EP3426429A1 - Verfahren zum bestimmen der lage des fokus einer laserstrahlanordnung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks mit laserstrahlung - Google Patents

Verfahren zum bestimmen der lage des fokus einer laserstrahlanordnung und verfahren zum bearbeiten eines werkstücks mit laserstrahlung

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Publication number
EP3426429A1
EP3426429A1 EP17704695.0A EP17704695A EP3426429A1 EP 3426429 A1 EP3426429 A1 EP 3426429A1 EP 17704695 A EP17704695 A EP 17704695A EP 3426429 A1 EP3426429 A1 EP 3426429A1
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EP
European Patent Office
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laser beam
reference surface
diffuse reflection
focus
intensity
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP17704695.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andreas Ganser
Peter FAGERER
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Muenchen
Original Assignee
Technische Universitaet Muenchen
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Muenchen filed Critical Technische Universitaet Muenchen
Publication of EP3426429A1 publication Critical patent/EP3426429A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/02—Positioning or observing the workpiece, e.g. with respect to the point of impact; Aligning, aiming or focusing the laser beam
    • B23K26/04—Automatically aligning, aiming or focusing the laser beam, e.g. using the back-scattered light
    • B23K26/046—Automatically focusing the laser beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • B23K26/36—Removing material
    • B23K26/38—Removing material by boring or cutting

Definitions

  • the present invention relates to a method for determining the position of the focus of a laser beam arrangement and to a method for processing a workpiece with laser radiation.
  • the application of laser radiation when machining workpieces of different materials is increasingly used in various fields of technology, both in the production and in
  • Beam profile identification allow to determine the position of the focus of a laser beam with respect to a material surface.
  • a disadvantage of conventional approaches is, inter alia, the comparatively high outlay on equipment for determining the focus and the comparatively high time required, which is known in the art
  • the invention is based on the object to provide methods for determining the position of the focus of a laser beam assembly and method for machining a workpiece by means of laser radiation, in which with particularly simple means, but nevertheless in a reliable manner the position of Focus of a used laser beam arrangement with respect to a
  • Reference surface can be determined.
  • the object underlying the invention is in a method for determining the position of the focus of a laser beam assembly according to the invention with the features of independent claim 1 and alternatively with the features of independent claim 4 and in a method for processing a workpiece with laser radiation according to the invention with the features of independent claim 13 solved.
  • a method of determining the position of the focus of a laser beam array with respect to a reference surface comprising the steps of: (A) irradiating a laser beam on the reference surface by means of the laser beam array; and (B) measuring intensity based on Laser beam from the reference surface generated direct and / or diffuse reflection light. In doing so, (C) steps (A) and (B) are repeated for a plurality of different fixed effective distances between the reference surface and the laser beam arrangement.
  • the core idea of the present invention according to the first aspect is therefore the detection of reflection light from the reference surface, whether this is due to direct reflection or diffuse reflection or scattering, when sweeping the laser beam with respect to a higher reflective surface area which is a low direct reflective structure formed with higher diffuse reflection.
  • Scanning the laser beam over the surface area and the structure formed therein or correspondingly interpolated values give indications of the actual focal distance of the laser beam arrangement with respect to the reference area.
  • reflection light from a direct reflection and reflection light from a diffuse reflection, which in this case can also be referred to as scattered light.
  • the method according to the invention provides that the intensity of direct reflection light is measured and that an effective distance between the reference surface and the laser beam arrangement is determined as the focal distance representative of the position of the focus for which the measured or an interpolated intensity of the direct reflection light is minimal.
  • the laser beam arrangement can optionally be operated at reduced power to an unintentional in determining the focus distance
  • Training the method of the invention may be provided that the intensity of diffuse reflection light is measured and that an effective distance between the reference surface and the laser beam array is determined as representative of the position of focus focus distance for which the measured or an interpolated intensity of the diffuse reflection light is maximum.
  • Laser beam arrangement are proposed with respect to a reference surface, in which it does not depend on such a structure.
  • This alternative comprises the steps of: (A) irradiating a laser beam on the reference surface by means of the laser beam arrangement; and (B-2) measuring the intensity of diffuse reflection light generated by the reference surface due to the laser beam.
  • An effective distance between the reference surface and the laser beam arrangement is determined (D-2) as the focus distance representative of the position of the focus, for which the measured or an interpolated intensity of the diffuse reflection light is maximal.
  • the dimensions of the vapor capillary By changing the focus position with respect to the workpiece and thus with respect to the reference surface, the dimensions of the vapor capillary, eg diameter and depth, change. This results in a change of the ratio the power absorbed in the vapor capillary to the power reflected in the area adjacent to the vapor capillary. This changes the proportion of direct and diffuse reflection.
  • the intensity of diffusely reflected light that is to say of scattered light, becomes maximum there.
  • the characteristic scattered radiation can depend on the process regime and the surface condition. For example, with a slight roughness of the metal, it is possible to assume a normal distribution for the diffuse reflection in the case of reflection on a solid phase
  • the second concept works without the provision and coating of an intensely diffusely reflecting or scattering structure on the reference surface. Measuring diffuse reflection light at various effective distances is sufficient.
