DE4333801A1 - Method and device for stabilising the diameter of laser radiation - Google Patents

Method and device for stabilising the diameter of laser radiation

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Abstract

The thermally induced variation of the optical properties of the optical components of the laser and of the beam guidance system are corrected by means of adaptive optics. The setting parameters of the adaptive optics are calculated with the aid of a model which simulates the time-dependent thermal behaviour of all the optical components involved, on-line in a computing mechanism. From the input variables such as, for example, laser power and exposure duration, the fixed optics constants, for example thermal conductivity, the variation of the beam which is influenced by the components is calculated. The behaviour of the adaptive optics is then controlled in such a way that the thermally induced variations of the beam are continuously corrected by the adaptive optics. <IMAGE>

Description

Technisches GebietTechnical field

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung der Strahldurchmessers bei Hochleistungslasern zur Materialbearbeitung, bei dem der Strahldurchmesser unter unterschiedlichen Betriebszuständen der Laseranlage stabilisiert wird.The invention relates to a method and device for stabilizing the Beam diameter in high-power lasers for material processing, in which the Beam diameter under different operating conditions of the laser system is stabilized.

Stand der TechnikState of the art

Bei dem weit überwiegenden Teil der zur Zeit verwendeten Lasestrahlquellen wird der Laserstrahl 4 mit Hilfe einer transmissiven Optik 2 aus dem Laserresonator ausgekoppelt. In vielen Anwendungsfällen wird der Laserstrahl mit Hilfe eines Teleskops 5 aufgeweitet. Dieses Teleskop kann mit transmissiven optischen Elementen (Linsen 6+7, Bild 2) oder Spiegeln (8+9, Bild 3) aufgebaut sein. Durch thermische Effekte innerhalb des Lasers und in den Optiken wird die Divergenz des Laserstrahls verändert, so daß der Strahldurchmesser während der Ausbreitung des Laserstrahls leistungs- und zeitabhängig ist. Direkt nach dem Einschalten des Laserstrahls und bei niedrigen Leistungen ist der Strahl größer d1 als bei hohen Leistungen und Einschaltzeiten d2. Diese Veränderung des Strahlduchmesser des unfokussierten Strahls mit der Leistung führt zu einer proportionalen Änderung des Fokusdurchmessers. Da beim Einschalten des Laserstrahls die Optiken sich langsam thermalisieren, verändern sich die Bearbeitungseigenschaften des fokussierten Laserstrahls in einer kurzen Zeitspanne relativ stark.In the vast majority of the laser beam sources currently used, the laser beam 4 is coupled out of the laser resonator with the aid of transmissive optics 2 . In many applications, the laser beam is expanded using a telescope 5 . This telescope can be constructed with transmissive optical elements (lenses 6 + 7 , figure 2) or mirrors ( 8 + 9 , figure 3). The divergence of the laser beam is changed by thermal effects within the laser and in the optics, so that the beam diameter is dependent on power and time during the propagation of the laser beam. Immediately after switching on the laser beam and at low powers, the beam is greater than d1 than at high powers and switch-on times d2. This change in the beam diameter of the unfocused beam with the power leads to a proportional change in the focus diameter. Since the optics slowly thermalize when the laser beam is switched on, the processing properties of the focused laser beam change relatively strongly in a short period of time.

Diese Effekte treten bei Bearbeitungsanlagen mit einem Arbeitsbereich von mehreren Metern verstärkt auf, weil sich Divergenzänderungen auf große Distanzen besonders stark bemerkbar machen.These effects occur in processing systems with a work area of several meters up because divergence changes affect large Make distances particularly noticeable.

Zur Zeit werden in diese Anlagen Teleskope (Strahlaufweitungen) eingesetzt, um die natürliche Divergenz des Laserstrahls und damit die Strahldurchmesser­ änderung über dem Arbeitsbereich zu reduzieren. Diese Teleskope werden in ihren Eigenschaften auch dynamisch verändert, um die Strahldurchmesse­ ränderungen während der Strahlausbreitung aufgrund der natürlichen Divergenz auf annähernd Null zu reduzieren. Zeitliche und thermische Veränderungen des Lasers bei unterschiedlichen Betriebszuständen, z. B. des aktiven Mediums 3, der Strahlstruktur und der Auskoppelplatte 2, sowie Veränderungen der weiteren Optiken (Teleskop), bleiben bei der Steuerung bzw. Regelung unberücksichtigt.Telescopes (beam expansions) are currently used in these systems to reduce the natural divergence of the laser beam and thus the change in beam diameter over the work area. The properties of these telescopes are also changed dynamically in order to reduce the beam diameter changes during beam propagation to almost zero due to the natural divergence. Temporal and thermal changes in the laser under different operating conditions, e.g. B. the active medium 3 , the beam structure and the coupling plate 2 , as well as changes in other optics (telescope), are not taken into account in the control.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die durch die Betriebsbe­ dingungen der Laseranlage verursachten Veränderungen der Optiken und die dadurch verursachten Veränderungen des Strahls zu kompensieren.The invention is therefore based on the object by the Betriebsbe conditions of the laser system caused changes in the optics and the compensate for changes in the beam caused thereby.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch den Einsatz von adaptiven Optiken und eines geeignet aufgebauten Computermodells des optischen Systems dessen aktueller Zustand berechnet wird und aus dem Modell die notwendigen Stellparameter der adaptiven Optik bestimmt werden.This object is achieved in that by using adaptive Optics and a suitably designed computer model of the optical system whose current state is calculated and the necessary from the model  Adjustment parameters of the adaptive optics can be determined.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention Thermische Effekte in transmissiven optischen ElementenThermal effects in transmissive optical elements

