung ist auch verwirklicht in einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer Vorrichtung wie oben beschrieben. Insbesondere kann es sich bei der Laserbearbeitungsmaschine um eine CO2-Laserbearbeitungsmaschine handeln. Die Überwachung kann hierbei an einem beliebigen optischen Element des Strahlführungs- und Strahlformungssystems der Laserbearbeitungsmaschine erfolgen, z. B. an einer Fokussierlinse des Laserbearbeitungskopfs oder einem teiltransmissiven Auskoppelspiegel des Laserresonators.
  • Zur Herstellung des optischen Elements kann ein Verfahren dienen, bei dem ein plattenförmiger Körper mit großer Grundfläche mit einer spiegelnden oder entspiegelnden Beschichtung versehen wird. Der plattenförmige Körper wird nachfolgend in mehrere, kleinere plattenförmige Körper (mit geringerer Grundfläche) geteilt, und anschließend wird einer der plattenförmigen Körper an der Planfläche mit dem Grundkörper verbunden, um das optische Element zu bilden.
  • Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
  • Es zeigen:
  • 1 eine schematische Darstellung einer Laserbearbeitungsmaschine mit einem Laserbearbeitungskopf, sowie
  • 2 eine schematische Darstellung einer Überwachungsvorrichtung für eine Fokussierlinse in dem Laserbearbeitungskopf.
  • 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1 in Form einer CO2-Laserschneidmaschine zum Laserschneiden mit einem CO2-Laserresonator 2, einem Laserbearbeitungskopf 4 und einer Werkstückauflage 5. Ein von dem Laserresonator 2 bei einer Betriebswellenlänge λB von 10,6 μm erzeugter Laserstrahl 6 wird mittels einer Strahlführung 3 von (nicht gezeigten) Umlenkspiegeln zum Laserbearbeitungskopf 4 geführt und in diesem fokussiert sowie mit Hilfe von ebenfalls nicht bildlich dargestellten Spiegeln senkrecht zur Oberfläche 8a eines Werkstücks 8 ausgerichtet, d. h. die Strahlachse (optische Achse) des Laserstrahls 6 verläuft senkrecht zum Werkstück 8.
  • Zum Laserschneiden des Werkstücks 8 wird mit dem Laserstrahl 6 zunächst eingestochen, d. h. das Werkstück 8 wird an einer Stelle punktförmig aufgeschmolzen oder oxidiert und die hierbei entstehende Schmelze wird ausgeblasen. Nachfolgend wird der Laserstrahl 6 über das Werkstück 8 bewegt, so dass ein durchgängiger Schnittspalt 9 entsteht, an dem entlang der Laserstrahl 6 das Werkstück 8 durchtrennt.
  • Sowohl das Einstechen als auch das Laserschneiden können durch Hinzufügen eines Gases unterstützt werden. Als Schneidgase 10 können Sauerstoff, Stickstoff, Druckluft und/oder anwendungsspezifische Gase eingesetzt werden. Welches Gas letztendlich verwendet wird, ist davon abhängig, welche Materialien geschnitten und welche Qualitätsansprüche an das Werkstück gestellt werden. Entstehende Partikel und Gase können mithilfe einer Absaugeinrichtung 11 aus einer Absaugkammer 12 abgesaugt werden.
  • In 2 ist als Beispiel für ein optisches Element in der Strahlführung 3 eine Fokussierlinse 20 in einer Draufsicht gezeigt, welche in dem Laserbearbeitungskopf 4 der Laserbearbeitungsmaschine 1 von 1 angebracht ist. In den Laserbearbeitungskopf 4 ist auch eine Vorrichtung 21 zur Überwachung der Fokussierlinse 20 integriert, welche neben der Fokussierlinse 20 eine Messlichtquelle 22 in Form einer handelsüblichen LED zur Erzeugung und Aussendung von Messstrahlung 23 auf das optische Element 20, einen Detektor 24 zum Detektieren zumindest eines Teils der durch das optische Element 20 hindurch getretenen Messstrahlung 23 sowie eine Auswerteeinrichtung 25 umfasst. Die Messstrahlung 23 weist hierbei eine Messwellenlänge λM von 540 nm auf, kann aber auch bei anderen Wellenlängen, typischer Weise im Bereich zwischen 500 nm und 800 nm, liegen.
