DE3510937A1

DE3510937A1 - Laserstrahlmessvorrichtung fuer hochleistungslaser

Info

Publication number: DE3510937A1
Application number: DE19853510937
Authority: DE
Inventors: Frank 5100 Aachen Treppe; Heinrich Dipl.-Ing. 5108 Monschau Willerscheid
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1985-03-26
Filing date: 1985-03-26
Publication date: 1986-10-02
Also published as: DE3510937C2

Description

Laserstrahlmeßvorrichtung für Hochleistungslaser
Die Erfindung betrifft eine Laserstrahlmeßvorrichtung für Hochleistungslaser zum Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandeln und dergleichen während des Bearbeitungsprozesses mit den Merkmalen der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung.
Derartige Vorrichtungen sind an sich bekannt. So ist beispielsweise ein Laserstrahlmeßgerät bekannt, das über einen von einem Synchronmotor angetriebenen Nadelträger verfügt, auf dem die Nadeln radial nach außen abstehen und die Achse des Laserstrahls bei einer Umdrehung senkrecht schneiden.
Dieser Nadel sind zwei seitlich gegeneinander versetzt angeordnete Detektoren zugeordnet, die die Intensitätsverteilung in x- und y-Richtung des Laserstrahls abtasten. Beim Durchlaufen der Nadel durch den Laserstrahl tasten die beiden seitlich versetzten Detektoren kreisförmige Bahnen des Laserstrahls ab. Es erfolgt also eine selektive Auskopplung des Laserstrahis auf gekrümmten Bahnen. Die Auflösung des Intensitätsprofils ist damit örtlich und zeitlich festgelegt, da sowohl die Ortsbahnen als auch die Umlaufgeschwindigkeit der Nadeln unveränderbar ist. Mit Hilfe eines Triggersignals läßt sich die aufgenommene Leistung des Laserstrahls summieren. Die Divergenzmessung des Laserstrahls ist nur dadurch möglich, daß das Gerät an zwei verschiedene Orte gegenüber dem Laserstrahl gebracht wird, was eine äußerst umständliche Handhabung bei der Messung darstellt.
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, unter geringer Laserstrahlbeeinflussung und unter Verwendung von wenigen Detektoren eine Laserstrahlmeßvorrichtung zu schaffen, die es insbesondere ermöglicht, eine Laserstrahlvermessung mit hoher örtlicher und hoher zeitlicher Auflösung in einem Gerät, sowie eine Erfassung von schnellen Modenstrukturveränderungen und eine gleichzeitige Bestimmung dieser Veränderungen an beliebigen Punkten im ganzen Strahlquerschnitt durchzuführen. Dieses Laserstrahlmeßgerät soll ferner einfach justierbar und handhabbar sein, es soll vor Umgebungseinflüssen schützbar sein und eine Bestimmung des Strahldurchmessers, eine Divergenzmessung des Laserstrahls, eine geradlinige Strahlabtastung und eine regelbare Abtastfrequenz ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die in dem kennzeichnenenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 16 gekennzeichnet.
Die Vorteile der Erfindung bestehen insbesondere darin, daß eine hohe örtliche und zeitliche Auflösung des Laserstrahls in einem einzigen Gerät möglich ist und daß dabei gleichzeitig die Bestimmung dieser Veränderung an beliebigen Punkten im Strahlquerschnitt möglich ist. Die Auskopplung des Meßstrahls erfolgt dabei auf annähernd geradlinigen Bahnen, eine hohe Ortsauflösung wird durch die geradlinigen Profilschnitte des Strahlquerschnitts bei gleichzeitiger Vermessung von drei definierten und frei wählbaren Bahnen erreicht. Eine hohe Zeitauflösung ist bei der Bestimmung der Intensitätsverteilung entlang einer Meßlinie dadurch möglich, daß die Umlaufgeschwindigkeit des Nadelträgers variierbar ist. Es ist eine Divergenzmessung des Laserstrahls ohne Veränderung des Standpunktes des Meßgerätes möglich.
