DE3935528A1

DE3935528A1 - METHOD AND DEVICE FOR CONTROLLING PULSED LASER SYSTEMS IN MATERIAL PROCESSING

Info

Publication number: DE3935528A1
Application number: DE19893935528
Authority: DE
Inventors: Gerhard J Prof Dr Ing Mueller; Ludger H Prof Dr Woeste
Original assignee: BERLIN LASER MEDIZIN ZENTRUM
Current assignee: CLYXON LASER GMBH, 12489 BERLIN, DE
Priority date: 1989-10-25
Filing date: 1989-10-25
Publication date: 1991-05-02
Anticipated expiration: 2009-10-26
Also published as: DE3935528C2; WO1991006395A1

Abstract

The invention concerns a process and device for controlling a pulsed laser used for cutting metal. The mechanical shock wave which occurs during cutting, or the acoustic wave produced, is picked up by a pressure sensor, and the output from the pressure sensor is used as the input signal for a control circuit which controls the laser radiation.

Description

1 Task

Bei der Anwendung gepulster Lasersysteme in der Materialbearbeitung, vorzugsweise im Be reich nichtmetallischer insbesondere organischer Werkstoffe, lösen die im Material auftreffenden Lichtimpulse eines hochenergetisch gepulsten Lasers aufgrund verschiedener Wirkmechanis men eine mechanische Stoßwelle bzw. eine aku stische Schallfront aus. Amplitude und Frequenz spektrum dieser mechanischen Stoßwellen- bzw. dieser akustischen Wellenfronten hängen dabei sowohl von der Pulsform und der Pulsenergie des Lasers auf der einen Seite als auch von der Struk tur des beaufschlagten Materials auf der anderen Seite ab.When using pulsed laser systems in material processing, preferably in loading rich non-metallic especially organic Materials, solve those that hit the material Light pulses of a high-energy pulsed Lasers due to different mechanisms of action a mechanical shock wave or an ac acoustic front. Amplitude and frequency spectrum of this mechanical shock wave or these acoustic wave fronts hang there from both the pulse shape and the pulse energy of the Lasers on one side as well as from the structure the loaded material on the other Page down.

Es soll nun ein Verfahren entwickelt werden, das bei vorgegebenen Laserparametern materialspezifische Signale erfaßt, die ihrerseits bei heterogenen Materialien zur Nachregelung der Laserimpulse benutzt werden können. Ein solches Meßverfahren ist von allgemeiner Bedeu tung, insbesondere erweist es sich jedoch als wichtig für diejenigen Anwendungen, bei denen die Laserenergie über Lichtleitfasern transpor tiert wird, und das Faserende in mehr oder weni ger innigem Kontakt mit dem zu bearbeitenden Material steht, da nur auf diese Weise eine un kontrollierte Zerstörung aufgrund zu hoher mechanischer Stoßwellen des Faserendes ver mieden werden kann.A process is now to be developed with the given laser parameters material-specific signals recorded, which in turn for heterogeneous materials for readjustment the laser pulses can be used. A such a measuring method is of general importance tion, in particular it proves to be important for those applications where transport the laser energy via optical fibers is tiert, and the fiber end in more or less intimate contact with the person to be processed Material stands, because only in this way an un controlled destruction due to excessive damage mechanical shock waves of the fiber end ver can be avoided.

State of the art

Nach dem Stand der Technik ist es bekannt, daß mit kurz gepulsten Lasersystemen Material abge tragen werden kann. Auch sind Verfahren aus der Literatur bekannt, bei denen das durch den Abtragungsprozeß entstehende Plasma bzw. Fluoreszenzleuchten zur Analyse des zu bear beitenden Materials genutzt wird und das analy tische Ergebnis auch sekundär zur Steuerung des Lasers verwendet werden kann. Derartige opti sche Regelungsverfahren lassen jedoch keinerlei Rückschlüsse auf die beim Prozeß entstehenden mechanischen Kräfte zu.In the prior art it is known that material abge with short pulsed laser systems can be worn. Procedures are also out known in the literature, in which the Ablation process resulting plasma or Fluorescent lights to analyze the bear processing material is used and the analy result also secondary to controlling the Lasers can be used. Such opti However, there are no regulatory procedures Conclusions about the process mechanical forces too.