  • Das optische Element 20 besteht aus einem Grundkörper 20a (Linsenkörper) aus Zinkselenid, an dessen umlaufender Umfangsfläche 26 zwei gegenüber liegende Flächen 27a, 27b plan angeschliffen und poliert sind. An der ersten Planfläche 27a ist der Grundkörper 20a mit einem plattenförmigen Körper 20b durch Kleben mit einem UV-aushärtbaren, bei der Messwellenlänge λM transparenten Kleber verbunden. Es versteht sich, dass der plattenförmige Körper 20b auch auf andere Weise fest mit dem Grundörper 20a verbunden werden kann, z. B. durch Bonden. Der plattenförmige Körper 20b weist auf der dem Grundkörper 20a abgewandten Seite eine Fläche 28 mit einer für die Messstrahlung 23 bei der Messwellenlänge λM entspiegelnden Beschichtung auf. Die zweite Planfläche 27b des Grundkörpers 20a ist hingegen durch Aufbringen einer dünnen Metallschicht verspiegelt.
  • Zur Überwachung des optischen Elements 20 tritt die von der Messlichtquelle 22 ausgesandte Messstrahlung 23 durch einen teiltransmissiven Spiegel 29 hindurch und wird senkrecht zur entspiegelnden Fläche 28 bzw. zur ersten Planfläche 27a in den plattenförmigen Körper 20b bzw. den Grundkörper 20a des optischen Elements 20 eingestrahlt, an der gegenüber liegenden, zweiten Planfläche 27b reflektiert und nach nochmaligem Durchlaufen des Grundkörpers 20a und des plattenförmigen Körpers 20b über den teiltransmissiven Spiegel 29 auf den Detektor 24, der als Photodiode ausgebildet ist, ausgekoppelt. Die Intensität der Messstrahlung 23, die vom Detektor 24 aufgezeichnet wird, kann in der Auswerteeinrichtung 25 ausgewertet werden, um Rückschlüsse z. B. auf Rissbildungen oder Zerstörungen des Grundkörpers 20a zu erfassen oder die Temperatur bzw. temperaturabhängige Kenngrößen des optischen Elements 20 zu überwachen.
  • Da Zinkselenid als Material des Grundkörpers 20a bei der Messwellenlänge λM von 540 nm einen Brechungsindex nG von 2,7 aufweist, ist es zur Vermeidung von Strahlungsverlusten an der Grenzfläche zwischen dem Grundkörper 20a und dem plattenförmigen Körper 20b günstig, wenn das Material des plattenförmigen Körpers 20b einen Brechungsindex nF aufweist, der größer als 2,0 ist und günstiger Weise möglichst nahe bei 2,7 liegt. Um dies zu erreichen, kann als Material für den plattenförmigen Körper 20b ebenfalls Zinkselenid gewählt werden. Kostengünstiger ist jedoch bleihaltiges Glas oder Kunststoff mit hohem Brechungsindex nF z. B. von ca. 2,6. Bei der Wahl des Materials für den plattenförmigen Körper 20b kann ausgenützt werden, dass dieser nicht zwingend für Strahlung bei der Betriebswellenlänge λB von 10,6 μm transparent sein muss. Die Dicke des plattenförmigen Körpers 20b ist gering und kann bei ca. 0,2 mm liegen, um Strahlungsverluste beim Durchtritt der Messstrahlung 23 möglichst klein zu halten.
  • Würde die oben beschriebene Messung an dem Grundkörper 20a des optischen Elements 20 ohne den plattenförmigen Körper 20b durchgeführt, so würde, da Zinkselenid für dem Messstrahlung 23 bei der Messwellenlänge λM von 540 nm einen Brechungsindex von 2,7 aufweist, beim Ein- und Auskoppeln an der ersten Planfläche 27a jeweils 20% der Strahlungsleistung reflektiert, wären also für die Messung nicht nutzbar. An der gegenüber liegenden Planfläche 27b würden ohne eine spiegelnde Beschichtung ebenfalls nur 20% der Strahlungsleistung der Messstrahlung 23 reflektiert, so dass nach dem Auskoppeln nur noch ca. 13% der Strahlungsleistung als Messsignal zur Verfügung stünden. Versuche mit einer solchen Überwachungsvorrichtung haben gezeigt, dass diese Strahlungsleistung zu gering für eine prozesssichere Funktionsüberwachung des optischen Elements 20 ist. Durch den entspiegelten plattenförmigen Körper 20b wird die ausgekoppelte Strahlungsleistung deutlich erhöht.