Es gibt eine Triggermöglichkeit für den Anschluß eines Rechners bzw. von Oszilloskop,t£damit die Möglichkeit, die Laserleistung zu bestimmen. Durch geeignete Ausführung der Nadeldurchmesser ergibt sich eine geringe Strahlbeeinflussung des Lasers und durch Verschiebung von Detektoren ist die Bestimmung der Laserstrahlabmessungen möglich. Schließlich wird durch die Erzeugung von Überdruck im Gehäuse der Laserstrahlmeßvorrichtung und durch entsprechende Abschirmungsmaßnahmen für die Detektoren eine Beeinflussung der Meßergebnisse durch Schmutz und Umgebungseinflüsse vermieden.
Mit dem erfindungsgemäßen Laserstrahlmeßgerät ist eine Erfassung und Bewertung sowie mittels eines Rechners eine Nachführung von prozeßspezifischen Größen während des Bearbeitungsprozesses möglich, und zwar ohne diesen maßgeblich zu beeinflussen. Mit dem Laserstrahlmeßgerät meßbare Kenngrößen des Laserstrahls sind dabei die Modenstruktur, Strahlabmessung, Leistung und Divergenz sowie deren zeitliche Anderung. Die erfindungsgemäße Laserstrahlmeßvorrichtung ermöglicht durch in weiten Bereichen veränderbare Drehzahlen des Nadelträgers bzw. des Blendenrades eine hohe Flexibilität.
Nachstehend wird die Erfindung anhand von einem Ausführungsbeispiel und zwei Zeichnungen noch näher erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine Prinzipskizze zur Erzielung einer hohen zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls und Figur 2 eine Prinzipskizze zur Strahivermessung mit hoher örtlicher Auflösung des Laserstrahis.
Figur 1 zeigt in Teildarstellung eine Prinzipskizze der Laserstrahlmeßvorrichtung. Um die Übersichtlichkeit zu wahren, wurde auf die Darstellung der konstruktiven Details des Gerätes verzichtet. Einem Laserstrahl 1 ist ein Nadelträger 2 zugeordnet. Auf dem Nadelträger 1 sind senkrecht stehend Nadeln 3 befestigt. Die Rotationsachse 13 des Nadelträgers 2 ist zur Achse des Laserstrahls 1 ebenfalls senkrecht angeordnet. Der Nadelträger 2 wird in eine Position gebracht, die bei Umdrehung des Trägers es den Nadeln 3 ermöglicht, den Laserstrahl 1 bei einer vollen Umdrehung jeweils zweimal zu durchlaufen bzw. zu schneiden. Der Antrieb des Nadelträgers erfolgt mit einem Motor, beispielsweise einem Synchronmotor. Jedoch ist jede andere geeignete Antriebsart verwendbar. Der Radius zur Befestigung der Nadeln 3 auf den Nadelträger 2 gerechnet vom Mittelpunkt 14 des Nadelträgers ist derart groß bemessen, daß beim Durchgang der Nadel 3 durch den Laserstrahl 1 praktisch eine geradlinige Strahlabtastung erfolgt, d.h. daß die Krümmung beim Durchgang der Nadel durch den Strahl vernachlässigbar klein ausfällt.
Die Nadeln 3 sind auf den Nadelträger 2 ferner in einem derartigen Abstand zueinander auf einem Radius angeordnet, daß beim Umlauf des Nadelträgers 2 stets nur eine Nadel 3 den Laserstrahl 1 durchschneidet. Der Durchmesser der Nadeln 3 ist außerdem möglichst klein gehalten, um bei der zeitlichen Auflösung einen möglichst kleinen Zeitabschnitt zu erreichen.
