DE4006618C2 - Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem Laserstrahl - Google Patents
Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus einem LaserstrahlInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Auskoppelung einer Meßstrahlung aus
einem Laserstrahl gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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.
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.
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]).
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 δE und
Ausfallswinkel δA, jeweils bezogen auf die Furchennormale 14, den gleichen Wert
haben (δE=δA). 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:
rj = (j * λ * f)1/2 für j = 1, 2, 3, . . . (5)
eingeführt und die von den Kreisen mit den Radien rj und rj+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 αi 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 αi
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 αi 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
2 Linse
3 durch Teiltransmission erzeugter Meßstrahl
4 teiltransmittierende Optik
5 Strahldiagnostik
6 reflektierter Anteil des Laserstrahls
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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 (4)
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.
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Publications (2)
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DE4006618A1 DE4006618A1 (de) | 1991-09-05 |
DE4006618C2 true DE4006618C2 (de) | 1993-10-14 |
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DE (1) | DE4006618C2 (de) |
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