  • the laser beam arrangement and the reference surface are moved relative to one another during each passage of steps (A) and (B) such that the laser beam has a surface area of the reference surface with higher direct reflection and less diffuse reflection and thereby completely covers a structure formed in its interior with higher diffuse reflection and less direct reflection.
  • the term direct reflected light can also be described by the terms directly reflected light, direct reflection beam, directly reflected beam.
  • diffuse reflection light and scattered light can be described by the terms diffuse reflected light, diffuse reflection ray, diffusely reflected ray, scattered ray.
  • a particularly high degree of comparability and reproducibility in the steps of irradiating the laser beam and measuring the intensity result when, according to an advantageous development, the steps (A) and (B) at a respective fixed geometry between the reference surface, the laser beam assembly and a Measuring unit to be executed.
  • the method according to the invention is particularly advantageous when the material surface which is associated with the reference surface is not changed by the laser beam used in the determination of the focal position.
  • Power density which is tuned to a reference surface underlying substrate and does not lead to its melting.
  • inventive method also aspects of forming the
  • the surface region of the reference surface is formed with higher direct reflection and less diffuse reflection as a highly reflective material layer or is provided, in particular as
  • Metal foil preferably with or made of copper, and / or in the manner of a dichroic mirror.
  • Laser radiation and / or ion beam treatment is or will be formed.
  • the method according to the invention is particularly advantageous in connection with the structure to be swept by the laser beam when the structure with higher diffuse reflection and less direct reflection of the interior of the surface area has a linear extent swept by the laser beam which does not exceed the diameter of the laser beam in focus ,
  • a method of processing a workpiece with laser radiation is provided.
  • the method for processing the workpiece with laser radiation is according to the invention characterized in that before and / or during a machining operation based on the method
  • Reference surface with a method according to the invention for determining the position of the focus of the laser beam assembly with respect to the reference surface is used to align the laser beam array used with respect to the surface of the workpiece as a reference surface.
  • FIG. 1 is a schematic side view of an arrangement which, in one embodiment of the method according to the invention for determining the position of the focus of a
  • Laser beam arrangement can be used.
  • FIGS 2 and 3 are schematic side views, the aspects of another
  • FIGS. 4 to 6 show different aspects in the form of graphs
  • a surface area of the reference area is completely swept over, thereby detecting a structure which is smaller in comparison to the rest of the reference area
  • FIG. 1 shows a schematic side view of an arrangement which, inter alia, can be used as a basis for the second concept.
  • the reference surface 55 in question is formed by the upper side 51 of a workpiece 50 to be machined, which incidentally also has a lower side 52.
  • the reference surface 55 is in the example shown in Figure 1, a planar surface parallel to the xy plane.
  • the workpiece 50 extends in its thickness in the z-direction.
  • a laser beam assembly 10 is positioned above the reference surface 55.
  • This consists of a laser device 1 1, which is also referred to as laser for short and generates a primary beam 12, and a laser exit optics 13, which the primary beam 12 in a secondary beam 14 converted into optically processed form and irradiated onto the reference surface 55.
  • the secondary beam 14 can also be referred to below as an incident laser beam or as an incident beam.
  • the laser exit optics 13 is located at an effective distance 15-1 from the reference surface 55 and the impact point 53 of the same
  • the effective distance 15-1 which is also referred to below as d, describes the length of the light path of the
  • This effective distance 15-1 is ideally identical to the focal distance or effective focal distance 18 of the laser exit optics 13, which is also referred to as dfocus, because only in this case, the maximum power density at the point of impact 53 on the reference surface 55 for machining the workpiece 50 is incident.
  • the beam 14 is widened with respect to the diameter 43 of the beam 14 in the focus 19 and therefore has a lower power density than in the focused case.
  • the laser beam 14 impinges on the reference surface 55 at the point of incidence 53 at an angle of incidence 31 relative to the reference surface 55 relative to the reference surface 55.
  • interaction with the top 51 of the workpiece 50 as the reference surface 55 is generally a certain proportion of
  • the directly reflected light 16 with a reflection angle 32 identical to the angle of incidence 31 can be measured at a second measuring position 42 here by means of a second detector 22 of the measuring unit 20.
  • a second detector 22 of the measuring unit 20 it is disadvantageous that an increased apparatus Expenditure is necessary to ensure the equality of the reflection angle 32 with the angle of incidence 31.
  • the incident laser beam 14, the solder 30 at the point of impingement 53 and the directly reflected light beam 16 must lie in one plane.
  • the detection of the diffuse reflection light or scattered light 17 is decisive, which with respect to the incident laser beam 14 at any but fixed scattering angle 33 as detection angle with diffuse reflection or scattering by means of a first detector 21 can be detected at a first measuring position 41 of the measuring unit 20.
  • the scattered light 17 can also be described by the terms diffuse reflection beam or scattered beam.