Bei dem ersten Durchgang einer Nadel 3 durch den Laserstrahl 1, der in Figur 1 dargestellt ist, wird dieser erste Nadeldurchgang zur Ermittlung der zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls 1 benützt. Zu diesem Zweck bewegt sich die Nadel 3 beim Durchlaufen des Laserstrahis 1 zwischen zwei Detektoren 5 und 6, die sich gegenüberliegend auf einer Geraden angeordnet sind. Bei diesem oberen Strahlendurchgang der Nadel wird ein Teil der Laserstrahlung in die Detektoren 5 und 6 gespiegelt. Damit können Intensitätsprofile entlang dieser Bahn mit einer Zeitdifferenz t = dN/vN detektiert werden, wobei d der Durchmesser der Nadel ist und v N die Umfangsgeschwindigkeit der Nadel ist.
Mit dieser Anordnung können Modeninstabilitäten bis in denKHr Bereich nachgewiesen werden. Eine derartige Messung einer schnellen Modenstruktur bei einem Laserstrahl war mit den bisher bekannten Geräten überhaupt nicht möglich. Diese arbeiteten beispielsweise mit einer Drehfrequenz von 50 Hz für den Nadelträger, die nicht veränderbar war. Die Geschwindigkeit der Nadeln bzw. des Nadelträgers 2 ist dagegen in weiten Grenzen mit Hilfe des angeschlossenen Motors veränderbar. Sie kann sich beispielsweise zwischen 1000 und 10.000 Umdrehungen pro Minute für den Nadelträger bewegen.
Die beiden Diagramme in Figur 1, in denen das Intensitätsprofil des Detektors 5 und des Detektors 6 über der Zeit aufgetragen ist, zeigen derartige Modeninstabilitäten. Die Anzeige dieser Modeninstabilitäten kann selbstverständlich auch über einen Rechner digital erfolgen, als Trigger wird dazu ein vierter Detektor 11 auf einer zum Laserstrahl 1 senkrechten Achse 12 angeordnet. Dieser vierte Detektor 11 kann außerdem zusätzlich zur Intensitätsprofilmessung entlang einer Achse senkrecht zum Laserstrahl und in Bewegungsrichtung der Nadel verwendet werden.
Die Detektoren 5 und 6, die einander gegenüberliegend auf einer Geraden angeordnet sind, können beide gleichzeitig seitlich auf weitere parallele Gerade verschoben werden.
Diese Verschiebung ist nach links und rechts möglich, so daß damit jeder beliebige Punkt des Laserstrahis 1 mit der Nadel 3 an den beiden Detektoren abgetastet werden kann.
Eine Steigerung der Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers führt zu einer hohen zeitlichen Auflösung. Die Geschwindigeit des Nadelträgers 2 ist regelbar mit Hilfe des nicht dargestellten Motors zum Antrieb dieses Nadelträgers.
Damit ist auch die zeitliche Auflösung der Laserstrahlvermessung veränderbar. Die seitliche Verschiebung der Detektoren 5 und 6 kann beispielsweise mit Hilfe eines Servomotors durchgeführt werden.
Neben der vorstehend beschriebenen Messung der zeitlichen Auflösung des Laserstrahls findet gleichzeitig eine Messung der örtlichen Auflösung des Laserstrahis statt. Der zweite Nadeldurchgang durch den Laserstrahl dient zur Ermittlung der örtlichen Auflösung des Strahls. Dazu ist bei dem unteren Nadeldurchgang ein auf einen dritten Detektor 7 fokussierender Konkavspiegel 8 vorgesehen. Zwischen dem Konkavspiegel 8 und dem dritten Detektor 7 ist ein Blendenrad 9 angeordnet. Dieses Blendenrad 9 wird ebenfalls von einem Motor wie beispielsweise Synchronmotor angetrieben, der der Übersichtlichkeit halber wie auch der Antriebsmotor für den Nadelträger nicht dargestellt ist. Die Umdrehungsgeschwindigkeit des Blendenrades 9 ist dabei stets größer gehalten als die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers 2. Auch die Umdrehungsgeschwindigkeit des Blendenrades 9 ist regelbar und kann so der Geschwindigkeit des Nadelträgers entsprechend angepaßt werden.