Beim Durchgang der Laserstrahlung durch ein transmissives optisches Element wird immer ein geringer Teil der Laserstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die absorbierte Wärmestrom ist im wesentlichen zu der durch das Element tretenden Intensität (Bild 4, Kurve a) proportional.When the laser radiation passes through a transmissive optical element, a small part of the laser radiation is always absorbed and converted into heat. The absorbed heat flow is essentially proportional to the intensity passing through the element ( Figure 4, curve a).

(r) = α(t)×I(r,P).(r) = α (t) × I (r, P).

Der Faktor α ist der Absorptionsgrad des optischen Elements für die Laserstrahlung. Durch die Alterung und Verschmutzung der Optik ist dieser Faktor zeitlichen Veränderungen unterworfen. Die lokal auf die Optik treffende Intensität ist von der Laserleistung und der Intensitätverteilung abhängig. Die absorbierte Wärme wird durch Wärmeleitung radial nach außen transportiert und dort an die gekühlte Fassung 11 abgegeben. Zum Transport der Wärme ist ein radiales Temperaturgefälle in dem optischen Element notwendig. Ein schematischer Temperaturverlauf über der Optik 2 ist in der Kurve c dargestellt.The factor α is the degree of absorption of the optical element for the laser radiation. Due to the aging and contamination of the optics, this factor is subject to changes over time. The intensity that hits the optics locally depends on the laser power and the intensity distribution. The absorbed heat is transported radially outwards by heat conduction and there is given off to the cooled socket 11 . A radial temperature gradient in the optical element is necessary to transport the heat. A schematic temperature profile over the optics 2 is shown in curve c.

Die optischen Eigenschaften, z. B. Brechungsindex und die Dicke des Elements, sind temperatur-abhängig, so daß durch den Temperaturgradient in der Optik die Eigenschaften der Optik von den Eigenschaften des durchtretenden Lasterstrahls abhängen. In einer einfachen Nährerung kann die Veränderung durch eine zusätzliche positive Brechkraft beschrieben werden, deren Größe vom Temperaturprofil im optischen Element abhängt.The optical properties, e.g. B. refractive index and the thickness of the element, are temperature-dependent, so that the temperature gradient in the optics Properties of the optics from the properties of the passing beam depend. In a simple approximation, the change can be made by a additional positive refractive power are described, the size of which Temperature profile in the optical element depends.

f=f(t,P).f = f (t, P).

Die Brennweite f (Brechkraft) ist damit von der Zeit und der Leistung des Laserstrahls abhängig. Dieser Effekt kann auch bei gasförmigen Medien auftreten, beispielweise innerhalb des Lasers, in dem von der Abwärme des Laserprozesses beheizten laseraktiven Mediums.The focal length f (refractive power) is therefore from the time and the power of the Dependent on the laser beam. This effect can also occur with gaseous media, for example within the laser, in which the waste heat from the Laser process heated laser active medium.

Die Temperaturverteilung in der durchstrahlten Optik kann mit Hilfe der allgemeinen Wärmeleitungsgleichung (Fourier-Biot) berechnet werden, wenn folgende Parameter bekannt sind:
Intensitätsverteilung
Wärmekapazität des optischen Materials
Wärmeleitfähigkeit
Geometrie
Absorptionsgrad
Kühlung der Optik
Intensitätsverteilung
etc.The temperature distribution in the irradiated optics can be calculated using the general heat conduction equation (Fourier-Biot) if the following parameters are known:
Intensity distribution
Thermal capacity of the optical material
Thermal conductivity
geometry
Degree of absorption
Cooling the optics
Intensity distribution
Etc.