  • Detection of the scattered light 17 is comparatively low. It only needs to be ensured that the angles 31 and 33 are constant, they do not have to be identical.
  • Distance 15-1 which describes the length of the light path from the laser exit optics 13 to the impact point 53.
  • Laser exit optics 13 of the reference surface 55 simply the effective distance 15-1 between the laser exit optics 13 and reference surface 55 gradually changed, preferably in a distance range of the effective focal distance 18 includes.
  • the intensity of the diffusely reflected light or scattered light 17 is a function of the size of the effective distance 15-1. If the focal point or focus 19 lies directly on the reference surface 55, in this case If the value of the effective distance 15-1 corresponds to the value of the effective focal distance 18, then the intensity of the diffusely reflected or scattered light 17 in the first detector 21 at the first measuring position 41 is maximal compared with all other measured intensities of stray light 17.
  • the track 74 schematically shows the profile of the measured relative intensity l / lmax as a function of the effective distance 15-1, d of the laser exit optics 13 from the reference surface 55 when the directly reflected light 16 is evaluated at the second measuring position 42 by the second detector 22.
  • the profile of the measured relative intensity l / lmax as a function of the effective distance 15-1, d of the laser exit optics 13 from the reference surface 55 when the directly reflected light 16 is evaluated at the second measuring position 42 by the second detector 22.
  • the formation of the vapor capillary can be detected by measuring the direct or the diffuse reflection and is therefore not necessarily associated with an additional expenditure on equipment.
  • the measuring process is thus based on the complete sweeping of the laser beam 14 with respect to a surface region 56, wherein in the surface region 56 in the interior of which a structure 57 is arranged with reduced direct reflection and increased diffuse reflection compared to the surface region 56.
  • FIGS. 2 and 3 two intermediate states are shown which are adopted in one embodiment of the method according to the first concept.
  • the incident laser beam 14 occurs at a point 53 of the upper side 51 of the workpiece 50 as the reference surface 55, which essentially lies in the surface region 56 but has no separate structure.
  • the surface area 56 has a high direct reflection and a comparatively low diffuse reflection.
  • Significant proportions of the laser beam 14 with the diameter 43 in the region of the focus 19 are reflected directly, as was explained in detail in connection with Figure 1.
  • the directly reflected beam 16 can be detected at the second measuring position 42 with the second detector 22.
  • the upper side 51 as a reference surface 55 is still formed in the surface region 56 with a surface structure 57.
  • Beam diameter 43 in focus 19 is located.
  • the surface structure 57 has a reduced direct reflection compared to the remainder of the surface region 56, but increased diffuse reflection or an increased
  • the reduced direct reflection light 16 is not explicitly shown.
  • the trace 83 of the graph 80 from FIG. 5 shows the profile of the intensity of the diffusely scattered light 17 as a function of the effective distance 15-1 between the laser beam arrangement 10 and its laser exit optics 13 with respect to the impact point 53 on the upper side 51 of the workpiece 50 as a reference surface 55th
  • the laser beam 14 covers the surface structure 57 at its incidence substantially with its beam width 43 under the given angular ratios in the width 44. Under these circumstances, the laser beam 14 does not hit the surrounding highly reflective portion of the further surface area 56, so that the intensity of the direct reflection light 16 is minimal.
  • the beam 14 is quasi-locally expanded and thus not only the surface structure 57 met with minimal direct reflection and maximum diffuse reflection, but also adjacent highly reflective areas, so that the intensity of the direct reflection light 16 - starting from the minimum - increases.
  • the graphs 70 and 80 of FIGS. 4 and 5 represent traces of the normalized intensity in the tracks 73, 74, 83, 84 as a function of the normalized distance of the laser beam arrangement 10 from the impact point 53 on the upper side 51 as the reference surface 55.
  • the effective distance 15-1 or d in relation to the focal distance 18 or dfocus are shown on the abscissas 71 and 81.
  • the intensity I is in each case set in relation to maximum intensity Imax directly reflected light 16 under optimal conditions.
  • the courses 73 and 83 show the dependence of diffusely scattered light 17 with respect to highly reflective portions of the surface area 56 or when sweeping the surface structure 57 with a high proportion of diffuse reflection.
  • the guidelines 75 and 85 facilitate the detection of the extrema of the
  • FIG. 6 shows a graph 60 in which, on the abscissa 61 in FIG.
  • Reference surface 55 is applied.
  • the intensity I of the direct reflection light 16 at the second measuring position 42 is plotted on the ordinate 62-similar to the curve 84 from FIG. 5.
  • FIG. 6 clarifies that it is often not possible to deduce the focus distance 18 directly from individual measuring points 63, but rather requires representation by means of an interpolation curve 64, and then with the abscissa auxiliary line 66 and ordinate auxiliary line 67 and tangent construction an interpolated value 65 as the effective focal distance 18 to be determined with a value between 310 mm and 31 1 mm.