Die Blenden 10 in dem Blendenrad 9 sind schlitzförmig ausgeführt, siehe dazu Figur 2. Durch fünf hochreflektierend ausgeführte Nadeln, die den Laserstrahl in einer Ebene senkrecht zur Strahlachse schneiden, erfolgt eine annähernd lineare Abtastung des Laserstrahlquerschnittes.
Aus Figur 2 ist das Meßprinzip zur Strahlvermessung mit hoher örtlicher Auflösung ersichtlich. Der ausgekoppelte parallele Teilstrahl des Lasers wird mit Hilfe eines Konkavspiegels 8 auf den Detektor 7 fokussiert. Das sehr schnell rotierende Blendenrad erzeugt geradlinige Profilschnitte des Laserstrahls, wie sie in Figur 2 unten in einer Prinzipdarstellung für den TEM OD Mode mit Hilfe einer Rechnersimulation dargestellt sind. Durch die variablen Drehzahlen des Nadelträgers 2 und des Blendenrades 9 kann man die Anzahl der abgetasteten Bahnen und damit die Ortsauflösung variieren. Die Formel für ein Wegstück 4 x lautet: wobei n N die Geschwindigkeit des Nadelträgers, n B die Geschwindigkeit des Blendenrades, DN der Durchmesser des Nadelträgers und z8 die Blendenbreite darstellt.
Zur Divergenzmessung des Laserstrahls 1 werden die Detektoren 5 und 11 eingesetzt. Dazu sind die Detektoren 5 und 11 ausgerichtet auf den Laserstrahl zueinander parallel und in der gleichen Ebene liegend angeordnet. Somit können mit den Detektoren 5 und 11 gleiche Bahnen des Laserstrahlquerschnittes vermessen werden. Bei genügend großer Modenstabilität kann auf Grund dieses zweifachen Strahlendurchganges der Nadel 3 eine Divergenzmessung vorgenommen werden.
Zum Schutz von Strahlungseinflüssen aus der Umgebung werden alle Detektoren 5, 6, 7 und 11 soweit wie möglich durch geeignete Maßnahmen abgeschirmt. Da Verschmutzungen der spiegelnden Oberflächen des Gerätes zu lokalen Verfälschungen der Meßergebnisse führen, wird das in den beiden Figuren nicht dargestellte Gehäuse der Laserstrahlmeßvorrichtung vor dem Eindringen von Staub durch Erzeugen eines Überdrucks in dem Laserstrahlmeßgerät gegenüber dem außen herrschenden Luftdruck geschützt.
Das Laserstrahlmeßsystem gemäß der Erfindung ist für einen Einbau in den horizontalen und vertikalen Laserstrahlengang vorgesehen. Die Justierung des Gerätes an seinem Einsatzort erfolgt auf optischem Wege, indem der beispielsweise oft vorhandene Aiming Laser mit Hilfe einer Nadel auf zur Einrichtung vorgesehene Strichplatten abgebildet wird.
Die örtliche Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahls kann durch geeignete Maßnahmen noch erhöht werden.
Neben der Abtastung durch den Detektor 7 können auch die sonst zur Messung der zeitlichen Auflösung vorgesehenen Detektoren 5 und 6 zur zusätzlichen örtlichen Auflösung des Laserstrahlquerschnittes herangezogen werden. Dazu werden die beiden Detektoren 5 und 6 seitlich gegeneinander versetzt, was beispielsweise mit Servomotoren geschehen kann, wodurch dann insgesamt drei Bahnen zur Abtastung des örtlichen Intensitätsprofils zur Verfügung stehen.
Gleichzeitig kann damit auch der Strahlquerschnitt des Laserstrahls 1 ermittelt werden.
