DE4006618C2

DE4006618C2 - Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem Laserstrahl

Info

Publication number: DE4006618C2
Application number: DE4006618A
Authority: DE
Inventors: Keming Dipl Phys Du; Peter Dr Rer Nat Loosen; Joachim Dipl Ing Franek
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 1990-03-02
Filing date: 1990-03-02
Publication date: 1993-10-14
Anticipated expiration: 2010-03-03
Also published as: DE4006618A1

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Stand der Technik

Bei der Materialbearbeitung mit Laserstrahlen spielen Strahlparameter wie z. B. die Laserleistung und die Modenverteilung eine entscheidende Rolle. Um optimierte Bearbeitungsergebnisse zu erzielen, ist es deshalb erforderlich, daß die Strahlparameter während der Bearbeitung überwacht und entsprechend geregelt werden. Hierzu wird von dem Bearbeitungsstrahl ein Teil als Meßstrahlung ausgekoppelt und zu Detektoren geleitet, die mit einer elektronischen Auswerteeinheit verbunden sind.

So ist es bekannt (siehe Fig. 1), von dem von einem Laser 1 ausgehenden Laserstrahl 10 einen Meßstrahl 3 mittels teiltransmittierender Optik 4 abzuspalten und den abgespaltenen Meßstrahl einer Strahldiagnostik 5 zuzuleiten, während der reflektierte Anteil 6 über eine Linse 2 auf das Werkstück 7 gerichtet wird. Für CO₂-Laser bestehen die teiltransmittierenden Optiken ausschließlich aus teuren Halbleiterkristallen, und ihre Lebensdauer wird durch unvermeidliche Verunreinigung und Verschmutzung stark begrenzt. Bei Hochleistungslasern, deren mittlere Leistung bei mehreren Kilowatt oder darüber liegt, werden teiltransmittierende Optiken aber unpraktikabel aufgrund der Erwärmung und letztendlich des Versagens als eine Folge der begrenzten Belastbarkeit der reflektierenden Schicht.

Weiterhin ist die Verwendung von Metallspiegeln zur Erzeugung einer Meßstrahlung in zwei Ausführungsarten bereits bekannt. Zum einen werden Metallspiegel verwendet, die mit in Matrixform angeordneten Löchern versehen sind und bei denen die Laserleistung analysiert wird, die durch die Löcher hindurchtritt (DE 36 23 409 A1). Um bei dieser Anordnung den Bearbeitungsstrahl möglichst wenig zu beeinflussen und eine Meßstrahlung zu erzeugen, die den Bearbeitungsstrahl möglichst originalgetreu repräsentiert, ist es erforderlich, daß die Anzahl der Löcher pro Flächeneinheit möglichst groß ist und der Durchmesser dieser Löcher möglichst klein ist. Mit abnehmendem Durchmesser der Löcher treten aber zunehmend Beugungserscheinungen auf, die eine originalgetreue Wiedergabe des Bearbeitungsstrahls negativ beeinflussen.

Zum anderen finden sich Vorrichtungen, bei denen die Restrauhigkeit der Spiegeloberfläche ausgenutzt wird; dabei wird die an den Restrauhigkeiten gestreute Laserleistung als Meßstrahlung benutzt, die dann von Detektoren erfaßt wird, die unter einem bestimmten Winkel zur Spiegeloberfläche angeordnet sind. Bei einer solchen Meßvorrichtung wird das Meßergebnis wesentlich vom Auftreffort der Laserstrahlung auf die Spiegeloberfläche bestimmt, da die Restrauhigkeit eine vom Ort der Spiegeloberfläche in undefinierter Weise abhängige Eigenschaft ist, die zudem von Spiegel zu Spiegel variiert.

In der DE 32 46 832 A1 ist ein Strahlteiler geoffenbart, der eine Meßstrahlung aus einem Lichtstrahl abteilt und auf eine Detektorvorrichtung lenkt. Der Strahlteiler ist als planparallele Platte ausgebildet, in der sägezahnförmige Einkerbungen mit einem geeigneten Winkel eingebracht sind, an denen ein Teil des einfallenden Lichtstrahls reflektiert wird und unter wiederholter Reflexion durch die planparallele Platte zu deren Endfläche läuft, wo ein Fotodetektor angeordnet ist.

In der DE 33 41 589 A1 ist ein optisches Abtastersystem geoffenbart, bei dem zum Fokussieren und Parallelmachen der aus einem Halbleiterlaser stammenden Lichtstrahlen eine Mikro-Fresnel-Linse mit konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien im Strahlengang angeordnet ist.

