DE4006622C2 - Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung bearbeiteten Werkstücken - Google Patents

Description

Das Patent betrifft eine Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung, insbesondere CO₂-Laserstrahlung, bearbeiteten Werkstücken mit einer den Laserstrahl auf die Bearbeitungsstelle lenkenden, fokussierenden Bearbeitungsoptik, und mit mindestens einem im Strahlengang des Laserstrahls zwischen dem Laser und der Bearbeitungsoptik angeordneten strahlungsreflektierenden Spiegel, von denen zumindest einer zumindest einen Anteil einer von der Bearbeitungsstelle in die Bearbeitungsoptik abgestrahlten Sekundärstrahlung zumindest auf eine diese Strahlung vorzugsweise während der Bearbeitung analysierenden Auswertungseinheit lenkt.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken wird deren Werkstoff je nach Bearbeitungsprozeß durch Wärmeeinkopplung beeinflußt. Der Werkstoff strahlt die eingekoppelte Wärmeenergie zum Teil zurück. Diese zurückgestrahlte sogenannte Sekundärstrahlung ist abhängig von der Art des Prozesses, wie er beim Schweißen, Schneiden, Abtragen, Härten oder Umschmelzen durchgeführt wird, und auch abhängig vom Werkstoff, der beispielsweise metallisch, organisch oder anorganisch sein kann. Die Sekundärstrahlung ist entweder kontinuierlich, z. B. bei einer nicht schmelzebildenden Aufheizung des Werkstücks oder diskret, z. B. durch Plasmabil­ dung. Auch Prozeßfehler beeinträchtigen die Sekundärstrahlung, z. B. Schweißaussetzer, Leistungsabfall des Lasers oder Linsen­ verschmutzung. Die Sekundärstrahlung ist dementsprechend je­ weils unterschiedlich stark und/oder unterschiedlich spektral zusammengesetzt. Sie kann daher dazu benutzt werden, die sie beeinflussenden, vorgenannten Ursachen zu ermitteln, um dement­ sprechend in den Bearbeitungsprozeß regelnd eingreifen zu kön­ nen. Ein solches Messen und Eingreifen kann insbesondere gleichzeitig mit der Bearbeitung erfolgen, was bei verschiede­ nen Prozessen besonders wichtig ist, um ein gutes Bearbeitungs­ ergebnis zu erreichen. Beispielsweise ist während der Bearbei­ tung eine Analyse des Laserstrahlschweißens und dessen Regelung insbesondere dann von Bedeutung, wenn das Schweißen mit Hilfe eines laserstrahlinduzierten Schweißplasmas erfolgt, dessen Ausprägung und zeitliche Fluktuation die Qualität des Schweiß­ ergebnisses hinsichtlich Durchschweißungsgrad, Porenbildung, Bearbeitungsunterbrechung, Humpingeffekt usw. charakterisiert. Ähnliches gilt für das Laserstrahlschneiden. Aber auch die thermische Oberflächenbehandlung durch Laserstrahlung, wie das Umwandlungshärten, das Umschmelzen, das Dispergieren oder das Beschichten ist derart kritisch, daß ein gutes Bearbeitungser­ gebnis häufig nur dann zu erreichen ist, wenn während des Pro­ zesses geregelt werden kann, so daß unerwünschte komplexe Strukturen, wie lokale Anschmelzungen der Oberflächenkonturen, vermieden werden können.

Es ist allgemein bekannt, bei der Laserstrahlbearbeitung von Werkstücken während der Bearbeitung Detektoren einzusetzen, beispielsweise Fotodioden, welche verschiedene blaue und infra­ rote Spektralanteile der vom laserstrahlinduzierten Schweiß­ plasma ausgehenden Sekundärstrahlung auswerten. Die Detektoren müssen neben der Bearbeitungsoptik angeordnet und exakt auf die Bearbeitungsstelle ausgerichtet werden. Daraus ergeben sich Platzprobleme, weil zusätzliche Zuführungs- und Befestigungs­ einrichtungen der Diagnostikgeräte erforderlich sind, ferner Justageprobleme und Verschmutzungsgefahr durch Schweißspritzer, Dämpfe und Zusatzwerkstoffe sowie mangelnde Flexibilität der gesamten optischen Einrichtung bei kombinierten oder dicht nacheinander durchzuführenden Verfahren, wie Schneiden, Schweißen, Umschmelzen und Vergüten mit Laserstrahlung. Erheblich sind auch die Anforderungen an die Nachführung des Detek­ tors, um zu einer exakten Messung der Sekundärstrahlung zu kommen.