  • Joining processes by means of laser radiation are particularly characterized by a local energy input into the workpiece. This is possible because the laser beam on very small beam diameter with very large
  • Intensities can be focused. Due to the beam causticity of a laser beam, an exact positioning of the welding optics to the workpiece and its surface must be carried out for focusing. Even small changes in the working distance, ie the distance between the optics and the workpiece, can significantly influence the intensity of the laser radiation on the workpiece. If a welding process is set up on the basis of laser radiation, the ideal working distance must hitherto be achieved
  • welding tests are determined.
  • the focus position may shift due to heating of the optics.
  • the calibration of the focus position is particularly complicated in conventional scanner optics, with the help of which the beam can be deflected by mirrors and moved over a surface. In this case, welding tests must be carried out over the entire surface so that the focal position for each location can be iteratively determined.
  • measuring devices are also used, which are e.g. a mechanical scanning diagnostic system for the analysis of continuous laser radiation. Although such a measuring device can be used to determine the exact distance of the focus position from the optics. However, this procedure requires considerable equipment and metrological effort.
  • the aim of the invention is to provide a method with which the focus position in the laser processing of a workpiece 50 can be determined based on the reflections and possibly also during the process. If the laser beam hits the workpiece defocused, the power of the directly or diffusely back-reflecting radiation changes, as is schematically illustrated in FIGS. 1 to 3.
  • the focus position can be determined by measuring the direct and / or diffuse reflection-possibly by scanning or sweeping over a structure that is more diffusely reflecting or scattering with respect to the environment. This is inventively from a
  • a structuring 57 is applied, which in particular less direct and comparatively more diffuse reflects or scatters.
  • Structuring 57 passes over, can on the beam diameter 43 and thus be deduced to the ideal working distance, since the intensity distribution of the reflections through the structuring 57
  • both macro- and nanostructures are suitable.
  • the intensity of the laser radiation is chosen in particular so that there is no melting of the workpiece surface 51.
  • the width 44 of the structuring 57 which is also denoted dStruktur, is chosen in particular so that it is smaller or equal to the diameter 43, the beam 14 in the focus 19, which is also denoted by d-beam.
  • Beam diameter larger than the structure 57 is wide. As a result, part of the beam 14 strikes the non-structured and higher or highly reflective region 56 of the workpiece 50 and is therefore also reflected directly.
  • the intensity of the direct reflection 16 at the second measuring position 42 is therefore minimal when the laser beam 14 impinges on the workpiece 50 with the minimum beam diameter 43.
  • a maximum of the diffuse reflection results with a minimum beam diameter 43.
  • the measuring body For simple and inexpensive production of the measuring body, e.g. with or from a structured, highly reflective material, is suitable inter alia copper on which by means of a commercially available pulsed laser beam source, e.g. With a labeling laser, a structure can be applied.
  • a pulsed laser beam source e.g. With a labeling laser, a structure can be applied.
  • the thickness of the measuring body can be adjusted as needed.
  • a copper foil can be structured which, during the setting-up process, acts directly on the workpiece 50 to be welded
  • Highly reflective dichroic mirrors can also be used.
  • FIB Focused Ion Beam
  • the structure 57 are applied to the workpiece 50. With this procedure, very finer structures 57 can be produced.
  • first and second detectors 21, 22 which are operated in the reverse direction in series with a resistor.
  • By illuminating the diodes creates a reverse current, which generates a voltage drop across the resistor.
  • the required measurement technology is therefore very simple and inexpensive.
  • the measurement results shown in FIG. 6 are based on the situation described below:
  • a pulsed laser beam source 1 By means of a pulsed laser beam source 1 1, a 0.3 mm wide structure 57 was applied to a copper sample as a workpiece 57. At a used laser power of 400 W takes place at the used
  • Wavelength of 1060 nm even in focus 19 with beam diameter d beam 300 ⁇ no material processing.
  • a photodiode was selected at the second measuring position 42, as shown in FIGS. 2 and 3, so that the direct reflection 16 was measured.
  • FIG. 6 shows the course of the intensity minima measured for different effective distances 15-1 between optic 13 and workpiece 50.
  • the minimum measured intensity I is plotted in relative units over the effective distance 15-1 or d in mm. From the diagram 60 can be set to an optimal
  • Working distance can be closed in the range between 310 mm and 31 1 mm, since the intensity drop is greatest here.
  • the focus position 19 can be determined in the sense of the focal distance 18 to be approximately 0.4 mm.
  • the necessary test setup can be added as a retrofit kit to existing optics or into the processing optics of the
  • Laser beam assembly can be integrated.
  • the measurement setup includes the detector (s) 21, 22 for measuring the reflection, the measurement technique and the software for evaluating the reflections. Furthermore, test specimens can be continuously provided, which are used as structure 57 in the context of the invention.

Landscapes

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus (19) einer Laserstrahlanordnung (10) in Bezug auf eine Referenzfläche (55) mit den Schritten (A) Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf die Referenzfläche (55) mittels der Laserstrahlanordnung (10), (B) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls (14) von der Referenzfläche (55) erzeugten direkten und/oder diffusen Reflexionslichts (16, 17), wobei (C) die Schritte (A) und (B) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände (15-1) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) wiederholt werden und (D) derjenige effektive Abstand (15-1) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) als für die Lage des Fokus (19) repräsentativer Fokusabstand (15) bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des Reflexionslichts (16, 17) extremal ist, wenn (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung (10) und die Referenzfläche (55) derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl (14) einen Oberflächenbereich (56) der Referenzfläche (55) mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur (57) mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.

