DE4123052A1 - Integriertes sensor- und stellelement fuer die brennpunktlageregelung von hochleistungslasern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensor- und Stellelement zur Brenn­ punktlageregelung von Hochleistungslasern für die Materialbearbeitung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Bei den zum Stand der Technik zählenden Ausführungsformen für die Strah­ len- bzw. Brennpunktlageregelung der genannten Laser sind bisher immer mehrere, getrennte oder einzelne Elemente erforderlich. Diese sind im wesentlichen Strahlteiler-Elemente mit denen ein Teil des zu regelnden Strahles aus dem Hauptstrahlengang ausgekoppelt werden und jeweils einem, ihnen zugeordneten Sensorelement zugeführt werden. Dort werden die Fehler des Strahles - wie beispielsweise Winkelfehler, Fokusfehler oder auch Fehler hoher Ordnung wie Astigmatismus - festgestellt, mittels einer Elektronikanordnung ausgewertet und - daraus abgeleitet - entsprechende Stellsignale auf ein Korrekturelement gegeben.

Das Korrekturelement kann im einfachen Falle ein Kippspiegel zur reinen Strahlachsen-Stabilisierung sein, für Korrekturen von Fehlern höherer Ordnung ist jedoch ein Spiegel mit deformierbarer Oberfläche notwendig. Sollen nun das Strahlteilerelement und das Korrekturelement in den Strah­ lengang eines Hochleistungslasers gebracht werden, so ist eine aktive Kühlung der mit der Hochleistungslaserstrahlung beaufschlagten Flächen notwendig.

Solche Elemente sind beispielsweise aus den Druckschriften GB 22 13 964, DE 36 28 339 A1, US 40 91 274 sowie DE 31 33 823 C1, DE 34 08 263 C1 oder DE 32 02 432 C2 der Anmelderin bekannt. Insbesondere ist aus der DE 36 28 339 A1 ein gekühlter verformbarer Spiegel bekannt geworden, der aus einer Basisplatte, piezoelektrischen Stellgliedern und einer Spiegel­ platte besteht, die auf ihrer Rückseite mit geschlossenen Kühlkanälen versehen ist. Bekannt sind weiterhin Strahlteiler, die aus einer für die Laserwellenlänge teildurchlässigen Siliciumplatte bestehen und mit Kühlka­ nälen versehen sind. Abgesehen vom Platzbedarf ist allein schon für die Justierbarkeit und Fixierung dieser einzelnen Bauelemente oder Module ein erheblicher Aufwand erforderlich.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Sensor- und Stellelement der eingangs genannten Art zu schaffen, bei dem ein Sensor mit einem von diesem angesteuerten optischen Stellelement zusammengefaßt ist und das als einziges Bauelemententeil einzeln getrennt oder gleichzei­ tig die Erfassung und Korrektur von Winkel- und Fokusfehlern in Hoch­ leistungslaser-Strahlvorgängen ermöglicht, d. h. die Brennpunktlage in Winkelrichtung und Fokussierweite bestimmt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläu­ tert und in der einzigen Figur der Zeichnung in Form eines im Querschnitt gezeichneten Schemabildes skizziert.

Das nachfolgend beschriebene Sensor- und Stellelement wird als komplette Baueinheit in den Strahlengang von Hochleistungslasersystemen zur Ma­ terialbearbeitung eingebracht, um dort die Erfassung und Korrektur von Winkel- und Fokusfehler des Bearbeitungsstrahles vorzunehmen. Das Element erfüllt gleichzeitig auch die Sensor- und Korrekturfunktionen. Die mit Laserstrahlen beaufschlagte Oberfläche des Werkstückes wird in bekannter Weise flüssigkeitsgekühlt.

Das Sensor- und Stellelement setzt sich aus einem vorzugsweise zylin­ drischen, druckfesten und formstabilen Gehäusekörper 10 und einer sein unteres Ende abschließenden, formstabilen Grund- und Befestigungsplatte 11 zusammen. Diese Platte dient einmal zur Befestigung des Elementes mit definierter Position im Strahlenführungskanal der Laser-Materialbearbei­ tungsanlage und zum andernmal als Integrationsteil für eine Reihe von Bauelementen, wie nachfolgend noch beschrieben wird.

Am oberen Ende des Gehäusekörpers 10 ist ein ringförmiges, als Federbalg ausgeführtes Biegeelement 12 befestigt, das als Träger für eine dünne, in ihrem Innern mit Kühlkanälen versehenen, Spiegelplatte 13, welche aus Siliziummaterial gefertigt ist, dient. Die beschriebene Anordnung aus Grundplatte 11, Gehäusekörper 10, Federbalg 12 und Spiegelplatte 13 bilden zusammen ein druck- bzw. vakuumdichtes Gehäuse.