Die Druckschrift DE 33 38 967 C2 offenbart einen Strahlenteiler mit schräg zueinander orientierten Reflexionsflächen, mit dem Primärstrahlen mit inhomogener Intensitätsverteilung durch geeignete Anordnung der Reflexionsflächensegmente in Teilstrahlen aufteilbar sind, die annähernd reproduzierbare Intensitätsverhältnisse haben. Hierfür sind Prismen vorgesehen, die nach einem Baukastenprinzip in geeigneter Weise zusammengesetzt werden und auf ihrer Oberfläche eine Reflexionsschicht aufweisen.

Im gattungsbildenden Stand der Technik DE 32 12 809 C2 ist zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem Laserstrahl ein Transmissions-Relief-Beugungsgitter im Strahlengang des Lasers angeordnet, mit dem ein geringer Teil der einfallenden Laserstrahlung durch Beugung ausgekoppelt und Detektoren zugeführt wird, während der größte Teil als Nutzstrahl das Gitter in 0-ter Ordnung, also praktisch ungebeugt, passiert.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, aus einem Laserstrahl einen Bruchteil des Laserstrahls als Meßstrahlung abzuspalten, welche den Laserstrahl möglichst repräsentativ wiedergibt.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale. Vorteilhafte Weiterbildungen sind mit den Merkmalen der Unteransprüche 2 bis 4 gekennzeichnet.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung aus einem Laserstrahl, ein den Laserstrahl möglichst repräsentativ wiedergebender und diesen möglichst wenig störender Anteil als Meßstrahlung abgespalten und analysiert werden kann, insbesondere zur On-line-Erfassung von Strahlparametern, zum Beispiel bei der Materialbearbeitung mittels Hochleistungslasern. Ein weiterer Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß durch die Verwendung eines Metallspiegels zur Auskoppelung der Meßstrahlung die bei teiltransmittierenden Strahlteilern auftretenden thermischen Probleme bei hohen Leistungen des Lasers vermieden oder zumindest erheblich vermindert werden. Dadurch wird die Lebensdauer der erfindungsgemäßen Spiegel im Vergleich zu den teiltransmittierenden Optiken wesentlich höher, und die Kosten, insbesondere im Vergleich zu teiltransmittierenden Optiken aus Halbleiterkristallen, können deutlich reduziert werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Es zeigt

Fig. 1 eine Laserstrahlmeßvorrichtung nach dem Stand der Technik mit einer teiltransmittierenden Optik zur Auskoppelung der Meßstrahlung,

Fig. 2 Reflexionsgitter mit geraden, äquidistanten Furchen in Schnittdarstellung,

Fig. 3 schematische Darstellung der Wirkungsweise des Reflexionsgitters aus Fig. 2,

Fig. 4 Reflexionsgitter nach Art einer Fresnel'schen Zonenplatte in Aufsicht (oben) und in Schnittdarstellung (unten) und die Wirkung auf einen senkrecht einfallenden Laserstrahl (unten),

Fig. 5 schematische Darstellung der Wirkungsweise des Reflexionsgitters aus Fig. 4,

Fig. 6 Reflexionsgitter nach Fig. 4 mit gleichbleibender Furchenbreite, wobei nur in solche Fresnel-Zonen Furchen eingebracht sind, die näherungsweise gleichen Abstand voneinander haben (in Aufsicht [oben] und in Schnittdarstellung [unten]).

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Nachfolgend soll zunächst anhand der Fig. 2 und 3 eine bekannte Ausführungsform eines Reflexionsgitters 8 beschrieben werden. Die Oberfläche des Reflexionsgitters 8 ist von geraden und äquidistanten Furchen 9 durchzogen, die die Breite b und den Abstand a voneinander haben und gegen die Ebene der Oberfläche um den Winkel α geneigt sind.

Um nun aus einem Laserstrahl 10 eine Meßstrahlung abzuspalten, läßt man diesen Strahl 10 unter einem Winkel β (0°<β<90°) zum Einfallslot 11 auf das Reflexionsgitter 8 auftreffen. Von diesem wird ein großer Teil 12 des Laserstrahls 10 geometrisch-optisch von den ebenen Bereichen reflektiert, während der auf die Furchen 9 auftreffende Teil des Laserstrahls 10 gebeugt wird und unter dem Winkel

die n-te Beugungsordnung 13 und somit der n-te Meßstrahl 13 entsteht (Kohlrausch, "Praktische Physik", 23. A., Bd. 1, S. 607).

