DE3841244C2

DE3841244C2 -

Info

Publication number: DE3841244C2
Application number: DE19883841244
Authority: DE
Inventors: Erwin 8000 Muenchen De Strigl
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-12-07
Filing date: 1988-12-07
Publication date: 1993-02-11
Also published as: DE3841244A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines CO₂-Laserstrahls mit einem Festkörper-Bildsensor.

Eine solche Vorrichtung ist aus der GB 21 86 973 A bekannt. Dort ist ein Festkörper-Bildsensor vorgesehen, der bei genau der Wellenlänge des zu vermessenden Laserstrahls empfindlich ist. Festkörper-Bildsensoren, die im Infrarotbereich wirksam sind, sind relativ teuer.

Die GB 21 52 691 A beschreibt einen Infrarot-Detektor, bei dem eine Sensoranordnung hinsichtlich ihrer optischen Eigenschaften durch ein Infrarotbild änderbar ist, so daß ein den Sensor passierender Strahl im sichtbaren Bereich des Spektrums entsprechend der IR-Einstrahlung auf den Sensor modifiziert wird. Mittels einer optischen Aufnahmeeinrichtung wird dann die sichtbare Strahlung vermessen, um eine Information über die Verteilung der Infrarotstrahlung zu erhalten.

Die DE 30 09 161 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Sichtbarmachen von Infrarotstrahlung, bei der eine fluoreszierende Platte verwendet wird, die durch ultraviolette Bestrahlung aktiviert wird.

Laserstrahlung im infraroten Bereich findet eine Vielzahl von Anwendungen, insbesondere in der industriellen Werkstoffbear beitung, Medizin und Forschung. Als Strahlquelle kommt insbe sondere der CO₂-Laser wegen seiner hohen Leistung in Betracht.

Bei der Materialbearbeitung mit CO₂-Lasern hängt die Qualität der Bearbeitung wesentlich von der Stabilität der Gesamtlei stung des Lasers und der Strahlqualität ab. Der Strahl kann im Laufe der Zeit und insbesondere bei einem gepulsten Laser von Laserpuls zu Laserpuls sein Intensitätsprofil ändern. Um den Laserstrahl entsprechend zu steuern, ist es deshalb erforder lich, sein Intensitätsprofil zu messen.

In der Zeitschrift "Laser und Optoelektronik", Nr. 3, 1985, Seiten 278 bis 281, wird ein Überblick über den Stand der Technik der Messung des Intensitätsprofils von Laserstrahlen gegeben. Bei den dort beschriebenen Verfahren wird der Laser strahl abgetastet oder ein Teilstrahl auf einen Detektor um gelenkt. Ein anderes abtastendes Verfahren zum Messen des In tensitätsprofils von Laserstrahlen ist aus dem DE-GM 82 27 494 bekannt.

Die bekannten abtastenden Meßverfahren sehen zum Beispiel ro tierende Nadeln vor, die direkt im Hauptstrahl des Lasers ver wendet werden können. Hierbei stellt sich aber das Problem, daß die Reflexionseigenschaften der reflektierenden Flächen der Na deln keine Veränderungen erfahren dürfen. Änderungen der Re flexionseigenschaften können zum Beispiel durch Erwärmung oder Verschmutzung der Flächen erfolgen.

Wird das Intensitätsprofil eines Laserstrahls durch Lochblenden abgetastet, so können auch hier Verschmutzungen der Blenden oder Beugungserscheinungen zu Meßfehlern führen.

Die bekannten Vorrichtungen zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahles verwenden bewegte mechanische Teile. Hier durch wird die Vorrichtung nicht nur aufwendig, es ist auch eine genaue und langwierige Justierung der bewegten Teile er forderlich und die geringsten Änderungen der zeitlichen Synchro nisierung der bewegten Teile können zu einem fehlerhaften Meß ergebnis führen. Die Überwachung der Drehzahl des die Bewegung antreibenden Motors erfordert ebenfalls aufwendige Regeleinrich tungen.

Weiterhin erfordern die bekannten Vorrichtungen zum Messen des Intensitätsprofils eines Infrarot-Laserstrahles jeweils Strah lungsdetektoren für die Strahlung. Bekannt sind insbesondere thermische Detektoren oder sogenannte Quantendetektoren. Durch die Verwendung solcher Detektoren werden die bekannten Vorrich tungen teuer. Auch ist für die Steuerung der Detektoren eine aufwendige Elektronik erforderlich, insbesondere um die An stiegs- und Abfallzeiten des Detektorsignals zu berücksichti gen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines Infrarot- Laserstrahls zu schaffen, die ein einfach auswertbares Signal liefert und eine schnelle und einfache Justierung sowie eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit ermöglicht.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß brauchen also keine bewegten Teile bei der Ver messung des Intensitätsprofils des Laserstrahls verwendet zu werden.

Die für die erfindungsgemäße Vorrichtung erforderlichen Fest körper-Bildsensoren sind als solche dem Fachmann bekannt.