Eine solche Spiegelplatte 13 und deren Herstellung ist durch die Anmel­ derin in der DE 34 08 263 C1 bekannt geworden. Die Oberfläche einer solchen Spiegelplatte 13 ist nun mit einer dielektrischen Beschichtung versehen, welche Laserstrahlung der Wellenlänge 10,6 µm zu einem hohen Anteil - typischerweise 99% - reflektiert. Das Spiegelplattenmaterial - typischerweise Silizium - ist für den restlichen Strahlanteil durchlässig. Dieser restliche Anteil von knapp 1% wird nun analog des in der DE 31 33 823 C1 der Anmelderin beschriebenen Verfahrens aus dem Strahlen­ gang ausgekoppelt. Auf der Rückseite der Spiegelplatte 13 ist nun mittels Ätztechnik ein holographisches optisches Element 13a angebracht, welches eine definierte Fokussierung des ausgekoppelten Lichtes auf einem Vierqua­ drantendetektor 14 durchführt, der auf der Bodenplatte 11 angeordnet ist. Das holografische Fokussierelement 13a ist in einer einfachen Ausführungs­ form aus konzentrischen Kreisringen nach Art einer Fresnellinse ausge­ staltet, wodurch eine Fokussierung der austretenden Laserstrahlung mit vorgegebener Brennweite durch diese Ausgestaltung bewirkt wird.

In einer erweiterten Ausführungsform ist das holografische Fokussierele­ ment 13a derart ausgebildet, daß die Fokussierung mit Astigmatismusantei­ len erfolgt. Dies kann vorzugsweise durch eine Ausbildung in Form von konzentrischen Ellipsen erfolgen.

Aus den Signalen vom Vierquadrantendetektors 14 wird mittels einer Elek­ tronik 14a, in bekannter Weise die Winkelablage oder wie beispielsweise in der Deutschen Patentanmeldung P 40 12 927.6-33 angemeldet am 24.04.1990 beschrieben ist, gleichzeitig die Winkelablage und Fehlfokussierung des Laserstrahles 20, 21 ermittelt und die entsprechenden Werte größenmäßig in einer an sich bekannten Elektronik 14a abgeleitet und als Steuersignale zur Korrektur der Winkelablage sowie der Fehlfokussierung an die nachfol­ gend beschriebenen Stellelemente 16, 12 etc. gegeben. Hierbei erfolgt die Korrektur der Winkelablage durch zwei oder mehrere Stellelemente 16, welche auf der Grund- und Befestigungsplatte 11 am Rande außerhalb des druckfesten Gehäuses angeordnet sind und über Biegeelemente 12 auf die Spiegelplatte 13 am Rande des druckfesten Gehäuses 10 in bezug auf eine spezielle, von der Regelungselektronik (14a) ermittelten Winkelstellung derselben wirken. Diese Stellelemente 16 können alternativ als piezoelek­ trische oder magnetostriktive Aktuatoren ausgebildet sein.

Die Korrektur der Fokussierung erfolgt durch definierte Verwölbung der Spiegelplatte 13 mittels entsprechender Druckerhöhung oder Druckminderung eines durch die Gaszuführung 18 in das Volumen des Gehäusekörpers 10 einströmenden Druckgases. Diese Verwölbung bewirkt eine Verformung der Spiegelplatte zu einem rotationssymmetrischen Hohlspiegel mit von der Tiefe dieser Verwölbung abhängigen Brennweite. Die Einstellung dieser Brennweite erfolgt durch Vorgabe eines Solldruckwertes, wodurch negative oder positive Brennweiten erzielbar sind. Die Einstellung des jeweiligen Solldruckwertes im druckfesten Gehäuse 10, der höher oder niedriger als der Außendruck sein kann, erfolgt durch den in der Grund- und Befesti­ gungsplatte 11 integrierten Differentialdrucksensors 17 und ein Steuerven­ til (nicht gezeichnet).

Der Vierquadrantendetektor 14 ist bevorzugt als pyroelektrischer Detektor ausgebildet, zu dessen Betrieb im Wechsellichtmodus ein mechanischer Lichtzerhacker 15 vorgeschaltet ist. Die vorbeschriebene Korrektur der Winkel- und Fokusfehler erfolgt in einem Stellkreis oder offenen Regel­ kreis. Alternativ kann das Element auch in einem geschlossenen Regelkreis eingesetzt werden, in dem die Korrektur durch getrennte, im Strahlengang vorgeschaltete Korrekturelemente erfolgt.