Von diesen Meßstrahlen sind in der Praxis nur wenige zur Messung geeignet.

Bei diesem Spiegel ist das sogenannte Teilungsverhältnis (aus dem Hauptstrahl ausgebeugte Leistung/einfallenden Laserleistung) näherungsweise gegeben durch:

Wie weiterhin in Fig. 2 angedeutet, ist der Winkel α, mit dem die Furchen 9 in das Spiegelmaterial eingebracht sind, so gewählt, daß die Richtung für geometrisch-optische Reflexion an einer Furchenfläche mit der Richtung für die erste Beugungsordnung übereinstimmt (Blaze-Winkel), so daß Einfallswinkel δ_E und Ausfallswinkel δ_A, jeweils bezogen auf die Furchennormale 14, den gleichen Wert haben (δ_E=δ_A). Ist λ die Wellenlänge der einfallenden Strahlung und β der Winkel zwischen dem Einfallsstrahl und dem Lot, so ergibt sich dieser Winkel α zu

Damit wird erreicht, daß ein möglichst hoher Anteil der auf die Furchen auftreffenden Laserleistung in die erste Beugungsordnung eingebracht wird. Dieser Meßstrahl verläßt unter dem Winkel

γ = 2_*α + β (4)

die Oberfläche des Reflexionsgitters 8.

Fig. 3 zeigt schematisch die Wirkungsweise eines solchen Reflexionsgitters 8. Der vom Laser kommende Laserstrahl 10 fällt unter einem spitzen Winkel auf das Reflexionsgitter auf und wird zum größten Teil 12 geometrisch-optisch reflektiert. Lediglich der auf die Furchen auftreffende Anteil des Laserstrahls 10 wird ausgebeugt (reflexionsgebeugt abgespaltener Anteil 15 in Fig. 3 für mehrere Beugungsordnungen dargestellt), und zwar unter oben genannten Bedingungen zum größten Teil in die erste Beugungsordnung. Um schon nach kurzen Wegen der abgebeugten Strahlung von Detektoren erfaßbare Interferenzmaxima zu erhalten, insbesondere für das Maximum der ersten Beugungsordnung, können diese Maxima in die Brennebene eines geeigneten sammelnden Elements, z. B. einer Linse, abgebildet werden. Unter Umständen liegen die Maxima dann so dicht, daß von einem Detektor mehrere Maxima gleichzeitig erfaßt werden. In diesem Fall liefern sehr schmale Furchen noch ein ausreichendes Meßsignal. Sollen neben der oder den ersten Beugungsordnung(en) auch die höheren Beugungsordnungen zur Messung eines Laserstrahlparameters herangezogen und einem Detektor zugeleitet werden, so müssen weitere geeignete sammelnde Elemente dem Detektor vorgeschaltet werden.

In den nachfolgenden Ausführungsbeispielen werden die erfindungsgemäßen Reflexionsgitter 8 beschrieben, die den Vorteil haben, daß die auslaufende Meßstrahlung fokussiert wird und somit ohne zusätzliche sammelnde Elemente direkt von einem Detektor erfaßt werden kann.

Die Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Reflexionsgitter 8, wie sie im folgenden beschrieben werden (Fig. 4 bis 6), lehnen sich grundsätzlich an die Fresnel'sche Zonenplatte an. Zu deren Beschreibung werden üblicherweise sogenannte Fresnel'sche Kreise mit den Radien:

r_j = (j_*λ_*f)_1/2 für j = 1, 2, 3, . . . (5)

eingeführt und die von den Kreisen mit den Radien r_j und r_j+1 gebildeten Kreisringe als Fresnel'sche Zonen bezeichnet. Je größer der Radius ist, desto enger liegen diese Fresnelzonen beieinander. Wird nun in jede zweite, vierte, sechste, . . . (allgemein 2n-te) Fresnelzone eine Furche 9 eingebracht und fällt der Laserstrahl 10 lotrecht ein, so kommt es auf der Mittelsenkrechten 16 im Abstand f von der Spiegeloberfläche zur konstruktiven Interferenz mit der Phasenverschiebung von λ der von den Furchen 9 reflexionsgebeugt ausgehenden Teilwellen, und der von den Furchen 9 erfaßte Teil des Laserstrahls wird zumindest teilweise in diesem Punkt F fokussiert. Selbstverständlich existieren auf der Mittelsenkrechten noch weitere Fokuspunkte, sofern die von den Furchen 9 ausgehenden Teilwellen in weiteren Punkten, nämlich in diesen möglichen Fokuspunkten, mit einer Phasenverschiebung von

n_*λ (n = 2, 3, . . .)