Solution according to the invention

Überraschenderweise hat sich gezeigt, daß bei Übertragung von hochenergetischer Laserstrah lung durch Lichtleitfasern die am Material ent stehende Stoßwelle auf das Übertragungssystem rückwirkt, wobei der Kupplungsgrad der Rück wirkung vom Koppelmedium zwischen Faserende und Materialoberfläche abhängt. Besonders in tensiv ist die Kopplung bei direktem Aufsetzen des Lichtleiters auf das zu bearbeitende Material. Bei einer Ankopplung über geeignete Flüssigkei ten, deren Elastizitätsmodul in dem Zeitbereich kurzer Laserimpulse extrem hoch ist, ist die Kopplung ebenfalls besonders gut. Die derart auf das Übertragungssystem der Laserstrahlung rückgekoppelte mechanische Stoßwelle pflanzt sich nun über das Übertragungssystem zur Sen derseite hin fort, wobei in Abhängigkeit vom Ma terial der Übertragungsstrecke gewisse Dämpfungskonstanten zu berücksichtigen sind. Es hat sich jedoch überraschenderweise gezeigt, daß mit den heute technisch verfügbaren Druck aufnehmern, seien sie nun piezoelektrischer Na tur, elektrostriktiver Natur, magnetostriktiver Na tur, auf Halbleiterbasis oder optischer Natur (z. B. nach dem Prinzip der Golay-Zelle), diese rück gekoppelten mechanischen Stoßwellen am ein koppelseitigen Ende der Übertragungsstrecke de tektiert werden können. Erfindungsgemäß wird daher an der Einkoppelseite eines derartigen Lichtleitfaserübertragungssystems ein Miniatur druckaufnehmer derart akustisch steif an die Übertragungsstrecke angekoppelt, daß die bei Bearbeitungsprozeß entstehenden Stoßwellen als elektrisches Signal gewonnen werden können. Mit einem derartigen System ist es nun in ein facher Weise möglich, Meßwerttafeln zu erstel len, die eine Aussage über die beim Prozeß auf tretenden mechanischen Kräfte erlauben und damit im Vergleich zu den jeweils aktuellen Mes sungen dann auch zur Sollwertregelung des La sers benutzt werden können. Insbesondere hat sich gezeigt, daß bei kurz gepulsten Lasersyste men, bei denen mindestens die Initialphase der Abtragungsmechanismen auf stark materialab hängigen, ionisierenden Prozessen beruhen, Schwellwerte für den Einsatz des Prozesses be stehen, die auf diese Weise einfach erfaßt werden können und damit das Lasersystem sehr schnell in den gewünschten Arbeitsbereich geregelt wer den kann. Ebenso können auf diese Weise sehr einfach obere Grenzwerte festgelegt werden, um damit ein Zerstören des Faserendes zu verhin dern.Surprisingly, it has been shown that at Transmission of high-energy laser beams through fiber optic ent on the material standing shock wave on the transmission system reacts, the degree of coupling the back effect of the coupling medium between the fiber ends and material surface depends. Especially in The coupling is intensive when placed directly of the light guide on the material to be processed. With a coupling via suitable liquids ten whose modulus of elasticity in the time domain short laser pulses is extremely high Coupling also particularly good. The so on the transmission system of laser radiation feedback mechanical shock wave plants now about the transmission system to Sen the side away, depending on the Ma certain of the transmission path Damping constants must be taken into account. However, it has surprisingly been shown that with today's technically available pressure recorders, are now piezoelectric Na structure, electrostrictive nature, magnetostrictive nature structure, semiconductor-based or optical (e.g. according to the principle of the Golay cell), this back coupled mechanical shock waves on a coupling end of the transmission path de can be tektiert. According to the invention therefore on the coupling-in side of such Optical fiber transmission system a miniature pressure transducers so acoustically stiff to the Coupled transmission line that at Machining process resulting shock waves as electrical signal can be obtained. With such a system it is now in one possible way to create measurement tables len, which is a statement on the process allow occurring mechanical forces and in comparison to the current measurement solutions for the setpoint control of the La can be used. In particular it has been shown that with short pulsed laser systems in which at least the initial phase of the Removal mechanisms on strongly material dependent, ionizing processes, Threshold values for the use of the process stand that are easily grasped in this way can and therefore the laser system very quickly who is regulated in the desired work area that can. Likewise, this can be very simply to set upper limits to prevent the fiber end from being destroyed other.