Auch Materialien, die bei Infrarotbestrahlung ihre Emissions- oder Reflexions eigenschaften im sichtbaren Bereich ändern, sind dem Fachmann bekannt. Zum Beispiel kann als Material, welches bei Infrarot bestrahlung seine genannten Eigenschaften ändert, eine Substanz vorgesehen werden, die mit ultravioletter oder sichtbarer Strahlung bestrahlt wird und dabei im sichtbaren Bereich emit tiert bzw. reflektiert, wobei eine der ultravioletten bzw. sichtbaren Strahlung überlagerte Infrarotstrahlung die Emission bzw. Reflexion im sichtbaren Bereich ändert. Ein entsprechendes Material wird von der Firma "Laser 2000", Puchheim, unter der Typenbezeichnung F-16-CR angeboten. Das Material weist eine Phosphorbasis auf und ist mit Tageslicht "aufladbar". Das Nach leuchten liegt im Sekundenbereich. Von der Firma "L.O.T.", Darmstadt, wird unter der Typenbezeichnung 23-7 und 23-2 ein Material angeboten, sogenannte Wärmebildplatten für CO₂-Laser, welche mit UV-Strahlung anregbar sind und fluoreszieren.

In einer Variante des vorstehend beschriebenen Ausführungsbei spieles kann als Material, welches bei Infrarotbestrahlung seine genannten Eigenschaften ändert, ein sogenannter Thermo lack verwendet werden, der dem Fachmann als solcher ebenfalls bekannt ist. Thermolack ändert temperaturabhängig seine Farbe. Somit erlauben Farbänderungen in einem Thermolack ebenfalls Aussagen über die örtliche Intensität eines Infrarot-Laser strahles, welcher den Thermolack bei Einfall erwärmt. Auf diese Weise kann das Intensitätsprofil des Laserstrahles direkt auf grund der Farbänderungen gemessen werden. Entsprechende Thermo lacke sind bekannt und am Markt erhältlich. Die Firma REDPOINT, Swindon, England, bietet unter der Typenbezeichnung ST58-117 einen auf Flüssigkristallbasis funktionierenden Thermolack an, der reversibel seine Farbeigenschaften bei IR-Bestrahlung än dert.

In einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird als bei Infrarotbestrahlung seine genannten Eigenschaften änderndes Material eine Flüssigkristalle enthal tende Schicht verwendet, welche ebenfalls bei Infrarotbestrah lung ihre Farbeigenschaften ändert. Derartige Flüssigkristalle sind dem Fachmann als solche ebenfalls bekannt. Entsprechende Flüssigkristall-Lacke sind auch erhältlich von der Firme HER BERTS, Wuppertal (Typ LVS 1175/A).

Alle vorstehend beschriebenen Änderungen der optischen Eigen schaften des Materials sind reversibel.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines CO₂-Laserstrahls.

In der Figur fällt ein repräsentativer Teil eines zu messenden infraroten Laserstrahls eines CO₂-Lasers von links nach rechts in Richtung des Pfeiles 10 ein. Der Teilstrahl ist insofern re präsentativ für den eigentlichen Laserstrahl als er das gleiche Intensitätsprofil aufweist, dabei aber nur einen Bruchteil der Gesamtintensität des Laserstrahls aufweist. Beispielsweise kann der Teilstrahl am rückwärtigen Resonatorspiegel des CO₂-Lasers ausgekoppelt werden. Dieses Verfahren ist dem Fachmann als sol ches bekannt. Der derart ausgekoppelte Teilstrahl hat z. B. 0,5 % der Intensität des Gesamtstrahls.

Der Laserstrahl fällt gemäß Figur von links nach rechts auf einen Körper 12, der mit einem Material 14 auf seiner dem La serstrahl zugekehrten Vorderseite beschichtet ist, welches sei ne optischen Eigenschaften im sichtbaren Bereich des elektro magnetischen Spektrums dann ändert, wenn es mit Infrarotstrah lung bestrahlt wird. Die Infrarotstrahlung liefert der Laser strahl 10.

Als Material 14, welches bei Infrarotbestrahlung seine opti schen Eigenschaften im sichtbaren Spektralbereich ändert, kommt bei einem ersten Ausführungsbeispiel eine Substanz in Betracht, die mit ultravioletter Strahlung bestrahlt wird und dabei im sichtbaren Bereich fluoresziert. Wird eine solche Substanz zu sätzlich noch mit Infrarotstrahlung des Laserstrahles 10 be strahlt, so ändert sich die Emission des Schichtmaterials 14. Dort, wo Infrarotstrahlung auf das Schichtmaterial 14 auftrifft, wird seine Fluoreszenz geringer, d. h. in Abhängigkeit von der Intensität des Laserstrahles 10 wird die Emission an der be treffenden Stelle geringer. Auf diese Weise wird aus dem un sichtbaren Intensitätsprofil des Strahles 10 ein sichtbares Intensitätsprofil, bei dem die Intensität des Laserstrahles proportional ist der Dunkelheit der betreffenden Stelle des Strahles.