miteinander interferieren können. Um ein ausreichendes Meßsignal zu erhalten, muß nicht jede 2n-te Zone der in Gleichung (5) beschriebenen Fresnelzonen eine Furche 9 eingebracht sein, sondern es werden Zonen mit dem nachfolgenden Index j ausgewählt und in diese die Furchen 9 eingebracht:

j = 2_*n_*i

für n = 1, 2, 3, . . .

und i = 1, 2, 3, . . . (6)

So können beispielsweise nur in jede 8. oder 12. Zone Furchen 9 eingebracht sein.

Ein solches Reflexionsgitter 8 ist in Fig. 4 in Aufsicht (oben) und in Schnittdarstellung (unten) dargestellt. Bei einer solchen Ausführungsform sind an die Breite der Furchen 9 zwei Bedingungen zu stellen:

1. Zur Aufrechterhaltung der Bedingung der konstruktiven Interferenz dürfen die Furchen 9 nicht so breit sein, daß sie sich von der Fresnelzone j in die nächste Fresnelzone j+1 erstrecken.
2. Wie Gleichung (5) zeigt, liegen die Fresnelzonen nach außen immer dichter, so daß auch die Dichte der Furchen 9 nach außen hin zunimmt. Damit die ausgebeugte Meßstrahlung 13 aber eine repräsentative Wiedergabe des einfallenden Laserstrahls 10 darstellen soll, muß aus den äußeren Bereichen des Spiegels ebensoviel Laserleistung aufgesammelt werden wie aus den inneren Spiegelbereichen. Daher muß die Furchenbreite nach außen hin so reduziert werden, daß die Flächen aller Furchen gleich sind. Dies ist der Fall, wenn in jeder Fresnelzone das Verhältnis von Furchenbreite zu Zonenbreite konstant ist.

Ebenso wie bei dem bekannten Reflexionsgitter 8 mit den geraden äquidistanten Furchen (Fig. 2 und 3), werden die Furchenwinkel α_i auch bei dem Fresnel'schen Reflexionsgitter 8 so gewählt, daß die Richtung für geometrisch-optische Reflexion an jeder Furche 9 mit der Richtung der in den Fokuspunkt gebeugten Leistung übereinstimmt (Blaze-Winkel). Im Gegensatz zu Fig. 2 ist bei dem Fresnel'schen Reflexionsgitter 8 jedoch notwendig, daß der Anstellwinkel α_i der Furchen 9 mit zunehmendem Radius r derart zunimmt, daß die an den Furchen 9 gebeugte Laserleistung im Fokuspunkt gesammelt wird.

In Fig. 5 ist schematisch dargestellt, wie in einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung das Reflexionsgitter 8 nach Art der Fresnel'schen Zonenplatte eingesetzt wird. Damit die Meßstrahlung 13 vom Laserstrahl 10 getrennt werden kann, muß das Fresnel'sche Reflexionsgitter exzentrisch unter einem spitzen Einfallswinkel beaufschlagt werden. Die von den Furchen reflexionsgebeugt abgespaltene Meßstrahlung 13 wird im Abstand f von der Oberfläche des Reflexionsgitter im Fokuspunkt F fokussiert, so daß sie ohne zusätzliche sammelnde Elemente von einem oder mehreren dort positionierten Detektoren 17 erfaßt werden kann und die Meßsignale einer elektronischen Auswerteeinheit 18 zugeleitet werden können.

Darüber hinaus ist es möglich, verschiedene Laserstrahlparameter gleichzeitig zu messen, indem mehrere Detektoren verschiedene Beugungsordnungen erfassen.