In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Übertragungsstrecke einkoppelseitig in Form eines Steckers ausgelegt, der zum einen aufgrund seiner mechanischen Raumform eine präzise op tische Justage im Strahl des Wirklasers ermög licht, und zum anderen die Integration eines Druckaufnehmers erlaubt. Hierbei hat sich über raschenderweise gezeigt, daß bereits der Tonab nehmer eines Plattenspielers ausreichende Empfindlichkeit besitzt und somit zu einer ex trem kostengünstigen Lösung führt. Bei notwen diger höherer Empfindlichkeit können erfin dungsgemäß auch andere Druckaufnehmer inte griert werden. Das elektrische Ausgangssignal wird durch einen je nach Bearbeitungsprozeß einstellbaren elektrischen Bandpaßfilter auf den Eingang eines Diskriminatorverstärkers gegeben, der seinerseits ein Ausgangssignal zur Regelung des Lasers liefert. In einem bevorzugten Ausfüh rungsbeispiel ist der gepulste Laser ein sogenann ter Excimer-Laser mit Pulslängen im Bereich zwischen 5 und 400 nsec typischerweise bei ca. 100 nsec. Die Lichtenergie wird über einen Quarzlichtleiter zur Beseitigung von Engstellen und Verschlüssen in röhrenförmigen Hohlsyste men, beispielsweise bei verkalkten Arterien, be nutzt.In a preferred embodiment, the Transmission path on the coupling side in the form a connector designed, on the one hand, due to a precise op table adjustment in the beam of the active laser light, and secondly the integration of one Pressure transducer allowed. This has over surprisingly shown that the tonab sufficient record player Has sensitivity and thus to an ex extremely inexpensive solution. If necessary higher sensitivity can be invented according to other pressure transducers inte be griert. The electrical output signal depending on the machining process adjustable electrical bandpass filter on the Input of a discriminator amplifier given which in turn is an output signal for regulation of the laser. In a preferred embodiment The pulsed laser is a so-called example ter excimer laser with pulse lengths in the range between 5 and 400 nsec typically around 100 nsec. The light energy is over one Quartz light guide to remove bottlenecks and closures in tubular hollow systems men, for example with calcified arteries, be uses.

Wie eingangs geschildert, hatte sich überraschen derweise gezeigt, daß beim Prozeß der Abtragung vom Material mechanische Stoßwellen entstehen, die typischerweise bei weichem Material, wie es beispielsweise normales Gewebe darstellt, gerin gere Amplituden haben als bei hartem Material, wie sie z. B. im genannten Fall an Verkalkungs arealen auftreten. Um eine Zerstörung des Faserendes zu vermeiden, ist es dabei von Vor teil, daß bei härteren Materialien mit geringer Wiederholrate, aber hohen Laserenergien gear beitet wird und bei weichen Materialien mit ho hen Wiederholraten jedoch geringeren Laser energien. Ein derartiges Umschalten zwischen zwei oder mehreren Betriebszuständen des Lasers, beispielsweise 10 Hz Wiederholrate bei 40 mJ Laserenergie am harten Material und 40 Hz Wiederholrate bei 20 mJ Laserenergie bei weichem Material kann in Abhängigkeit von der detektierten Stoßwellenamplitude in einfacher Weise durch eine Diskriminatorschaltung erfol gen.As described at the beginning, it was surprising shown that in the process of removal mechanical shock waves arise from the material, which is typically with soft material like it represents normal tissue, for example have lower amplitudes than with hard material, as they e.g. B. in the case of calcification areas occur. To destroy the Avoiding fiber ends is a thing of the past part that with harder materials with less Repetition rate, but high laser energy gear is processed and with soft materials with ho hen repetition rates, however, lower lasers energies. Such switching between two or more operating states of the Lasers, for example 10 Hz repetition rate at 40 mJ laser energy on hard material and 40 Hz Repetition rate at 20 mJ laser energy at soft material depending on the detected shock wave amplitude in simple Way through a discriminator circuit gene.