Claims (9)

1. Sensor- und Stellelement zur Brennpunktlageregelung von Hoch­ leistungslasern für die Materialbearbeitung, in deren Strahlengang es integriert ist, und das mit einer mit Kühlkanälen versehenen, für die Laserstrahlung teildurchlässigen Spiegelplatte ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Grundplatte (11), einem Gehäusekörper (10), einem ringförmigen Biegeelement (12) nach Art eines Federbalges (12) und einer Spiegelplatte (13) ein druckfestes, formstabiles Gehäuse gebildet wird, an dessen Grund- und Befestigungsplatte (11) ein Quadran­ tendetektor (14) mit vorgeschaltetem Lichtzerhacker (15) sowie an deren (11) äußeren Rand zwei oder mehrere Stellelemente (16) zur Korrektur der Richtung angeordnet sind, welche am oberen Ende des druckfesten Gehäuses über das ringförmige Biegeelement (12) auf den Rand der Spiegelplatte (13) wirken, deren (13) Rückseite ein holografisches optisches Muster (13a) in Form einer rotationssymmetrischen Fresnellinse angebracht ist, wobei dem Vierquadrantendetektor (14) eine elektronische Vorrichtung (14a) zugeordnet ist, die die Winkelablage des Laserstrahles (20) größenmäßig ermittelt und Korrektur-Steuersignale für die Stellelemente (16) ausgibt.

2. Sensor- und Stellelement zur Brennpunktlageregelung von Hoch­ leistungslaser für die Materialbearbeitung, in deren Strahlengang es integriert ist, und das mit einer mit Kühlkanälen versehenen, für die Laserstrahlung teildurchlässigen Spiegelplatte ausgerüstet ist, dadurch gekennzeichnet, daß aus einer Grundplatte (11), einem Gehäusekörper (10), einem ringförmigen Biegeelement (12) nach Art eines Federbalges und einer Spiegelplatte (13) ein druckfestes, formstabiles Gehäuse gebildet wird, an dessen Grund- und Befestigungsplatte (11) ein Quadran­ tendetektor (14) mit vorgeschaltetem Lichtzerhacker (15) sowie an deren (11) äußeren Rand zwei oder mehrere Stellelemente (16) zur Korrektur der Richtung angeordnet sind, welche am oberen Ende des druckfesten Gehäuses (10) über ein ringförmiges Biegeelement (12) nach Art eines Federbalges auf den Rand der Spiegelplatte (13) wirken, an deren Rückseite ein holografisches optisches Muster in Form einer Fresnellinse mit astigma­ tischer Fokussierung angebracht ist, die die Fokussierung des ausgekop­ pelten Laserlichtanteils (21) mit Astigmatismusanteilen bei gleichzeitig definierter Spiegelwölbung durchführt und dadurch gleichzeitig eine definierte Fokus- und Winkellageeinstellung des Laserstrahls gewähr­ leistet, wobei dem Vierquadrantendetektor (14) eine elektronische Vorrichtung (14a) zugeordnet ist, die die Winkelablage und die Fehlfo­ kussierung des Laserstrahles (20) größenmäßig ermittelt und Korrek­ tur-Steuersignale für die Stellelemente (16) ausgibt.

3. Sensor- und Stellelement nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Spiegelplatte (13) aus einer, für die Laserstrahlung an der Oberseite durchlässigen, mit dielektrischer Beschichtung ver­ sehenen Siliziumscheibe besteht, in deren Rückseite Kühlkanäle einge­ fräst oder eingeätzt sind.

4. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die dielektrische Beschichtung der Spiegelplatte (13) Laserstrahlung der Wellenlänge 10,6 mm zu 99% reflektiert.

5. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das holografische Element (13a) eine für die Laserstrahlung durchlässige, die Kühlkanäle abdeckende Platte mit eingeätztem holografischen Muster ist.

6. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (16) als piezoelektrische oder magnetostriktive Aktuatoren ausgebildet sind.

7. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stellelemente (16) am Rande des ringförmigen Federbalges (12) angreifen und dadurch eine axiale Verkippung bewirken.

8. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zur Korrektur der Fokussierung die Spiegelplatte (13) mittels definierter Druckerhöhung oder Druckminderung eines durch die Gaszuführung (18) in das Volumen des Gehäuses (10) eingeströmten Druckgases die entsprechende Wölbung nach Maßgabe der Signale des Quadrantendetektors (14) erfährt.

9. Sensor- und Stellelement nach den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung des Gas-Solldruckwertes im Körper­ volumen des Gehäuses (10) ein Differentialdrucksensor (17) mit einem Steuerventil in der Grundplatte (11) angeordnet ist.