  • Es versteht sich, dass alternativ zur in 2 gezeigten Darstellung an der zweiten Planfläche 27b des optischen Elements 20 ebenfalls ein plattenförmiger Körper mit einer spiegelnden Beschichtung an der dem Grundkörper 20a abgewandten Seite angeklebt oder auf andere Weise mit diesem verbunden sein kann. Hierdurch kann die wieder ausgekoppelte Strahlungsleistung auf mehr als 90% der Eingangsleistung angehoben werden. Es versteht sich, dass auch drei Planflächen an dem Grundkörper 20a vorgesehen sein können, wenn die Messstrahlung an zwei unterschiedlichen Planflächen ein- bzw. ausgekoppelt wird. Auch können mehr als drei plane Flächen an dem Grundkörper vorgesehen werden, um mehrere sich ggf. teilweise überschneidende Bereiche des Grundkörpers 20a zu überwachen. Es versteht sich weiterhin, dass zusätzlich oder alternativ zur Fokussierlinse 20 im Laserbearbeitungskopf 4 auch andere optische Elemente in der Strahlführung 3 der Laserbearbeitungsmaschine 1 überwacht werden können, z. B. ein (nicht gezeigter) teildurchlässiger Auskoppelspiegel des Laserresonators 2.
  • Der plattenförmige Körper 20b mit einer spiegelnden bzw. entspiegenden Fläche 28 kann besonders kostengünstig hergestellt werden, indem ein großflächiger, dünner Ausgangskörper mit einer spiegelnden oder entspiegelnden Beschichtung versehen und anschließend in mehrere plattenförmige Körper mit kleinerer Grundfläche unterteilt wird. Insbesondere durch Klebung ist es außerdem kostengünstig möglich, eine dauerhafte Verbindung eines solchen plattenförmigen Körpers 20b mit dem Grundkörper 20a herzustellen, wobei das Ankleben des plattenförmigen Körpers 20b wesentlich schneller erfolgen kann als das Aufbringen einer Beschichtung direkt auf die Planfläche 27a, so dass der Herstellungsprozess des optischen Elements 20 verkürzt wird und damit Kosten eingespart werden können. Es versteht sich, dass das optische Element bzw. die Überwachungsvorrichtung nicht nur auf dem Gebiet der Laserbearbeitung Verwendung finden können, sondern auch auf anderen Gebieten der Optik vorteilhaft eingesetzt werden können, wenn an einem optischen Element eine prozesssichere Überwachung unter Verwendung von über die Umfangsfläche eingekoppelter Messstrahlung ermöglicht werden soll.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • - DE 19839930 C1 [0006]
    • - WO 2006/037580 A1 [0007]

Claims (10)

  1. Optisches Element (20) mit: einem für Laserstrahlung (6) bevorzugt mit einer Wellenlänge im Infrarot-Bereich transmissiven oder teiltransmissiven Grundkörper (20a), wobei der Grundkörper (20a) an einer Umfangsfläche (26) mindestens eine Planfläche (27a, 27b) aufweist, die insbesondere durch einen Flächenanschliff gebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Grundkörper (20a) an der Planfläche (27a) mit einem für Messstrahlung (23) bei der Messwellenlänge λM bevorzugt im sichtbaren Bereich transmissiven plattenförmigen Körper (20b) verbunden ist, und dass die dem Grundkörper (20a) abgewandte Fläche (28) des plattenförmigen Körpers (20b) eine für die Messstrahlung (23) spiegelnde oder entspiegelnde Beschichtung aufweist.