Description

Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung und Verfahren zum Bearbeiten eines
Werkstücks mit Laserstrahlung
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung und ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung. Die Anwendung von Laserstrahlung beim Bearbeiten von Werkstücken unterschiedlicher Materialien findet vermehrt Anwendung in verschiedenen Bereichen der Technik, sowohl bei der Herstellung als auch bei
Reparaturverfahren.
Bei der Bearbeitung von Materialoberflächen mittels Laserstrahlung ist die Lage des Fokus des Laserstrahls in Bezug auf die zu bearbeitende Oberfläche des Materials von maßgeblicher Bedeutung. Daher wurden verschiedene
Vorrichtungen und Verfahren entwickelt, die zum Beispiel über die
Strahlprofilidentifikation die Lage des Fokus eines Laserstrahls in Bezug auf eine Materialoberfläche zu bestimmen erlauben. Nachteilig bei herkömmlichen Vorgehensweisen sind jedoch unter anderem der vergleichsweise hohe apparative Aufwand zur Bestimmung des Fokus und der vergleichsweise hohe Zeitbedarf, der bei der Einrichtung bekannter
Messanordnungen benötigt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Verfahren zur Bestimmung der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung sowie Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels Laserstrahlung anzugeben, bei welchen mit besonders einfachen Mitteln, aber dennoch in zuverlässiger Art und Weise die Lage des Fokus einer verwendeten Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine
Referenzfläche bestimmt werden kann.
Die der Erfindung zu Grunde liegende Aufgabe wird bei einem Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie alternativ mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 4 und bei einem Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung erfindungsgemäß mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 13 gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen definiert. Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine Referenzfläche geschaffen mit den Schritten: (A) Einstrahlen eines Laserstrahls auf die Referenzfläche mittels der Laserstrahlanordnung und (B) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls von der Referenzfläche erzeugten direkten und/oder diffusen Reflexionslichts. Dabei werden (C) die Schritte (A) und (B) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung wiederholt. Es wird (D) derjenige effektive Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer effektiver Brennpunktsabstand oder Fokusabstand bestimmt, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des Reflexionslichts extremal ist, also ein Minimum oder ein Maximum annimmt. Erfindungsgemäß werden (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung und die Referenzfläche derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl einen Oberflächenbereich oder -abschnitt der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.
Kernidee der vorliegenden Erfindung gemäß dem ersten Aspekt ist somit das Erfassen von Reflexionslicht von der Referenzfläche, sei dies entstanden aus direkter Reflexion oder aus diffuser Reflexion oder Streuung, beim Überstreichen des Laserstrahls in Bezug auf einen höher reflektiven Oberflächenbereich, in welchem eine geringer direkt reflektive Struktur mit höherer diffuser Reflexion ausgebildet ist.
Beim vollständigen Überstreichen des Laserstrahls in Bezug auf den
Oberflächenbereich und somit beim vollständigen Überstreichen der Struktur mit geringerer direkter Reflexion, aber höherer diffuser Reflexion oder Streuung ergeben sich unterschiedliche Anteile an direktem und an diffusem
Reflexionslicht. Diese Anteile variieren in Abhängigkeit vom Abstand des Fokus der Laserstrahlanordnung vom Auftreffpunkt auf der Referenzfläche. Die Extremalwerte der Intensitäten für die verschiedenen Abstände beim
Überstreichen des Laserstrahls über den Oberflächenbereich und die darin ausgebildete Struktur oder entsprechend interpolierte Werte geben Hinweise auf den tatsächlichen Fokusabstand der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche.
Somit kann erfindungsgemäß allein auf der Grundlage gemessenen direkten und/oder diffusen Reflexionslichts in einfacher Art und Weise und ohne hohen apparativen Aufwand auf die Fokuslage der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche geschlossen werden.
Unterschieden werden kann Reflexionslicht aus einer direkten Reflexion und Reflexionslicht aus einer diffusen Reflexion, welches in diesem Fall auch als Streulicht bezeichnet werden kann.
Entsprechend ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Intensität direkten Reflexionslichts gemessen wird und dass ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des direkten Reflexionslichts minimal ist. In diesem Fall kann die Laserstrahlanordnung ggf. mit verminderter Leistung betrieben werden, um eine beim Bestimmen des Fokusabstandes unbeabsichtigte
Materialbearbeitung an der Referenzfläche zu vermeiden und/oder um eine verwendete Detektoreinrichtung nicht zu beschädigen. Alternativ dazu oder in Kombination damit kann es gemäß einer weiteren
Fortbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen sein, dass die Intensität diffusen Reflexionslichts gemessen wird und dass ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts maximal ist.