Grundsätzlich kann das Verfahren jedoch auch bei Übertragung der Laserenergie über Luft strecken derart verwendet werden, daß in diesem Fall die entstehende Stoßwelle am Material direkt abgegriffen wird, sei es durch Anbringen des Druckaufnehmers in unmittelbarer Nähe des Bearbeitungsortes oder sei es durch Anbringen eines akustisch steifen Übertragungsfingers am zu bearbeitenden Material, an dessen mate rialabgewandtem Ende sodann der Druckauf nehmer angebracht wird. Selbst eine Luft-, Gas- oder flüssigkeitsgebundene rein akustische Kopplung mittels eines Mikrophons ist möglich. In dem eingangs genannten Beispiel der Abtra gung von biologischem Gewebe kann der aku stisch steife Abtastfinger aus einem dünnen Me talldraht oder ebenfalls aus einer Glasfaser be stehen, die in die Nähe des Abtragungsortes in das Gewebe eingestochen wird.In principle, however, the method can also when transmitting laser energy via air stretch used in such a way that Fall the resulting shock wave on the material is tapped directly, either by attaching it of the pressure transducer in the immediate vicinity of the Processing location or by attaching it of an acoustically stiff transmission finger on material to be processed, on the mate then the pressure on the opposite end is attached. Even an air, gas or liquid-bound purely acoustic Coupling using a microphone is possible. In the Abtra The biological acu very stiff scanning fingers from a thin Me tall wire or also from a glass fiber stand in the vicinity of the place of removal in the tissue is pierced.

Zur näheren Erläuterung des Verfahrens und der Vorrichtung dienen die Abb. 1-4, die nachfolgend beschrieben sind. Fig. 1-4, which are described below, serve to explain the method and the device in more detail.

Dabei zeigtIt shows

Abb. 1-3 Prinzipskizzen einer Vorrichtung zur An wendung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die die drei möglichen Varianten zur Anwendung des Verfahrens darstellen. Fig. 1-3 sketches of a device for using the method according to the invention, which represent the three possible variants for using the method.

Abb. 1 zeigt dabei die Vorrichtung zur Sensierung der laserinduzierten Stoßwelle über den Applikator der Laserstrah lung selbst, Fig. 1 shows the device for sensing the laser-induced shock wave via the applicator of the laser radiation itself,

Abb. 2 die Sensierung der Stoßwelle durch ein separat angebrachtes Mikrofon in der Umgebung des Probenvolumens und Fig. 2 the sensing of the shock wave by a separately attached microphone in the vicinity of the sample volume and

Abb. 3 die Sensierung über einen getrennten in die Probe eingeführten Sensor. Fig. 3 the sensing via a separate sensor inserted into the sample.

Abb. 4 zeigt typische Signale, wie sie durch die Sensoren in Abb. 1, 2 und 3 aufgenommen werden. Im einzelnen be deuten dabei die Positionsziffern folgendes: Fig. 4 shows typical signals as they are recorded by the sensors in Fig. 1, 2 and 3. In detail, the item numbers mean the following:

