DE8227494U1 - Vorrichtung zur messung der intensitaet eines laserstrahls - Google Patents

Description

Beschreibung

Die Neuerung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Laserstrahls, mit einer einen Laserstrahl aussendenden Quelle, einem im Strahlengang des Laserstrahls zumindest einen Teil des Querschnitts des Laserstrahls erfassenden Reflektor, wobei der Reflektor an einem Reflektorträger angeordnet ist, und einer im Bereich der reflektierten Strahlen angeordneten Strahlen-Meßeinrichtung.

Bei der Anwendung von Laserstrahlen, insbesondere von solchen mit großer Leistung, beim Bearbeiten von Materialien, z.B. Schneiden, Schweißen und Oberflächenbehandlung, sind solche Werte wie die Intensitätsverteilung des Strahls und seine Größe am Ort der Wechselwirkung mit dem Material wichtige Parameter. Solche Parameter werden benötigt, wenn bspw. eine qualitative Überprüfung des bearbeiteten Probestücks durchgeführt werden soll.

Bekannte Meß-Vorrichtungen verwenden z.B. Metallfolien, Platten aus Asbest oder Karton, auf die der Laserstrahl gerichtet wird. Das so erzeugte Loch gibt aber nur die Stelle einer einzigen Isotherme im behandelten Material an. Diese bekannten Meßvorrichtungen sind zwar sehr einfach, aber auch sehr ungenau, zumal die Stelle dieser Isotherme

noch von beziehungslosen veränderlichen Größen wie der Laserleistung, der Einstrahlzeit, der Dicke des verwendeten Materials, der Reflektivität der Oberfläche usw. abhängt.

Anordnungen, die mehrere Isothermen messen, und die dabei photographische Techniken anwenden, sind ebenfalls bekannt. Es treten hier jedoch Probleme auf, die mit der Definition des Strahldurchmessers zusammenhängen, insbesondere bei nicht-gaußschen Verteilungen.

Es sind auch Vorrichtungen bekannt, bei denen mit Hilfe einer (Schwing-)Blende Aus- oder Abschnitte des Laserstrahls in den Meßdetektor gelenkt wurden. Deren Schlitz muß einerseits hinreichend breit sein, um genügend Energie durchzulassen um den Meßdetektor anzutreiben, aber hinreichend eng, um eine angemessene Auflösung zu erzielen. Das führt zu dem Problem, das Signal auseinanderzuziehen, um eine Energie-Verteilung zu erhalten.

Es ist auch schon bekannt, eine Nipkow-Scheibe, die eine Folge von kleinen öffnungen durch den Strahl abtastet, das Energie-Profil in verschiedenen Abschnitten fühlen zu lassen. Dadurch werden Probleme der Ausrichtung vermindert.

Bei all den bisher bekannten Anordnungen wird der Strahl von der Meßvorrichtung zum größten Teil absorbiert, eine Messung während der Bearbeitung eines Werkstückes mit dem Laserstrahl ist nicht mehr möglich.

Die Neuerung schafft eine einfache, und damit auch einfach zu bedienende, aber dennoch sehr genaue und empfindliche Vorrichtung der angegebenen Gattung, zur Messung der Intensität eines Laserstrahles.

Dies wird neuerungsgemäß dadurch erreicht, daß der Reflektor mindestens ein stabförmiges Element mit beliebigem Querschnitt ist.

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Die neuerungsgemäße Vorrichtung hat insbesondere folgende Vorteile:

Die örtliche Intensitätsverteilung im Strahl,- über einen gewissen Streifen des Strahles, kann dadurch gemessen werden, daß bei einer bestimmten Größe der Meßeinrichtung nur ein diesem Streifen entsprechender Teil des Strahles die Meßeinrichtung trifft. Ferner kann der nicht durch das stabförmige Element abgeschirmte Teil des Strahles weiter seine Aufgabe, z.B. die Bearbeitung eines Werkstückes, erfüllen. Somit kann also die Intensitätsverteilung im Strahl, die sich z.B. dadurch ändert, daß reflektierte Strahlung vom Werkstück in den Laser gelangt, oder daß der Laser nach längerer Bearbeitung durch thermische Einwirkung seine Intensitätsverteilung ändert, während der Bearbeitung gemessen werden, was z.B. bei der Rückwirkung durch das Werkstück sonst gar nicht möglich wäre. Bei einer Prüfung der Leistungsverteilung im Strahl mit herkömmliehe Mitteln wird nämlich bisher zunächst die Bearbeitung unterbrochen. Dabei kühlt sich der Laser ab und die darauf folgende Messung der Strahlintensität mit den bisherigen langwierigen und umständlichen Methoden ergibt durch die Zeitdauer und damit das Abkühlen des Lasers ein falsches Bild.