Bei Verwendung von Phosphormaterial wird durch einen kurzen La serpuls eine langsam abklingende Emissionsänderung des Mate rials 14 erreicht. Somit können auch Pulse aufgezeichnet wer den, deren Pulslänge im Mikrosekundenbereich liegt, da die Ab klingzeit des Phosphormaterials bei ca. 1 bis 2 Sekunden liegt. Bei den abtastenden Verfahren gemäß dem Stand der Technik ist dies nicht möglich.

Bei der Abwandlung des vorstehend anhand der Figur beschrie benen Ausführungsbeispieles wird als Material 14 ein sogenann ter Thermolack verwendet, welcher seine Farbe in Abhängigkeit von seiner Temperatur ändert. Je nach Intensität des einfallen den Laserstrahles wird somit ortsabhängig die Temperatur des Thermolacks verändert, was mit geeigneten Filtern ebenfalls in weiter unten beschriebener Weise gemessen werden kann.

Eine weitere Abwandlung des in der Figur beschriebenen Ausfüh rungsbeispieles sieht vor, daß als Material 14 eine Schicht verwendet wird, die Flüssigkristalle enthält, welche ihre op tischen Eigenschaften ebenfalls temperaturabhängig ändern. Derartige Flüssigkristalle sind als solche dem Fachmann be kannt.

Zum Konstanthalten der Temperatur des Materials 14 ist beim in der Figur gezeigten Ausführungsbeispiel hinter dem flachen Körper 12 ein Thermostat 16 angeordnet. Die Versorgungs- und Steuerein richtungen für den Thermostaten 16 sind mit dem Bezugszeichen 18 angedeutet.

Von dem Material 14 in Abhängigkeit von der örtlichen Intensi tät des Laserstrahles 10 emittierte Strahlung im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums wird über eine opti sche Abbildungseinrichtung 20 auf einen Festkörper-Bildsensor 22 abgebildet. Der Festkörper-Bildsensor 22 ist als solcher dem Fachmann bekannt und im Handel erhältlich. Der Festkörper-Bild sensor weist eine Matrix aus einer Vielzahl von einzelnen Bild elementen (pixels) auf, welche eine örtliche Auflösung des im Material 14 erzeugten Intensitätsprofils des Laserstrahles 10 ermöglichen. Die Versorgungseinrichtungen des Festkörper-Bild sensors 22 sind mit dem Bezugszeichen 24 angedeutet. In einem Rechner 26 wird das im Festkörper-Bildsensor 22 erzeugte Bild gespeichert und es wird die zeitliche Änderung des Bildes (auf grund von Schwankungen des Intensitätsprofils des Laserstrahles 10) im Rechner verfolgt. Entsprechend kann der Laser gesteuert werden, um ein gleichbleibendes Intensitätsprofil zu erhalten.

Wird als Material 14 eine Substanz verwendet, die mit ultravio letter oder sichbarer Strahlung bestrahlt wird, so schirmt eine Scheibe 28 den Festkörper-Bildsensor 22 (z. B. CCD oder MCP) von einer Lampe 30 ab, die ulraviolette bzw. sichtbare Strahlung emittiert. Das von der Lampe 30 emittierte Strahlungs bündel 32 trifft ebenfalls von vorne auf das Material 14. Auf grund der einfallenden UV-Strahlung flouresziert das Material 14 gleichmäßig über der Fläche. Die Fluoreszenz liegt im sicht baren Bereich, so daß der Festkörper-Bildsensor 22 für diese Strahlung empfindlich ist (Festkörper-Bildsensoren, die für Infrarotstrahlung empfindlich sind, sind zu teuer). Dort, wo Infrarotstrahlung des Laserstrahls 10 auf das Material 14 trifft, ändert sich die Emission. In Abhängigkeit von der In tensität des Laserstrahls wird die Emission reduziert, so daß die Emissionsänderung einer Stelle ein Maß ist für die Intensi tät des Laserstrahls an diesem Ort.

Claims

Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines CO₂-Laserstrahls mit einem Festkörper-Bildsensor (22), dadurch gekennzeichnet, daß
- - im Laserstrahl (10) oder einem repräsentativen Teil desselben ein Körper (12) angeordnet ist, der mit einem Material (14) versehen ist, das bei Infrarotbestrahlung seine Emissions- oder Reflexionseigenschaften im sichtbaren Bereich ändert,
- - der Festkörper-Bildsensor (22) derart angeordnet ist, daß er die durch die CO₂-Laserstrahlung bewirkte Änderung der Emission oder Reflexion des Materials im sichtbaren Bereich mißt und daß
- - ein Thermostat (16) vorgesehen ist, der den mit dem Material versehenen Körper (12) auf einer konstanten Temperatur hält.