Obwohl das erfindungsgemäße Verfahren mit dem Überstreichen eines höher reflektiven Bereichs mit einer weniger reflektiven Struktur in dessen Inneren klar im Fokus steht, kann gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung auch ein Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus einer
Laserstrahlanordnung in Bezug auf eine Referenzfläche vorgeschlagen werden, bei welchem es auf eine derartige Struktur nicht ankommt. Diese Alternative umfasst die Schritte: (A) Einstrahlen eines Laserstrahls auf die Referenzfläche mittels der Laserstrahlanordnung und (B-2) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls von der Referenzfläche erzeugten diffusen Reflexionslichts. Dabei werden (C) die Schritte (A) und (B-2) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände zwischen der Referenzfläche und der
Laserstrahlanordnung wiederholt. Es wird (D-2) ein effektiver Abstand zwischen der Referenzfläche und der Laserstrahlanordnung als für die Lage des Fokus repräsentativer Fokusabstand bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts maximal ist.
Kernidee des alternativen oder zusätzlichen Aspekts der vorliegenden Erfindung ohne diffus reflektierende Struktur auf der Referenzfläche ist also allein das Ausnutzen diffusen Reflexionslichts, welches insbesondere durch Ausbilden einer Dampfkapillare in Abhängigkeit vom Abstand des Fokus von der
Referenzfläche und somit auch in Abhängigkeit von der Strahlaufweitung unterschiedliche Intensitäten als Messgröße liefert.
Durch eine Änderung der Fokuslage in Bezug auf das Werkstück und also in Bezug auf die Referenzfläche, ändern sich die Abmessungen der Dampfkapillare, z.B. Durchmesser und Tiefe. Dadurch erfolgt eine Änderung des Verhältnisses der Leistung, welche in der Dampfkapillare absorbiert wird, zu der Leistung welche in der Fläche neben der Dampfkapillare reflektiert wird. Hierdurch ändert sich der Anteil von direkter und diffuser Reflexion.
Befindet sich der Laserstrahl mit seinem Fokus auf der Oberfläche, also auf der Referenzfläche, so wird dort die Intensität diffus reflektierten Lichts, also von Streulicht, maximal.
Besonders vorteilhaft ist die Auswertung diffusen Streulichts, weil keine bestimmte Winkelbeziehung wie bei der direkten Reflexion eingehalten werden muss. Es ist vollkommen ausreichend, wenn eine feste Winkelrelation zwischen einfallendem Laserstrahl, Referenzfläche und verwendeter Messanordnung aufrecht erhalten wird.
Dabei kann noch beachtet werden, dass die charakteristische Streustrahlung vom Prozessregime abhängen kann und von der Oberflächenbeschaffenheit. Bei geringfügiger Rauheit des Metalls kann zum Beispiel für die diffuse Reflexion, bei Reflexion an fester Phase, von einer Normalverteilung ausgegangen werden
Im Gegensatz zum ersten Konzept der Erfindung kommt das zweite Konzept ohne das Vorsehen und Überstreichen einer verstärkt diffus reflektierenden oder streuenden Struktur auf der Referenzfläche aus. Das Messen von diffusem Reflexionslicht bei verschiedenen effektiven Abständen ist ausreichend.
Die der Erfindung zu Grunde liegenden Aspekte oder Konzepte können miteinander kombiniert werden.
So kann es gemäß einer Fortbildung der erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt vorgesehen sein, dass (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung und die Referenzfläche derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl einen Oberflächenbereich der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht. Vorangehend und nachfolgend kann der Begriff direktes Reflexionslicht auch durch die Begriffe direkt reflektiertes Licht, direkter Reflexionsstrahl, direkt reflektierter Strahl umschrieben werden. Entsprechend können die Begriffe diffuses Reflexionslicht und Streulicht umschrieben werden mit den Begriffen diffus reflektiertes Licht, diffuser Reflexionsstrahl, diffus reflektierter Strahl, Streustrahl.
Ein besonders hohes Maß an Vergleichbarkeit und Reproduzierbarkeit bei den Schritten des Einstrahlens des Laserstrahls und des Messens der Intensität ergeben sich, wenn gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung die Schritte (A) und (B) bei einer jeweils festen Geometrie zwischen der Referenzfläche, der Laserstrahlanordnung und einer Messeinheit ausgeführt werden.
Im Hinblick auf die Auswertung diffusen Reflexionslichts bieten sich vielfältige Möglichkeiten der gegenseitigen Orientierung von Laserstrahl, Referenzfläche und verwendeter Messeinheit an. So ist es grundsätzlich möglich, dass ein beobachteter Strahl diffusen Reflexionslichts nicht in einer gemeinsamen Ebene liegt (i) mit dem einfallenden Laserstrahl und (ii) mit einem den Einfallstrahl schneidenden Lot auf der Referenzfläche.
Besonders vorteilhaft gestaltet sich das erfindungsgemäße Verfahren dann, wenn durch den verwendeten Laserstrahl bei der Bestimmung der Fokuslage die materielle Oberfläche, die mit der Referenzfläche im Zusammenhang steht, nicht verändert wird.