- L e e r s e i t e -

Claims

Laserstrahlmeßvorrichtung für Hochleistunqslaser Patentansprüche 1. Laserstrahlmeßvorrichtung für Hochleistungslaser zum Schweißen, Schneiden, Oberflächenbehandeln und dergleichen während des Bearbeitungsprozesses, die über einen durch Motor angetriebenen Nadelträger mit darauf angeordneten Nadeln verfügt, wobei eine Nadel die Achse des Laserstrahles bei einer Umdrehung senkrecht schneidet und einer Nadel Detektoren zugeordnet sind, die das zeitliche und örtliche Intensitätsprofil des Laserstrahis abtasten, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) derart angeordnet sind, daß jede Nadel bei einer vollen Umdrehung des Nadelträgers zweimal den Laserstrahl (1) schneidet, daß dabei der eine Nadeldurchgang zur Ermittlung der zeitlichen und der andere Nadeldurchgang zur Ermittlung der örtlichen Auflösung des Laserstrahis (1) dient.
2. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Messung der zeitlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahis (1) sich die Nadel (3) zwischen zwei sich auf einer Geraden gegenüberstehenden Detektoren (5, 6) bewegt, daß zur Messung der örtlichen Auflösung des Intensitätsprofils des Laserstrahis (1) der Nadel (3) ein auf einen dritten Detektor (7) fokussierender Konkavspiegel (8) zugeordnet ist, und daß zwischen dem Konkavspiegel (8) und dem dritten Detektor (7) ein Blendenrad (9) angeordnet ist, daß ferner die Geschwindigkeit des Blendenrades (9) größer als die Geschwindigkeit des Nadelträgers (2) gehalten wird und daß schließlich der Nadel (3) ein vierter Detektor (11) auf einer zum Laserstrahl (1) senkrechten Achse (12) zugeordnet ist.
3. Laserstrahlmeßgerät nach den Patentansprüchen 1 und 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die zeitliche und die örtliche Auflösung der Laserstrahivermessung veränderbar ist.
4. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Umdrehungsgeschwindigkeit des Nadelträgers (2) und des Blendenrades (9) veränderbar ausgeführt ist.
5. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die auf einer Geraden angeordneten Detektoren (5, 6) gleichzeitig seitlich auf zu der ersten parallele weitere Gerade verschiebbar anordenbar sind.
6. Laserstrahlmeßvorrichtung nach Anspruch 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e daß zur gleichzeitigen zeitlichen Verschiebung der Detektoren (5) und (6) ein Servomotor dient.
7. Laserstrahimeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Blenden (10) des Blendenrades (9) schlitzförmig ausgebildet sind.
8. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Achsen der Nadeln (3) senkrecht auf dem Nadelträger (2) stehen und daß weiterhin die Rotationsachse (13) des Nadelträgers (2) zur Achse des Laserstrahis (1) senkrecht steht.
9. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Radius zur Befestigung der Nadeln (3) auf den Nadelträger (2) vom Mittelpunkt (14) des Nadelträgers derart groß bemessen ist, daß eine annähernd geradlinige Strahlabtastung erfolgt.
10. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Nadeln (3) auf dem Nadelträger (2) in derartigem Abstand angeordnet sind, daß beim Umlauf des Nadelträgers stets nur eine Nadel den Laserstrahl (1) schneidet.
11. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Durchmesser der Nadeln (3) möglichst klein ausgeführt ist.
12. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Divergenzmessung des Laserstrahls (1) die Detektoren (5, 11) ausgerichtet auf den Laserstrahl zueinander parallel und in der gleichen Ebene liegend angeordnet sind.
13. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß mittels des vierten Detektors (11) ein Triggersignal zum rechnergestützten Auswerten erzeugt wird.
14. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Laserstrahlmeßvorrichtung mit einem Gehäuse versehen ist, in dem ein Überdruck gegenüber dem außerhalb des Gehäuses herrschenden Luftdruck herrscht.
15. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Detektoren (5, 6, 7, 11) gegen Einstrahlung aus der Umgebung abgeschirmt sind.
16. Laserstrahlmeßvorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß zur Messung des Laserstrahlquerschnittes die zwei parall zur Nadelachse verschiebbaren Detektoren (5, 6) seitlich gegeneinander versetzbar ausgeführt sind.