Die zeitliche Verteilung kann durch Belassen des stabförmigen Elementes an einem vorgegebenen Ort im Strahlquerschnitt verfolgt werden.
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Die vorliegende Intensitätsmeßvorrichtung arbeitet in einem sehr großen Meßbereich, bspw. herab bis zu 50 Watt/ cm , ein oberer Grenzwert wurde noch nicht aufgefunden,

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wobei ein 50 kW/cm -Laser verwendet wurde. Das Auflösungsvermögen der Anordnung liegt bei ungefähr 0,02 mm Strahlstärke.

Bevorzugt beträgt die Erstreckung des stabförmigen Elementes quer zur Strahlrichtung und senkrecht zur Längserstreckung des stabförmigen Elementes 0,5-50% des Strahldurchmessers. An sich werden z.B. bei einem Stab mit kreisförmigem Querschnitt die Strahlgröße und die Auflösung in der zum Stab und zum Strahl senkrechten Richtung nicht durch den Radius r des Stabes begrenzt, wenn der Abstand der Meßeinrichtung, L, sehr groß gegenüber den sonstigen wesentlichen Größen ist. Ein kleineres stabförmiges EIement hat aber den Vorteil, daß die Messung am Strahl in einem Teilbereich ohne Beeinträchtigung des restlichen Querschnittes durchgeführt werden kann, und somit die Messung auch während des tatsächlichen Arbeitsbetriebes des Lasers durchgeführt werden kann. Es ist erreichbar, daß unter 1% der Leistung des Strahls durch die Messung verlorengeht. ~*

Bevorzugt erstreckt das stabförmige Element sich in einer zur Strahlrichtung im wesentlichen senkrechten Ebene.

Dies hat vor allem bei nicht-parallelen Bündeln den Vorteil, daß die Verhältnisse im jeweils gemessenen Querschnitt des Strahles nicht noch von der sonst unterschiedlichen Lage des stabförmigen Elementes im Strahlverlauf abhängen.

Bevorzugt ist das stabförmige Element als Stab mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß das stabförmige Element sehr einfach herzustellen ist. Bspw. kann ein, vorzugsweise poliertes, Drahtstück verwendet werden. Ferner sind dabei die geometrischen Verhältnisse besonders übersichtlich, wie noch dargelegt werden wird.

Bevorzugt ist der Reflektorträger eine, bevorzugt mit ihrer Fläche in einer zur Strahlrichtung senkrechten

Ebene liegende, drehbare - bevorzugt in dieser Ebene Scheibe, an der das mindestens eine stabförmige Element angebracht ist, wobei zumindest ein Teil seiner Länge den Scheibenrand überragt. Dies hat insbesondere den Vorteil, daß das stabförmige Element auf einfache Weise in den Laserstrahl einbringbar und wieder daraus entfernbar ist. Insbesondere kann das bei einem geeigneten Antrieb für die Scheibe mit hoher Frequenz, bspw. 50/sek. geschehen. Zweckmäßig ist das stabförmige Element radial auf der Scheibe angebracht. Das stabförmige Element kann aus der Ebene der Scheibe heraus geneigt sein, bevorzugt unter 45°.

In einer alternativen bevorzugten Ausführungsform ist am Reflektorträger zumindest ein Ende des stabförmigen Elementes befestigt, und wird der Reflektorträger auf einer Geraden derart geführt, daß das stabförmige Element den Strahl, bei einer Bewegung des Reflektorträgers auf der Geraden, vorzugsweise senkrecht zur Strahlrichtung, schneidet. Mit dieser Lösung ist es zwar schwieriger, hohe Frequenzen des stabförmigen Elementes oder mehrerer stabförmiger Elemente beim Durchgang durch den Strahl zu erreichen. Sie hat jedoch den Vorteil, daß das stabförmige Element während des Durchganges durch den Strahl seine Richtung zum Strahl auch nicht nur geringfügig ändert.