So ist es gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass ein einfallender Laserstrahl im Fokus eine
Leistungsdichte aufweist, die abgestimmt ist auf ein der Referenzfläche zu Grunde liegendes Substrat und nicht zu dessen Aufschmelzen führt.
Im Zusammenhang mit einem Vorgang des Einrichtens kann das
erfindungsgemäße Verfahren auch Aspekte des Ausbildens des
Oberflächenbereichs der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und/oder der Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion beinhalten. Bei einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es deshalb vorgesehen, dass der Oberflächenbereich der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion als hochreflektive Materialschicht ausgebildet ist oder bereitgestellt wird, insbesondere als
Oberflächenschicht eines zu bearbeitenden Werkstücks, in Form einer
Metallfolie, vorzugsweise mit oder aus Kupfer, und/oder nach Art eines dichroitischen Spiegels.
Alternativ oder zusätzlich dazu ist es bei einer anderen vorteilhaften
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen, dass die Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion durch
Strukturierung des Inneren des Oberflächenbereichs der Referenzfläche mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion mittels
Laserstrahlung und/oder lonenstrahlbehandlung ausgebildet ist oder wird.
Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Verfahren im Zusammenhang mit der mit dem Laserstrahl zu überstreichenden Struktur dann, wenn die Struktur mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion des Inneren des Oberflächenbereichs eine vom Laserstrahl überstrichene lineare Ausdehnung aufweist, die den Durchmesser des Laserstrahls im Fokus nicht übersteigt.
In diesem Fall ist beim Überstreichen der Struktur mit geringerer direkter
Reflexion beim Auswerten direkter oder diffuser Reflexion und deren Intensität besonders prägnant und mit besonders geringen Messfehlern verbunden.
Auch wenn im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung häufig von Licht im Sinne von Laserlicht, Reflexionslicht, Streulicht usw. gesprochen wird, sind sämtliche spektralen Bereiche, die einer Laserbehandlung zu Grunde gelegt werden können, denkbar.
So ist es gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens insbesondere vorgesehen, dass Laserstrahlung im sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Bereich eingesetzt wird.
Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks mit Laserstrahlung geschaffen. Das Verfahren zum Bearbeiten des Werkstücks mit Laserstrahlung ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, dass vor und/oder während eines Bearbeitungsvorgangs eine dem Verfahren zu Grunde gelegte
Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks als
Referenzfläche mit einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus der Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Referenzfläche zum Einsatz kommt, um die verwendete Laserstrahlanordnung in Bezug auf die Oberfläche des Werkstücks als Referenzfläche auszurichten.
Kurzbeschreibung der Figuren Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Figur 1 ist eine schematische Seitenansicht einer Anordnung, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus einer
Laserstrahlanordnung zum Einsatz kommen kann.
Figuren 2 und 3 sind schematische Seitenansichten, die Aspekte einer anderen
Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung illustrieren. Figuren 4 bis 6 zeigen in Form von Graphen verschiedene Aspekte beim
Bestimmen der Lage des Fokus einer Laserstrahlanordnung gemäß der vorliegenden Erfindung.
Nachfolgend werden unter Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 6
Ausführungsbeispiele der Erfindung im Detail beschrieben. Gleiche und äquivalente sowie gleich oder äquivalent wirkende Elemente und
Komponenten werden mit denselben Bezugszeichen bezeichnet. Nicht in jedem Fall ihres Auftretens wird die Detailbeschreibung der bezeichneten Elemente und Komponenten wiedergegeben. Die dargestellten Merkmale und weiteren Eigenschaften können in beliebiger Form von einander isoliert und beliebig miteinander kombiniert werden, ohne den Kern der Erfindung zu verlassen.
Wie oben bereits dargelegt wurde, können im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung zwei Grundkonzepte unterschieden werden:
(1 ) Gemäß einem ersten Konzept wird auf der Referenzfläche mit dem Laserstrahl bei verschiedenen aber fest gewählten Abständen ein Oberflächenbereich der Referenzfläche vollständig überstrichen und dabei eine Struktur mit erfasst, die im Vergleich zum Rest des
Oberflächenbereichs eine geringere direkte Reflexion aber eine höhere diffuse Reflexion oder Streuung aufweist. Bei diesem Konzept können sowohl das Licht aus der direkten Reflexion als auch das Licht aus der diffusen Reflexion oder Streuung zur Auswertung herangezogen werden. (2) Bei dem zweiten der Erfindung zu Grunde liegenden Konzept kommt es auf derartige Oberflächenstruktur auf der Referenzfläche primär nicht an. Vielmehr beruht das zweite Konzept der vorliegenden Erfindung allein auf der Auswertung diffusen Reflexions- oder
Streulichts bei verschiedenen aber fest gewählten Abständen. Die Figur 1 zeigt in schematischer Seitenansicht eine Anordnung, welche unter anderem dem zweiten Konzept zu Grunde gelegt werden kann.