Die Berechnungen sind zeitabhängig durchzuführen, weil die Intensitätsverteilung mit der Zeit veränderlich ist. Die exakte Berechnung der Temperaturen in Echtzeit ist in der Regel nicht möglich, weil der Rechenaufwand zu groß ist. Zur Vereinfach des Modells kann z. B. die Optikgeometrie durch geeignete Transformationen als eindimensional angenommen werden. Die Wärmeleitung kann beispielsweise in Form eines diskreten Wärmersatzschaltbildes, entsprechend Bild 5, modelliert werden. Die Wärmekapazitäten werden in Form von Kondensatoren, die Wärmewiderstände bzw. Wärmeleitfähigkeit durch Widerstände und die absorbierte durch eingeprägte Ströme dargestellt. Die Berechnung solcher Systeme ist aus der Elektrotechnik gut bekannt.The calculations are time-dependent, because the intensity distribution changes over time. The exact calculation of the temperatures in real time is usually not possible because the computing effort is too great. To simplify the model, e.g. B. the optical geometry can be assumed to be one-dimensional by suitable transformations. The heat conduction can be modeled, for example, in the form of a discrete heat equivalent circuit, as shown in Figure 5. The heat capacities are represented in the form of capacitors, the thermal resistances or thermal conductivity by resistors and the absorbed by impressed currents. The calculation of such systems is well known from electrical engineering.

Aus diesem Modell ergibt sich dann der Temperaturverlauf über der Optik. Mit dem bekannten Verlauf der optischen Eigenschaften mit der Temperatur wird dann die Veränderung der Strahleigenschaften und die notwendige Korrektur durch die adaptive Optik berechnet.The temperature curve over the optics then results from this model. With then the known course of the optical properties with the temperature the change in the beam properties and the necessary correction by the adaptive optics calculated.

Bei vielen Laserstrahlquellen ändern sich wichtige Strahleigenschaften, wie Modenordnung bzw. Strahlqualität und Divergenz, mit der Strahlleistung. Für eine optimale Kompensation ist es sinnvoll, bei der Berechnung der Korrekturparameter der adaptiven Optik, diese Veränderungen mit in die Berechnungen aufzunehmen. Die Strahleigenschaften können durch Messung bestimmt werden. Da die Änderungen der Strahleigenschaften reproduzierbar sind, ist es ebenfalls möglich, die Änderungen einmalig in Form einer Tabelle in das Rechenwerk einzugeben und damit auf eine fortlaufende Messung zu verzichten.With many laser beam sources, important beam properties change, such as Mode order or beam quality and divergence, with the beam power. For one optimal compensation, it makes sense when calculating the correction parameters adaptive optics to include these changes in the calculations. The beam properties can be determined by measurement. Since the Changes in the beam properties are reproducible, it is also possible enter the changes once in the form of a table in the arithmetic unit and to dispense with a continuous measurement.

In vielen Fällen zeigt sich, daß die thermisch induzierte Veränderung der Optik in guter Näherung mit dem Einfügen einer dünnen Linse in den Strahlengang beschrieben werden kann, die die Divergenz des Strahles verändert. Zur Stabilisierung des Strahldurchmessers während der Propagation muß diese Divergenzänderung kompensiert werden.In many cases it can be seen that the thermally induced change in the optics in a good approximation with the insertion of a thin lens into the beam path can be described, which changes the divergence of the beam. For The beam diameter must be stabilized during propagation Divergence change can be compensated.

In Bild 6 ist der schematische Aufbau eines Gesamtsystems dargestellt. Wichtige Parameter des Laserstrahls, z. B. Laserleistung, Intensitätsverteilung und Durchmesser, werden mit Hilfe geeigneter Meßwertumformer 10 aufgenommen. Weitere Betriebsparameter werden direkt in der Laserstrahlquelle gemessen, z. B. Pumpleistung des laseraktiven Mediums. Die gesamten Meßwerte der Meßwertumformer in 10 und 1 werden in dem Rechenwerk 11 entsprechend des vorgegebenen thermischen Modells des Lasers verarbeitet und liefert die Stellgrößen für die adaptive Optik 5. Bei Bedarf können die Eigenschaften des Laserstrahls mit dem Meßumformer 12 kontrolliert werden. Durch die Kontrolle ist es möglich, die Modellparameter an die beispielweise alterungsbedingten Änderungen des Lasers und der adaptiven Optik anzupassen. Figure 6 shows the schematic structure of an overall system. Important parameters of the laser beam, e.g. B. laser power, intensity distribution and diameter are recorded using suitable transducers 10 . Additional operating parameters are measured directly in the laser beam source, e.g. B. Pumping power of the laser-active medium. The entire measured values of the transducers in FIGS. 10 and 1 are processed in the arithmetic unit 11 in accordance with the predefined thermal model of the laser and supplies the manipulated variables for the adaptive optics 5 . If necessary, the properties of the laser beam can be checked with the transmitter 12 . The control makes it possible to adapt the model parameters to, for example, age-related changes in the laser and the adaptive optics.