Besonders bevorzugt sind mehrere der stabförmigen Elemente vorgesehen. Dadurch ist es möglich, mehrere Stellen des Laserstrahls gleichzeitia zu messen oder bspw. bei gleicher Drehfrequenz der die Elemente tragenden Scheibe eine entsprechend höhere Meßfrequenz zu erreichen. Dabei können die stabförmigen Elemente bspw. in der Art sich, zumindest in der Projektion auf die Scheibenebene, radial erstreckender Speichen angeordnet sein, vorzugsweise mit konstantem Winkelabstand.

Besonders bevorzugt ist der Reflektorträger parallel zum Laserstrahl verschieblich geführt. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn der Strahl entlang des Strahlenganges an mehreren Stellen untersucht werden soll, und insbe-

5 sondere dann, wenn bspw., wie bevorzugt, eine Linse im Strahlengang angeordnet ist. Dann kann mit Hilfe der Meßvorrichtung bspw. die Dicke des (endlichen) Strahlquerschnitts im Brennpunkt der Linse untersucht werden. Zweckmäßig ist dabei die Meßeinrichtung starr mit dem

10 Reflektorträger verbunden, so daß das Verhältnis stabförmiges Element/Heßeinrichtung unverändert bleibt und sichergestellt ist, daß bei allen Verschiebungen vom Element reflektiertes Licht die Meßeinrichtung trifft.

15 Besonders bevorzugt ist der Reflektorträger zusammen mit der Strahlungs-Meßeinrichtung um den Laserstrahl schwenkbar.

Mit der neuerungsgemäßen Meßvorrichtung wird der zu un-

20 tersuchende Laserstrahl in Streifen über seine ganze

p Breite im Strahlquerschnitt untersucht. Durch Schwenken

I des Reflektorträgers und damit des Stabes kann die Ori-

I entierung dieser Streifen im Strahlquerschnitt geändert

% werden und somit aus den Meßwerten letztendlich ein zwei-

j| 25 dimensionales Profil der Intensitätsverteilung im Laser-

\, strahl gewonnen werden.

[; Besonders bevorzugt sind, bei einem Stab mit kreisförmi-

I gem Querschnitt, bei den Abmessungen die Bedingungen L >> D,

I 30 L» r und L i> W eingehalten, wobei L den Abstand Stab/ p Meßeinrichtung, D den Strahldurchmesser, r den Radius des

|j Stabes und W die Ausdehnung des Detektors senkrecht zur

§ Stabrichtung und senkrecht zum reflektierten Strahl bedeu-

,; ten. Durch die Einhaltung dieser Bedingungen wird insbe-

■.·■· 35 sondere sichergestellt, daß auch bei dickeren Stäben den-

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noch die Auflösung, d.h. die Feinheit der jeweils gemessenen Streifen des Strahlquerschnittes, nicht leidet.

Nachfolgend wird die Neuerung anhand einer besonders bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen, auf die bezüglich der Offenbarung besonders verwiesen wird, noch näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine neuerungsgeiräße Vorrichtung, bei der ein starrer Draht, der eine drehbare Schei

be überragt, als reflektierender Stab verwendet ist;

Fig. 2 eine schematische, die geometrischen Zusammenhänge erläuternde Querschnittsdarstel

lung, in Strahlrichtung und senkrecht zur Staberstreckung geschnitten; und

Fig. 3 ein Beispiel einer mit Hilfe von Messungen mit der neuerungsgemäßen Anordnung erschlos

senen Intensitätsverteilung in einem Laserstrahl.