Eine aus der DE 37 10 816 A1 bekannte Vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen ermöglicht es, den Bearbeitungsprozeß durch die Bearbeitungsoptik zu beobachten, so daß die vorgenannten, durch eine Anordnung des Detektors neben der Bearbeitungsoptik gegebenen Nachteile entfallen. Der bei dieser bekannten Vorrichtung eingesetzte Spiegel ist eine allgemein bekannte Strahlteilungsplatte, nämlich eine ZnSe-Strahlteilungsplatte, mit der erreicht wird, daß der Laserstrahl bis auf einen geringen, der Strahlanalyse dienenden Anteil reflektiert wird, während die ebenfalls auf den Spiegel treffende Sekundärstrahlung weit weniger reflektiert wird, weil sie eine von der Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung abweichende Wellenlänge hat, für die die Reflexionsfähigkeit des Spiegels weit geringer ist, als für die Laserstrahlung. Diese bekannte Vorrichtung ist noch verbesserungsfähig, weil der eingesetzte Strahlungsteiler zumindest für einige Wellenlängen der Sekundärstrahlung noch ein erhebliches Reflexionsvermögen hat, so daß die Detektion und die Auswertung dieser Sekundärstrahlanteile erheblich erschwert ist. Außerdem hat die bekannte Strahlteilungsplatte die allgemein bekannten Nachteile, insbesondere ist sie für höhere Strahlungsintensitäten nur begrenzt einsetzbar.

Ferner ist es aus der DE 36 23 409 A1 bekannt, Umlenkspie­ gel zu verwenden, die mit Bohrungen zum Ausblenden von Sekun­ därstrahlung so versehen sind, daß letztere auf Detektoren treffen kann, mit denen die Bearbeitungsoptik im Sinne einer Minimierung der Sekundärstrahlung verfahren werden kann. Die zum Detektieren der Sekundärstrahlung erforderlichen Bohrungen sind vergleichsweise zahlreich, so daß sich dementsprechend ein Flächenanteil der gesamten reflektierenden Spiegelfläche er­ gibt, der nicht dazu benutzt werden kann, um den Laserstrahl umzulenken. Es sind infolgedessen diffuse Reflexionen der La­ serstrahlung sowie auf diesen und der Erwärmung des Umlenkspie­ gels beruhende Verluste in Kauf zu nehmen.

Die vorbekannte Vorrichtung hat darüber hinaus den grund­ sätzlichen Nachteil, daß ihr teilreflektierender Spiegel die Strahlungsteilung des Laserstrahls und die Strahlungsteilung der von der Bearbeitungsstelle zurückgestrahlten Sekundärstrah­ lung miteinander koppelt, was nicht im Sinne einer optimalen Systemauslegung ist, weil beispielsweise eine Strahlanalyse mit dem vom Teilungsspiegel ausgekoppelten Strahlanteil nicht aus­ reichend oder unzweckmäßig sein kann.

Aus der DD 2 37 271 A1 ist eine Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung bearbeiteten Werkstücken bekannt, bei der der fokussierte Lichtstrahl durch eine Hauptöffnung eines Reflexfilters hindurch auf das Werkstück gelenkt wird. Der Reflexfilter nimmt die vom Werkstück während dessen Bearbeitung ausgehende divergente Strahlung auf und lenkt sie auf eine Auswertungseinheit. Bei dieser bekannten Vorrichtung soll die reflektierte Laserstrahlung von der bei der Werkstückbearbeitung emittierten Wärmestrahlung spektral getrennt werden. Eine Auswertung desjenigen Anteils der von dem Werkstück ausgehenden Strahlung, der auf die dem Durchtritt der Laserstrahlung dienende Hauptöffnung des bekannten Reflexfilters entfällt, erfolgt nicht. Dementsprechend ist die bekannte Vorrichtung gegen Verschmutzung des Reflexfilters durch Schweißspritzerbildung empfindlich und jegliche Änderung der Relativlage des Reflexfilters in bezug auf das Werkstück führt ohne aufwendige Korrekturmaßnahmen zu einer Verfälschung des Auswertungsergebnisses.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ei­ ne Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie eine Überwachung der Bearbeitungsstelle ohne Beeinträchti­ gung der zur Bearbeitung verwendeten Laserstrahlung ermöglicht, wobei die infolge der Beobachtung der Bearbeitungsstelle durch das für die Laserstrahlung verwendete optische System gegebenen Vorteile erhalten bleiben sollen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß einer der strahlungsreflektierenden Spiegel im Reflexionsbereich für den Laserstrahl mit einem Beugungsgitter versehen ist, das eine vorbestimmte Beugungsordnung der Sekundärstrahlung auf eine der Auswertungseinheiten lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.