(1) Lasergerät, (2) Sensor zur Abnahme des Stoßwellensignals an der Lichtleitfaser (6), die die Laserenergie von Laser (1) zum Material (4) überträgt. Das pri märe Signal des Sensors (2) wird dabei durch eine Signalleitung (9) auf den Diskriminatorver stärker und die Auswerteeinheit (7) übertragen, die ihrerseits ein Steuersignal an den Laser (1) über die Rückkoppelleitung (8) weitergibt. Dabei befindet sich die Materialprobe (4) in einr Ma terialumgebung (3), die entweder luftförmig bzw. aus einem Schutzgas oder einer Flüssigkeit be stehen kann. Die bei Bestrahlung der Probe mit kurzen Laserimpulsen auftretende Stoßwelle (5) ist gestrichelt angedeutet. Gegenüber Abb. 1 un terscheidet sich Abb. 2 dadurch, daß die von der Materialprobe (4) ausgehende Stoßwelle durch einen getrennten Sensor (22) detektiert wird, der sein Signal ebenfalls wieder über eine Signallei tung (9) an einen Diskriminatorverstärker und Auswerteeinheit (7) weitergibt. Die Abb. 3 unter scheidet sich gegenüber Abb. 1 dadurch, daß zu sätzlich zur Lichtleitfaser (6), die die Stoßwelle mittels übertragener kurzer Laserimpulse im Ma terial (4) auslöst, ein Stoßwellensensor (23) vor gesehen ist, der sein Signal über eine akustisch steife Übertragungsstrecke (21) aus der Probe ableitet. Das Ausgangssignal des Sensors (23) wird sodann wieder über die Signalleitung (9) an den Diskriminatorverstärker und die Auswerte einheit übertragen. Abb. 4 zeigt für die Extrem fälle sehr harten und sehr weichen Materials typische Amplituden-Zeit-Schriebe, wie sie bei der Auslösung mehrerer Laserimpulse entstehen.( 1 ) laser device, ( 2 ) sensor for receiving the shock wave signal on the optical fiber ( 6 ), which transmits the laser energy from the laser ( 1 ) to the material ( 4 ). The primary signal of the sensor ( 2 ) is transmitted through a signal line ( 9 ) to the discriminator and the evaluation unit ( 7 ), which in turn transmits a control signal to the laser ( 1 ) via the feedback line ( 8 ). The material sample ( 4 ) is in a material environment ( 3 ) which can either be air-like or from a protective gas or a liquid. The shock wave ( 5 ) which occurs when the sample is irradiated with short laser pulses is indicated by dashed lines. Compared to Fig. 1 un Fig. 2 differs in that the shock wave emanating from the material sample ( 4 ) is detected by a separate sensor ( 22 ) which also sends its signal again via a signal line ( 9 ) to a discriminator amplifier and evaluation unit ( 7 ) passes on. The Fig. 3 differs from Fig. 1 in that in addition to the optical fiber ( 6 ), which triggers the shock wave by means of transmitted short laser pulses in the material ( 4 ), a shock wave sensor ( 23 ) is seen before, which its signal derives an acoustically rigid transmission path ( 21 ) from the sample. The output signal of the sensor ( 23 ) is then transmitted again via the signal line ( 9 ) to the discriminator amplifier and the evaluation unit. Fig. 4 shows typical amplitude-time records for the extreme cases of very hard and very soft materials, as they occur when several laser pulses are triggered.

Claims

1. The method and device for controlling pulsed laser systems in the material processing, characterized in that the mechanical shock wave occurring during the machining process or the acoustic impulse occurring by pressure transducers is detected and the output signal of the pressure transducer is used to regulate the laser itself.

2. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor on the piezoelek tric principle.

3. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor on the electrostrik tive principle.

4. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor on the magneto strict principle.

5. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor on the capacitive Principle is based.

6. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure transducer is a semiconductor device element is.

7. The method and device according to claim 1, characterized in that the pressure sensor is optical.

8. The method according to claim 1-7, characterized in that the pressure transducer on the coupling side the transmission route preferably an optically stiff optical fiber is connected.

9. The method and apparatus according to claims 1-7, characterized in that the pressure transducer via an acoustic rigid connection with the edit the material is directly connected.

10. The method and device according to claim 1, characterized in that an air, gas or liquid bound acoustic connection by means of a Microphones for the material is created.

11. The method and device according to claims 1-10, characterized in that the pressure sensor is a shock wave pro proportional electrical output signal provides that by electrical bandpass fil Interference signals caused by the normal handling can arise is exempted and through a discriminator amplifier to control the laser be is used.