Ein aus einer (nicht gezeigten) Quelle austretender paralleler Laserstrahl 1 wird durch eine Linse 2 im Brennpunkt der Linse fokussiert. Auf einer durch einen Motor 3 antreibbaren Scheibe 4 ist ein Stab 5 angebracht. Die Drehachse des Motors und der Scheibe ist parallel zur Richtung des Strahles 1 angeordnet. Als Stab dient eine vollkommen gerade, polierte runde Stahlnadel mit 1 mm Radius. Der Stab 5 ist radial auf der Scheibe 4 angebracht und überragt die Scheibe um 40 mm. Motor 3 und Scheibe 4 sind parallel zum Strahl 1 verschieblich (nicht gezeigt) und im vorliegenden Falle so angeordnet, daß der Stab den Strahl im Brennpunkt der Linse 2 schneidet. Der vom Stab

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5 in die Richtung des geeignet angeordneten Meßinstrumentes 7 reflektierte Strahlanteil 6 wird vom Meßinstrument ausgewertet und die entsprechenden elektrischen Impulse werden über eine Verbindungsleitung 8 ggfs. über einen Breitbandverstärker an ein Anzeige- und/oder Aufzeichnungsgerät (z.B. Speicheroszillograph) (nicht gezeigt) gegeben. Somit kann während der Bearbeitung der Verlauf der Intensität im Laserstrahl ständig neben der Bearbeitungsstation auf einem Oszillographen kontrolliert werden. Die vom Oszillographen aufgezeichnete Kurve der Intensitätsverteilung kann in einem Kleinrechner gespeichert werden. Bspw. kann jegliche Abweichung der Intensitätsverteilung um 10% von der einmal gespeicherten Kurve durch ein automatisches Anzeigegerät gemeldet werden. Dadurch ist eine ausgezeichnete Qualitätssicherung bei der Materialbearbeitung zu erreichen. Das Meßinstrument 7 befindet sich in einer senkrecht zur Scheibe 4 liegenden, den Strahl 1 enthaltenden Ebene. Die Meßfläche blickt auf die Schnittstelle von Strahl und Stab, im vorliegenden Fall unter 120° zur Strahlrichtung.

Der nicht vom Stab 5 reflektierte und damit abgelenkte Anteil des Strahles 1 gelangt zu einer Strahlungssenke 9 und wird dort im rein experimentellen Fall entweder weiter ausgewertet oder vernichtet. Sonst ist 9 bspw. das zu bearbeitende Werkstück.

Das Meßinstrument 7 ist nach einmaliger Justierung der Anordnung fest mit dem Motor 3 und damit der Scheibe 4 und dem Stab 5 verbunden und wird ggfs. mit diesen verschoben. Im bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt der Abstand L der Meßeinrichtung 7 vom Strahl 60 mm, der Winkel der Normale

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auf der Meßeinrichtung zur Strahlrichtung 120°, die Erstreckung der Meßeinrichtung in Richtung senkrecht zur Staberstreckung, W (s. Fig. 2) 5 mm, die gleich der Breite des Meßeinrichtungsfensters, B, ist. Mit diesen Abmessungen und einem Radius des Drahtes r = 1 mm ist eine Auflösung, bspw. bei der Messung der Strahlausdehnung am Brennpunkt, von 0,02 mm möglich.

Die Gesamtanordnung aus Motor 3, Scheibe 4, Stab 5 und Meßeinrichtung 7 ist um die Strahlmitte als Achse schwenkbar (nicht gezeigt).

Die Linse 2 in Fig. 1 ist nicht unbedingter Bestandteil der Meßanordnung. Die Anordnung kann ebenso ohne Linse die Intensitätsverteilung vom einfallenden Strahl 1 messen. Die Linse kann ebenso hinter der Meßanordnung angebracht werden um den Strahl nach der Messung auf das Werkstück zwecks Bearbeitung deselben zu fokussieren.

Fig. 2 dient zur näheren Erläuterung der geometrischen Bedingungen und damit der Wirkungsweise der neuerungsgemäßen Anordnung. Das sich drehende, d.h. in Richtung des Pfeiles A geschwenkte, Drahtstück weist einen Radius r auf, der vom Mittelpunkt 0 bis zum Schnittpunkt S des Stabes 5 mit der in Fig. 2 oberen Kante des Parallelstrahls 1 gezeichnet ist. Der Durchmesser des Strahls 1 ist mit D bezeichnet. Es sei angemerkt, daß der Querschnitt des Stabes 5 aus Gründen der Klarheit hier nicht schraffiert gezeichnet wurde.