Für die Erfindung ist von Bedeutung, daß der strahlungsre­ flektierende Spiegel mit einem Beugungsgitter versehen ist, mit dem die Sekundärstrahlung ohne Beeinflussung der Laserstrahlung abgelenkt werden kann. Das Beugungsgitter kann in Verbindung mit herkömmlichen Spiegelgestaltungen verwendet werden, die sich insbesondere auch bei hohen Laserleistungen bewährt haben, beispielsweise bei Metallspiegeln. Die Metallspiegel sind ther­ misch hoch belastbar und bei ihnen können die Beugungsgitter ohne erheblichen Aufwand hergestellt werden. Es ist auch nicht erforderlich, die Spiegel mit Bohrungen oder dergleichen kom­ plizierten Formgebungen auszubilden, um damit Sekundärstrahlung messen zu können. Da bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Vorrichtung die Strahlwege des CO₂-Laserstrahls und der vom Werkstück emittierten Sekundärstrahlung ungeachtet des Bearbei­ tungsverfahrens und der Bearbeitungsgeometrie stets gleich bleiben, wird exakt die Bearbeitungsstelle ausgemessen, also die Wechselwirkungszone zwischen Laserstrahl und Werkstück.

Infolge der grundsätzlichen Einfachheit der Vorrichtung kann auch erreicht werden, daß bereits in Betrieb befindliche Bearbeitungsoptiken auf einfache Weise umgebaut werden können, beispielsweise dadurch, daß der mit einem Beugungsgitter versehene Spiegel im Laserstrahlengang zwischen dem Laser und dessen Bearbeitungsoptik angeordnet, oder daß ein optisches Element der Bearbeitungsoptik durch ein mit einem Beugungsgitter versehenes optisches Element ersetzt wird.

In Ausgestaltung der Erfindung ist die Vorrichtung so aus­ gebildet, daß das Beugungsgitter eines einzigen Spiegels einen die erste oder zugleich auch eine auf eine andere Frequenz be­ zogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung reflektie­ renden Gitterabstand aufweist, und daß die Auswertungseinheit in der durch die Beugungsanordnung bestimmten Reflexionsrich­ tung angeordnet ist. Infolgedessen ergibt sich eine spektralmäßige Zerlegung der Sekundärstrahlung, bei der also deren Spektralanteile in unterschiedliche Richtungen reflektiert werden. Diese Zerlegung der kurzwelligen Sekundärstrahlung nach dem Spektrographenprinzip ermöglicht es also bei entsprechender Auslegung des Beugungsgitters, die gewünschten Spektralanteile ohne weiteres herauszufiltern und durch entsprechend angeord­ nete Detektoren der Auswertungseinheit getrennt aber gleichzei­ tig registrieren zu können. Damit erübrigt sich die bei den be­ kannten Vorrichtungen erforderliche spektrale Zerlegung der Se­ kundärstrahlung durch Einsatz von Filtern oder Strahlteilern, was bekanntlich mit Strahlungsverlusten verbunden ist und daher das Detektieren erschwert. Auch bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung ist der mit dem Beugungsgitter versehene Spiegel ein in derselben Weise einfaches Bauteil. Wenn das Beugungsgit­ ter so ausgebildet ist, daß es infolge seines Gitterabstandes zugleich auch eine auf eine andere Frequenz bezogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung reflektiert, so wird da­ durch erreicht, daß derselbe strahlungsreflektierende Spiegel zum Auskoppeln von Sekundärstrahlung dieser anderen Frequenz benutzt werden kann, also ohne Spiegelumbau.