In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform des Fresnel'schen Reflexionsgitters dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist im Gegensatz zu der in Fig. 4 dargestellten Ausführungsform nicht in jeder Fresnelzone eine Furche eingebracht, sondern es wurden nur solche Fresnelzonen für Furchen 9 ausgewählt, die näherungsweise gleichen Abstand voneinander haben. Sollen die Furchen 9 näherungsweise den Abstand a voneinander haben, so ergibt sich der Index j der auszuwählenden Fresnelzonen nach der Beziehung:

Damit ist die Dichte der Furchen 9 über dem Radius näherungsweise konstant, und die Furchen 9 können, wie in Fig. 6 dargestellt, konstante Breite besitzen. Diese spezielle Ausführungsform hat gegenüber der Ausführungsform aus Fig. 4 den Vorteil, daß der Laserstrahl über seinen Querschnitt periodisch abgetastet wird und somit auch eine repräsentative Wiedergabe des Laserstrahls erzeugt wird, wenn die Verteilung der Intensität über den Laserstrahlquerschnitt stark variiert. Ebenso wie in Fig. 4 werden auch bei dem in Fig. 6 dargestellten Ausführungsbeispiel die Furchen α_i so gewählt, daß die Richtung für geometrisch-optische Reflexion an jeder Furche mit der Richtung der in den Fokuspunkt gebeugten Leistung übernimmt.

Eine fertigungstechnisch besonders einfache Anfertigung dieser Reflexionsgitter ergibt sich, wenn die Metallspiegel auf luftgelagerten Diamant-Drehmaschinen gefertigt werden; auf diesen Anlagen kann in einem Bearbeitungsvorgang sowohl die Fertigung der Hauptspiegelfläche als auch die Fertigung der Furchen erfolgen.

Der Vollständigkeit halber sei darauf hingewiesen, daß die erfindungsgemäße Vorrichtung und das ihr zugrundeliegende Prinzip bei allen Lasern anwendbar ist, bei denen Metallspiegel zur Reflexion verwendet werden können. Darüber hinaus kann mit der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung anstatt Laserstrahlung auch alle andere elektromagnetische Strahlung untersucht werden, die von Metallspiegeln in ausreichender Weise reflektiert wird und die eine für die Vorrichtung ausreichende Kohärenz sowie eine mit einem Laserstrahl vergleichbare Parallelität besitzt.

Bezugszeichenliste

1 Laser
2 Linse
3 durch Teiltransmission erzeugter Meßstrahl
4 teiltransmittierende Optik
5 Strahldiagnostik
6 reflektierter Anteil des Laserstrahls
7 Werkstück
8 Reflexionsgitter
9 Furchen
10 Laserstrahl
11 Einfallslot zur Oberfläche des Reflexionsgitters
12 reflektierter Anteil des Laserstrahls 10
13 Meßstrahlung einer Beugungsordnung
14 Furchennormale
15 Meßstrahlung aus mehreren Beugungsordnungen
16 Mittelsenkrechte
17 Detektorvorrichtung
18 elektronische Auswerteeinheit

Claims

1. Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem Laserstrahl

- mit einem ebenen Relief-Beugungsgitter im Laserstrahl (10), das die Meßstrahlung durch Beugung aus dem Laserstrahl (10) auskoppelt und einer Detektorvorrichtung (17) zuführt,
- welche die Meßstrahlung (13) registriert und einer elektronischen Auswerteeinrichtung (18) zuführt,
dadurch gekennzeichnet,
- daß das Relief-Beugungsgitter als metallisches Reflexionsgitter (8) ausgebildet ist, daß die Beugungsstruktur des Reflexionsgitter (8) aus konzentrischen, kreisringförmigen und voneinander beabstandeten Furchen (9) mit sägezahnförmigem Querschnitt besteht, welche die Meßstrahlung (13) auf die Detektorvorrichtung (17) fokussieren,
- daß die Bereiche zwischen den Furchen (9) in einer Ebene liegen und den einfallenden Laserstrahl (10) geometrisch-optisch reflektieren
- und daß der Laserstrahl (10) exzentrisch unter einem spitzen Einfallswinkel auf das Reflexionsgitter (8) einfällt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reflexionsgitter (8) als Fresnel'sche Zonenplatte ausgebildet ist und die Furchen (9) nur in diejenigen Zonen eingebracht sind, welche eine konstruktive Interferenz der Meßstrahlung (13) in wenigstens einem Fokuspunkt gewährleisten.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mit zunehmendem Abstand vom Mittelpunkt die Furchenbreite derart abnimmt, daß der Quotient aus Furchenbreite und Zonenbreite von Zone zu Zone und damit die Flächendichte der Furchen konstant bleibt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei konstanter Furchenbreite die Furchen (9) nur in äquidistante Fresnelzonen eingebracht sind und die Furchenbreite die Zonenbreite der äußersten, zur Messung benutzten Zone nicht übersteigt.