  2. Optisches Element nach Anspruch 1, bei dem der Brechungsindex nF des plattenförmigen Körpers (20b) sich vom Brechungsindex nG des Grundkörpers (20a) bei der Messwellenlänge λM um höchstens 0,7, bevorzugt um höchstens 0,3 unterscheidet.
  3. Optisches Element nach Anspruch 1 oder 2, bei dem der Grundkörper (20a) und der plattenförmige Körper (20b) aus demselben Material bestehen, bevorzugt aus Zinkselenid.
  4. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der plattenförmige Körper (20b) mit dem Grundkörper (20a) durch Verkleben mittels eines bei der Messwellenlänge λM transparenten, bevorzugt UV-aushärtbaren Klebers oder durch Bonden verbunden ist.
  5. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem der Grundkörper (20a) zwei parallele Planflächen (27a, 27b) aufweist, die sich entlang der Umfangsfläche (26) gegenüberliegen.
  6. Optisches Element nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, bei dem der plattenförmige Körper (20b) eine Dicke von weniger als 1 mm aufweist.
  7. Vorrichtung (21) zum Überwachen eines im Strahlengang eines Laserstrahls (6) angeordneten optischen Elements (20), umfassend: ein optisches Element (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, eine Messlichtquelle (22) zur Erzeugung und Aussendung von Messstrahlung (23) mit einer Messwellenlänge λM auf die Umfangsfläche (26) des optischen Elements (20), und einen Detektor (24) zum Detektieren zumindest eines Teils der durch das optische Element (20) hindurch getretenen Messstrahlung (23).
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter umfassend einen teiltransmissiven Spiegel (29), der zwischen der Messlichtquelle (22) und dem Detektor (24) angeordnet ist.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, weiter umfassend eine Auswerteeinrichtung (25), welche die Intensität der vom Detektor (24) aufgezeichneten Messstrahlung (23) der Temperatur des optischen Elements (20) oder einer insbesondere temperaturabhängigen Kenngröße des optischen Elements (20) zuordnet.
  10. Laserbearbeitungsmaschine (1) mit mindestens einer Vorrichtung (21) nach einem der Ansprüche 7 bis 9.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012139873A1 (de) 2011-04-12 2012-10-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur fokussierung eines laserstrahls und verfahren zum überwachen einer laserbearbeitung
CN109202302A (zh) * 2018-10-09 2019-01-15 马鞍山沐及信息科技有限公司 一种激光切割机
DE102020131980A1 (de) 2020-12-02 2022-06-02 Audi Aktiengesellschaft Prüfverfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19839930C1 (de) 1998-09-02 1999-09-09 Jurca Optoelektronik Gmbh Verfahren zur Überwachung der Funktionalität des transparenten Schutzelementes einer transparenten Laseroptik sowie Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
WO2006037580A1 (de) 2004-10-02 2006-04-13 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh & Co Kg Optisches element einer laserbearbeitungsmaschine und halterung des optischen elements

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19839930C1 (de) 1998-09-02 1999-09-09 Jurca Optoelektronik Gmbh Verfahren zur Überwachung der Funktionalität des transparenten Schutzelementes einer transparenten Laseroptik sowie Einrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens
WO2006037580A1 (de) 2004-10-02 2006-04-13 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh & Co Kg Optisches element einer laserbearbeitungsmaschine und halterung des optischen elements

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2012139873A1 (de) 2011-04-12 2012-10-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur fokussierung eines laserstrahls und verfahren zum überwachen einer laserbearbeitung
DE102011007176A1 (de) * 2011-04-12 2012-10-18 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls und Verfahren zum Überwachen einer Laserbearbeitung
DE102011007176B4 (de) * 2011-04-12 2015-06-25 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Vorrichtung zur Fokussierung eines Laserstrahls und Verfahren zum Überwachen einer Laserbearbeitung
US9511450B2 (en) 2011-04-12 2016-12-06 Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg Apparatus for focusing a laser beam and method for monitoring a laser processing operation
CN109202302A (zh) * 2018-10-09 2019-01-15 马鞍山沐及信息科技有限公司 一种激光切割机
DE102020131980A1 (de) 2020-12-02 2022-06-02 Audi Aktiengesellschaft Prüfverfahren zur Überwachung eines Laserbearbeitungskopf-Schutzglases

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