Das Beugungsgitter des Spiegels ist von einem Strichgitter gebildet, das aus einer Vielzahl äquidistanter Rillen besteht. Der Rillenabstand wird auf denjenigen Wellenbereich der poly­ chromatischen Sekundärstrahlung abgestimmt, der vornehmlich de­ tektiert werden soll. Außerdem wird dieser Abstand so gewählt, daß eine Ablenkung der Laserstrahlung von der vorgesehenen Strahlrichtung nicht erfolgt. Vorteilhafterweise ist die Vor­ richtung so ausgebildet, daß das Beugungsgitter bei CO₂-Laser­ strahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2 µm wirksam ist. Gegenüber diesen Bereich ist die Wellenlänge des CO₂-Laser­ strahls mit λ = 10,6 µm mindestens um den Faktor 10 größer als die detektierte Sekundärstrahlung. Eine derartige Bemessung der Vorrichtung ist also für die CO₂-Hochleistungslaser besonders geeignet. Gerade derartige Hochleistungslaser bedürfen einer umfangreichen und exakten Kontrolle des Bearbeitungsbereichs.

Um die mit Hilfe des Beugungsgitters abgelenkte Sekundär­ strahlung möglichst vollständig zu erfassen, ist die Vorrich­ tung so ausgebildet, daß zwischen dem Spiegel und der Auswer­ tungseinheit eine die vom Spiegel reflektierte Sekundärstrahlung auf einen oder mehrere Detektoren der Auswertungseinheit bündelndes optisches Element in Gestalt einer Linse oder eines Spiegels angeordnet ist. Die mehreren Detektoren werden dann eingesetzt, wenn eine Integration von Strahlung einer einzigen Wellenlänge erfolgen soll, oder wenn Sekundärstrahlung unterschiedlicher Wellenlängen diesen Wellenlängen entsprechend separat ausgemessen werden soll. In letzterem Fall kann die Vorrichtung so ausgebildet sein, daß unterschiedlichen Spektralanteilen der vom Spiegel reflektierten Sekundärstrahlung separate Detektoren zugeordnet sind. Deren den Spektralanteilen entsprechende Signale sind der gewünschten Prozeßsteuerung entsprechend auswertbar.

Wenn die Vorrichtung so ausgebildet ist, daß das Beugungs­ gitter des Spiegels ein die reflektierende Sekundärstrahlung bündelndes Strichgitter einer Vielzahl von Rillen ist, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand voneinander und entsprechend dem Strahleinfallswinkel einen gekrümmten Verlauf haben, liegt eine Ausgestaltung des Beugungsgitters als fokussierende Fresnel-Zonenplatte vor, die also als Sammellinse wirkt, so daß auf den Einsatz einer zusätzlichen Sammellinse verzichtet werden kann. Es ist also bei dieser Ausgestaltung der Vorrichtung mit Hilfe eines einfachen Spiegelbauteils möglich, eine Vielzahl von Detektoren mit unterschiedlichen Spektralanteilen der Sekundärstrahlung fokussiert zu beaufschlagen, was eine erhebliche Vereinfachung der Vorrichtung bedeutet.

Wenn im Strahlengang des Laserstrahls mehrere strahlungs­ reflektierende Spiegel mit jeweils unterschiedlichen Beugungs­ gittern angeordnet und mindestens einer Auswertungseinheit zugeordnet sind, so läßt sich die von diesen Spiegeln reflektierte Sekundärstrahlung entsprechend mehrfach spektrographisch analysieren. Damit kann die Ausgestaltung der Vorrichtung im Einzelnen bzw. ihrer Spiegel und Auswertungseinheiten leichter an die jeweils gegebenen räumlichen Erfordernisse angepaßt werden.

Die Erfindung wird anhand von in der Zeichnung dargestell­ ten Ausführungsbeispielen erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erste Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2a, 2b und Fig. 3 Darstellungen zur grundsätzlichen Wir­ kung von mit Beugungsgittern versehenen Spiegeln, und

Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.