Adaptive OptikAdaptive optics

Beim Einsatz eines Teleskopes kann die Divergenzänderung auf einfache Weise kompensiert werden. Bei korrekter Einstellung des Teleskops liegen die Brennpunkte der beiden Optiken 6 und 7 im gleichen Punkt (Bild 7a). Bei einer Divergenzänderung des eintreffenden Strahles verschiebt sich der Brennpunkt der eintrittsseitigen Optik 6, so daß die beiden Brennpunkte der Optiken nicht mehr aufeinander liegen. Der auslaufende Strahl konvergiert oder divergiert. Durch die Eigenerwärmung der Optiken 6 und 7 wird die Divergenzänderung weiter verstärkt, so daß sich die Brennpunkte noch weiter voneinander entfernen (Bild 7b). When using a telescope, the change in divergence can be compensated in a simple manner. If the telescope is set correctly, the focal points of the two optics 6 and 7 are in the same point ( Figure 7a). When the divergence of the incoming beam changes, the focal point of the optics 6 on the entrance side shifts so that the two focal points of the optics no longer lie on top of one another. The outgoing beam converges or diverges. Due to the self-heating of optics 6 and 7 , the change in divergence is further amplified, so that the focal points move further apart ( Figure 7b).

Damit sich das Teleskop adaptiv den Veränderungen in den Positionen der Brennflecke anpassen kann, muß der Abstand der Linsen 6 und 7 dynamisch nachgeregelt werden. Da die Messung der Brennpunktpositionen nicht online möglich ist, müssen diese Positionen indirekt aus dem in dem vorherigen Kapitel beschrieben thermischen Modell berechnet werden (Bild 7c).So that the telescope can adaptively adapt to the changes in the positions of the focal spots, the distance between the lenses 6 and 7 must be dynamically adjusted. Since it is not possible to measure the focus positions online, these positions must be calculated indirectly from the thermal model described in the previous chapter ( Fig. 7c).

Claims (9)

1. Verfahren zur Kompensation der thermisch induzierten Veränderungen eines zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch induzierten Veränderungen der transmissiven optischen Komponenten mit einem geeignetem Wärmeersatzschaltbild in Abhängigkeit der Zeit und der Strahlcharakteristik in einem Rechenwerk simuliert werden und die Ergebnisse des Modells die Korrekturparameter für eine adaptive Optik liefern.1. A method for compensating for the thermally induced changes in a laser beam used for material processing, characterized in that the thermally induced changes in the transmissive optical components are simulated with a suitable heat substitute circuit as a function of time and the beam characteristic in a computer and the results of the model are the correction parameters deliver for adaptive optics. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Strahlcharakteristik in Abhängigkeit der Laserleistung gemessen und als variable Eingangsgröße in das Modell eingehen.2. The method according to claim 1, characterized in that the changes the beam characteristics measured as a function of laser power and as variable input variable in the model. 3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Strahlcharakteristik in Abhängigkeit der Laserleistung dem Modell als Parameterfeld vorgegeben wird.3 The method according to claim 1, characterized in that the changes the beam characteristic as a function of the laser power Parameter field is specified. 4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameter des Modells durch die Messung der Strahleigenschaften kontrolliert und optimiert werden.4. The method according to claim 1, characterized in that the control parameters of the model is controlled by measuring the beam properties and be optimized. 5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium als optische Komponente in die Kompensation mit einbezogen wird.5. The method according to claim 1, characterized in that the laser active Medium is included as an optical component in the compensation. 6. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Veränderungen der Modellparameter auf den Alterungszustand der modellierten Optiken geschlossen wird.6. The method according to claim 1 and 4, characterized in that from the Changes in the model parameters to the aging state of the modeled Optics is closed. 7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den thermischen Zustand der optischen Systems beeinflussenden Parameter mit einer Meßeinrichtung erfaßt werden, daß die thermische Veränderung der optischen Komponenten in einem Rechenwerk simuliert und eine adaptive Optik entsprechend den berechneten Ergebnissen eingestellt wird.7. Device for performing the method according to claim 1, characterized characterized that the the thermal state of the optical system influencing parameters can be detected with a measuring device that the thermal change of the optical components in an arithmetic unit simulated and an adaptive optics according to the calculated results is set. 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als adaptive Optik ein Teleskop eingesetzt wird, bei dem als Stellgröße der Abstand der Optiken verändert wird.8. The method according to claim 7, characterized in that as adaptive optics a telescope is used in which the distance between the optics is used as the control variable is changed. 9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung nicht durch Messung bestimmt, sondern aus der Sollgröße der Strahlleistung des Lasers ermittelt wird.9. The method according to claim 7, characterized in that the laser power not determined by measurement, but from the target size of the beam power of the laser is determined.
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