Bei der aus Fig. 2 ersichtlichen Anordnung wird nun der Teil des reflektierten Strahles 6, der einen konstanten Winkel θ (60° im Ausführungsbeispiel) zum Radius r = OS

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hat, von der Meßeinrichtung 7 gefühlt. Die Auflösung wird aber durch den Abweichungswinkel 2 Θ, der die Weite W der wirksamen Detektorfläche einschließt, begrenzt. Dies wird wie folgt abgeschätzt:

χ = r.sin θ

woraus sich rein mathematisch ergibt

de 1

10

dx r · cos θ

und somit

/x = r · cos θ / θ

:j wegen L^W ergibt sich

Ι /θ = W/2L

und somit

W-r /x = · cos Θ.

Wenn B die Breite des Detektorfensters ist, ist das

Ausgangssignal, wenn sich der Stab an der Stelle χ befindet der durchschnittlichen Strahlleistung über eine Fläche, die durch B · /x gegeben ist, proportional. Es ergibt sich mit den schon angegebenen Werten ein Wert /x = 0,02 mm.

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Fig. 3 zeigt das Querschnittsprofil der Intensität eines Laserstrahles an einem Punkt nach einer Linse, wo der Strahl einen Durchmesser von 2 mm hat. Dabei ist ein mögliches Muster angegeben, das die nicht gezeigte Intensitätsverteilung bei einem Durchgang des Stabes in einer Richtung bewirkt haben könnte. Die dunklen, mit H bezeichneten Stellen sind Punkte großer Intensität, die hellen, mit N bezeichneten Bereiche sind niedriger Intensität.

Eine typische Rotationsgeschwindigkeit für die Scheibe ist 50/s, ein typischer Abstand des Schnittbereiches des Strahls mit dem Stab vom Drehpunkt der Scheibe ist 65 mm, die zeitliche Auflösung reicht bis 1 ns.

Claims (10)

Schutzansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Laserstrahls, mit

einer einen Laserstrahl (1) aussendenden Quelle, einem im Strahlengang des Laserstrahls zumindest einen Teil des Querschnitts des Laserstrahls erfassenden Reflektor (5) , wobei der Reflektor an einem Reflektorträger (4) angeordnet ist, und einer im Bereich der reflektierten Strahlen (6) angeordneten Strahlungs-Meßeinrichtung (7), dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor mindestens ein stabförmiges Element (5) mit beliebigem Querschnitt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erstreckung des stabförmigen Elementes (5) quer zur Strahlrichtung und senkrecht zur Längser-

Streckung des stabförmigen Elements zwischen 0,5-50% des Strahldurchmessers beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Element sich in einer zur Strahlrichtung im wesentlichen senkrechten Ebene erstreckt -

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das stabförmige Element als Stab (5) mit kreisförmigem Querschnitt ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorträger eine, bevorzugt mit ihrer Fläche in einer zur Strahlrichtung senkrechten Ebene liegende, drehbare - bevorzugt in dieser Ebene - Scheibe (4) ist, an der das mindestens eine stabförmige Element (5) angebracht ist, wobei zumindest ein Teil seiner (5) Länge den Scheibenrand überragt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß am Reflektorträger zumindest ein Ende des stabförmigen Elementes befestigt ist und der Reflektorträger auf einer Geraden derart geführt wird, daß das stabförmige Element den Strahl, bei einer Bewegung des Reflektorträgers auf der Geraden, vorzugsweise senkrecht zur Strahlrichtung, schneidet.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere der stabförmigen Elemente vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,

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dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorträger (4) parallel zum Laserstrahl verschieblich geführt ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektorträger (4) zusammen mit der Strahlungs-Meßeinrichtung (7) um den Laserstrahl (1) schwenkbar ist.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingungen eingehalten sind:

L » D, LJfc· r und L » W wobei L den Abstand Stab/Meßeinrichtung D den Strahldurchmesser
r den Stabhalbmesser

und W die Ausdehnung der Meßeinrichtung senkrecht zur Stabrichtung bedeuten.