In der Fig. 1 ist eine herkömmliche Bearbeitungsoptik 18 dargestellt, in der ein vertikal einfallender Laserstrahl 1 von einem ersten Umlenkspiegel 2 horizontal auf einen zweiten, auf demselben Höhenniveau angeordneten Umlenkspiegel 3 gelenkt wird, von dem aus ein oberhalb dieses Umlenkspiegels 3 angeord­ neter Fokussierspiegel 4 den Laserstrahl 1 vertikal nach unten auf eine Bearbeitungsstelle 17 eines Werkstücks 6 lenkt. Es versteht sich jedoch, daß unter dem Begriff Bearbeitungsoptik jedes den Laserstrahl auf seinem Weg vom Laser zur Bearbei­ tungsstelle irgendwie beeinflussende optische Element verstan­ den wird. Der Fokussierspiegel 4 bündelt den Laserstrahl 1 der­ art, daß dessen Fokus im Bereich der Bearbeitungsstelle 17 liegt und dort ein Schweißprozeß durchgeführt werden kann. In Fig. 1 ist ein Plasma 5 dargestellt, mit der die Energie des La­ serstrahls 1 in das Werkstück 6 eingekoppelt wird. Statt eines Schweißprozesses kann mit der Bearbeitungsoptik auch ein ande­ rer Bearbeitungsvorgang durchgeführt werden, beispielsweise eine Härtung der Oberfläche des Werkstücks 6. Außer der Bearbeitungsoptik 18 sind die für die Bearbeitungsprozesse des­ weiteren noch benötigten Einrichtungen vorhanden, wie Strahldü­ sen usw., die aber nicht dargestellt wurden. Die in das Werkstück 6 eingekoppelte Energie des Laserstrahls 1 führt zur Erwärmung des Werkstücks 6 und beispielsweise zu der vorerwähn­ ten Plasmabildung. Infolgedessen geht eine von der Bearbei­ tungsstelle 17 emittierte Sekundärstrahlung 7 aus, die durch die Austrittsöffnung 12 eines Gehäuses 13 der Bearbeitungsoptik 18 zurück in letztere gelangt und von den Spiegeln 2, 3 und 4 auf der Bahn des Laserstrahls 1 zurückreflektiert wird.

Um die Sekundärstrahlung 7 zur Prozeßbeobachtung an der Bearbeitungsstelle 17 ausnutzen zu können, ist der Umlenkspie­ gel 2, oder in nicht dargestellter Weise ein anderer Spiegel der Bearbeitungsoptik 18, mit einem Beugungsgitter 20 versehen, welches die Sekundärstrahlung aus der Bahn des Laserstrahls 1 abzulenken erlaubt. Das Beugungsgitter 20 befindet sich also im der Umlenkung des Laserstrahls 1 dienenden Reflexionsbereich 19-19 des Spiegels 2. Das Beugungsgitter 20 dieses Spiegels 2 ist ein Strichgitter, gebildet aus einer Vielzahl von Rillen 21. Die Form und die Tiefe dieser Rillen und ihr Abstand d sind so gewählt, daß von der einfallenden Laserstrahlung nur ein kleiner Teil diffus reflektiert werden kann. Die Energieverlu­ ste des Laserstrahls 1 in der Bearbeitungsoptik bzw. durch das Beugungsgitter 20 sind also gering.

Die vom Beugungsgitter 20 aus der Bahn des Laserstrahls 1 abgelenkte Sekundärstrahlung 7 gelangt zu einer Auswertungsein­ heit 10, der eine Sammellinse 9 vorgeordnet ist. Die Sammellin­ se 9 fokussiert die einfallende Sekundärstrahlung 7 auf einen Detektor 11 oder auf mehrere Detektoren der Auswertungseinheit 10, wobei ein Detektor 11 symbolisch als Fotodiode dargestellt ist.

In Fig. 2a ist das Beugungsgitter 20 mit einer Vielzahl äquidistanter Rillen 21 des Gitterabstands d dargestellt. Fig. 2b zeigt einen in der Richtung des Pfeils 14 auf einen Um­ lenkspiegel 2 gerichteten Laserstrahls 1 eines Kohlendioxidla­ sers mit der Wellenlänge λ_co2 = 10,6 µm. Dieser Laserstrahl 1 wird ohne Beeinträchtigung durch das Beugungsgitter 20 vom Spiegel 2 reflektiert. In entgegengesetzter Richtung 15 gelangt Sekundärstrahlung 7 auf den Umlenkspiegel 2. Diese Sekundär­ strahlung wird in einem Wellenlängenbereich zwischen 200 nm und 2 µm ausgenutzt, das heißt vom Beugungsgitter 20 aus der gepunk­ tet dargestellten Bahn abgelenkt. Unerwünschte Wellenlängenan­ teile, beispielsweise Reste direkt reflektierter Kohlendioxid­ strahlung bleiben unabgelenkt, können also das Meßergebnis nicht verfälschen.

Das Beugungsgitter 20 ist mit einem solchen Gitterabstand d ausgebildet, daß die erste Beugungsordnung reflektiert wird. Dabei ergibt sich bei der Reflexion eine Zerlegung der Sekun­ därstrahlung 7 in die unterschiedlichen Spektralanteile. Fig. 2b stellt dies beispielsweise für die Spektralanteile mit den Wel­ lenlängen λ1 und λ2 dar. Das Licht der Wellenlänge λ1 der Sekun­ därstrahlung wird in geringerem Maße abgelenkt, als das Licht der Wellenlänge λ2. Die Wellenlänge λ1 ist daher größer als die Wellenlänge λ2. Die Spektralanteile unterschiedlicher Wel­ lenlängen können von mehreren Detektoren der Auswertungseinheit 10 erfaßt werden.

Fig. 3 zeigt ein Beugungsgitter 20 mit einer Vielzahl von Rillen 21, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand d (n) voneinander aufweisen. Außerdem haben die Rillen 21 einen ge­ krümmten Verlauf, wobei die Krümmung dem Strahleinfallswinkel entsprechend gewählt ist. Der zugehörige Umlenkspiegel 2 ist infolgedessen in seinem das Beugungsgitter 20 aufweisenden Re­ flexionsbereich als Fresnel-Zonenplatte ausgebildet, die die reflektierten Spektralanteile der Sekundärstrahlung jeweils fo­ kussiert. Bei einer derartigen Ausbildung des Umlenkspiegels 2 ist es nicht erforderlich, eine Sammellinse 9 zu verwenden.

Die durch eine Sammellinse 9 oder eine Fresnel-Zonenplatte reflektierte Sekundärstrahlung 7 bzw. ihre jeweiligen Spektral­ anteile, gekennzeichnet durch die Wellenlängen λ1, λ2 usw., wer­ den gemäß Fig. 1 auf mehrere, jeweils separate Detektoren 11 der Auswertungseinheit 10 gelenkt und fokussiert, was in den Fig. 1, 4 durch die Pfeilspitzen 17 symbolisiert ist. Die einzelnen De­ tektoren 11 geben den Sekundärstrahlungsanteilen entsprechende Signale ab, die in herkömmlicher Weise zur Anzeige und/oder zur Regelung des Prozesses verwendet werden können. Dabei wird da­ von Gebrauch gemacht, daß die unterschiedlichen Spektralanteile der Sekundärstrahlung unterschiedlichen Vorgängen der Bearbei­ tungsstelle zugeordnet werden können, beispielsweise der Plas­ mabildung, dem Humpingeffekt oder einer Schweißstellenausbil­ dung, beispielsweise dem Durchschweißen oder einer Porenbil­ dung.

Bereits existierende Bearbeitungsoptiken können einfach nachgerüstet werden. Entweder wird ein bereits im Einsatz be­ findlicher Spiegel nachträglich mit einem Beugungsgitter 20 versehen, oder es wird ein mit einem Beugungsgitter versehener Spiegel 2 in den Strahlengang eines Laserstrahls eingefügt, zweckmäßigerweise zwischen den Laser und dessen Bearbeitungsop­ tik 18. Fig. 4 zeigt eine solche zur Nachrüstung einer Bearbei­ tungsoptik 18 geeignete Einrichtung, von der ein in Richtung 14 eingestrahlter Laserstrahl 1 mit der Wellenlänge λ_CO₂ von einem Umlenkspiegel 16 auf einen mit einem Beugungsgitter 20 versehe­ nen Spiegel 2 umgelenkt wird, der parallel zur Richtung 14 aus­ gerichtet ist. Von diesem Spiegel 2 wird der Laserstrahl 1 auf einen weiteren Umlenkspiegel 16′ gelenkt, der den Laserstrahl 1 wieder in die Richtung 14 zurücklenkt. Die der Richtung 14 ent­ gegengesetzt einfallende Sekundärstrahlung wird vom Beugungs­ gitter 20 aus der Bahn des Laserstrahls 1 abgelenkt, und zwar auf eine Sammellinse 9, welche die Sekundärstrahlung in zur Fig. 1 beschriebenen Weise auf eine Auswertungseinheit 10 fokus­ siert.

Für die Ausbildung der Vorrichtung ist noch von Bedeutung, daß die Sekundärstrahlung durch das Beugungsgitter 20 in einen Bereich zwischen den auf den Spiegel 2 einfallenden Strahlen­ gangabschnitt 22 und den vom Spiegel 2 abgehenden Strahlengang­ abschnitt 23 abgelenkt wird. Dies ermöglicht eine jeweils gute Raumausnutzung der Bearbeitungsoptik 18 bzw. der einer solchen Optik nachzurüstenden, also zwischen Laser und Bearbeitungsop­ tik 18 anzuordnenden Meßoptik für die Sekundärstrahlung gemäß Fig. 4.

In den Ausführungsbeispielen ist davon ausgegangen worden, daß diejenige Sekundärstrahlung der Überwachung dient, die von dem in Richtung auf den Laserstrahl letzten optischen Element der Bearbeitungsoptik in den Strahlengang des Laserstrahls zurückgegeben wird. Das ist jedoch nicht zwingend erforderlich. Es ist vielmehr auch möglich, was insbesondere bei schräger Bestrahlung des Werkstücks mit dem Laserstrahl von Vorteil wäre, ein besonderes optisches Element vorzusehen, mit dessen Hilfe vom Werkstück rückgestrahlte Sekundärstrahlung in den Strahlengang des Laserstrahls rückgekoppelt wird, um sie dort einem mit Beugungsgitter versehenen Spiegel zuzulenken.

Claims (8)

1. Vorrichtung zum Überwachen von mit Laserstrahlung, insbesondere CO₂-Laserstrahlung, bearbeiteten Werkstücken (6) mit einer den Laserstrahl (1) auf die Bearbeitungsstelle (17) lenkenden okussierenden Bearbeitungsoptik (18), und mit mindestens einem im Strahlengang des Laserstrahls (1) zwischen dem Laser und der Bearbeitungsoptik (18) angeordneten strahlungsreflektierenden Spiegel (2), von denen zumindest einer zumindest einen Anteil einer von der Bearbeitungsstelle (17) in die Bearbeitungsoptik (18) abgestrahlten Sekundärstrahlung (7) zumindest auf eine diese Strahlung (7) vorzugsweise während der Bearbeitung analysierenden Auswertungseinheit (10) lenkt, dadurch gekennzeichnet, daß einer der strahlungsreflektierenden Spiegel (2) im Reflexionsbereich (19-19) für den Laserstrahl (1) mit einem Beugungsgitter (20) versehen ist, das eine vorbestimmte Beugungsordnung der Sekundärstrahlung (7) auf die Auswertungseinheit (10) lenkt und im Wellenlängenbereich der Laserstrahlung unwirksam ausgebildet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (20) eines einzigen Spiegels (2) einen die erste oder zugleich auch eine auf eine andere Frequenz bezogene höhere Beugungsordnung der Sekundärstrahlung (7) reflektierenden Gitterabstand (d) aufweist, und daß die Auswertungseinheit (10) in der durch die Beugungsanordnung bestimmten Reflexionsrichtung angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (20) des Spiegels (2) von einem Strichgitter gebildet ist, das aus einer Vielzahl äquidistanter Rillen (21) besteht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (20) bei CO₂-Laserstrahlung im Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2 µm wirksam ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Spiegel (2) und der Auswertungseinheit (10) eine die vom Spiegel (2) reflektierte Sekundärstrahlung (7) auf einen oder mehrere Detektoren (11) der Auswertungseinheit (10) bündelndes optisches Element in Gestalt einer Linse (9) oder eines Spiegels ange­ ordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (20) des Spiegels (2) ein die reflektierende Sekundärstrahlung bündelndes Strichgitters einer Vielzahl von Rillen (21) ist, die jeweils unterschiedlichen Gitterabstand d (n) voneinander und entsprechend dem Strahleinfallswinkel einen gekrümmten Verlauf haben.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß unterschiedlichen Spektralanteilen der vom Spiegel (2) reflektierten Sekundärstrahlung (7) separate Detektoren (11) zugeordnet sind.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserstrahls (1) mehrere strahlungsreflektierende Spiegel (2) mit jeweils unterschiedlichen Beugungsgittern angeordnet und mindestens einer Auswertungseinheit (10) zugeordnet sind.