Die in Rede stehende Referenzfläche 55 wird gebildet von der Oberseite 51 eines zu bearbeitenden Werkstücks 50, welches im Übrigen auch eine Unterseite 52 besitzt. Die Referenzfläche 55 ist in dem in Figur 1 gezeigten Beispiel eine planare Fläche parallel zur xy-Ebene. Das Werkstück 50 erstreckt sich mit seiner Dicke in der z-Richtung.
Oberhalb der Referenzfläche 55 ist eine Laserstrahlanordnung 10 positioniert. Diese besteht aus einer Lasereinrichtung 1 1 , die auch kurz als Laser bezeichnet wird und einen Primärstrahl 12 erzeugt, sowie einer Laseraustrittsoptik 13, welche den Primärstrahl 12 in einen Sekundärstrahl 14 in optisch aufbereiteter Form umwandelt und auf die Referenzfläche 55 einstrahlt. Der Sekundärstrahl 14 kann nachfolgend auch als einfallender Laserstrahl oder als Einfallsstrahl bezeichnet werden.
Die Laseraustrittsoptik 13 befindet sich in einem effektiven Abstand 15-1 von der Referenzfläche 55 und dem dortigen Auftreffpunkt 53 des
Laserstrahls 14. Der effektive Abstand 15-1 , der auch nachfolgend auch mit d bezeichnet wird, beschreibt die Länge des Lichtwegs des
Sekundärstrahls oder Laserstrahls 14 von der Laseraustrittsoptik 13 bis zum Auftreffpunkt 53 des Laserstrahls 14 auf der Referenzfläche 55. Dieser effektive Abstand 15-1 ist idealerweise identisch mit dem Fokusabstand oder effektivem Brennpunktsabstand 18 der Laseraustrittsoptik 13, der nachfolgend auch mit dfokus bezeichnet wird, weil nur in diesem Fall die maximale Leistungsdichte am Auftreffpunkt 53 auf der Referenzfläche 55 zur Bearbeitung des Werkstücks 50 einfällt. Bei effektiven Abständen 15-1 , die sich vom effektiven Brennpunktsabstand 18 unterscheiden, ist der Strahl 14 in Bezug auf den Durchmesser 43 des Strahls 14 im Fokus 19 aufgeweitet und besitzt daher eine geringere Leistungsdichte als im fokussierten Fall.
Der Laserstrahl 14 trifft in Bezug auf die Referenzfläche 55 relativ zum Lot 30 auf der Referenzfläche 55 im Auftreffpunkt 53 in einem Einfallswinkel 31 auf. Durch Wechselwirkung mit der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55 wird im Allgemeinen ein bestimmter Anteil des
Laserstrahls 14 in einem Reflexionswinkel 32 als Detektionswinkel bei direkter Reflexion, der identisch ist mit dem Einfallswinkel 31 direkt reflektiert. Andere Anteile des einfallenden Laserstrahls 14 werden diffus reflektiert und verlassen die Referenzfläche 55 in einem Streuwinkel 33 als diffuses Reflexionslicht oder Streulicht 17.
Einerseits ist grundsätzlich das direkt reflektierte Licht 16 mit einem zum Einfallswinkel 31 identischen Reflexionswinkel 32 an einer hier zweiten Messposition 42 mittels eines zweiten Detektors 22 der Messeinheit 20 messbar. Hierbei ist jedoch nachteilig, dass ein erhöhter apparativer Aufwand notwendig ist, um die Gleichheit des Reflexionswinkels 32 mit dem Einfallswinkel 31 zu gewährleisten. Darüber hinaus müssen der einfallende Laserstrahl 14, das Lot 30 im Auftreffpunkt 53 und der direkt reflektierte Lichtstrahl 16 in einer Ebene liegen. Erfindungsgemäß ist nach dem zweiten der Erfindung zu Grunde liegenden Konzept nur die Detektion des diffusen Reflexionslichts oder Streulichts 17 maßgeblich, welches in Bezug auf den einfallenden Laserstrahl 14 in einem beliebigen, aber festen Streuwinkel 33 als Detektionswinkel bei diffuser Reflexion oder Streuung mittels eines ersten Detektors 21 an einer ersten Messposition 41 der Messeinheit 20 erfasst werden kann. Das Streulicht 17 kann auch mit den Begriffen diffuser Reflexionsstrahl oder Streustrahl umschrieben werden.
Das bedeutet, dass erfindungsgemäß der apparative Aufwand zur
Detektion des Streulichts 17 vergleichsweise gering ist. Es muss nur dafür Sorge getragen werden, dass die Winkel 31 und 33 konstant sind, sie müssen nicht identisch sein.
Zu bemerken ist noch, dass es bei der Beschreibung der in Figur 1 dargestellten Anordnung oder Geometrie nicht in erster Linie auf den direkten, senkrechten oder kürzesten Abstand 15-2 der Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 ankommt, sondern auf den effektiven
Abstand 15-1 , der die Länge des Lichtwegs von der Laseraustrittsoptik 13 bis zum Auftreffpunkt 53 beschreibt.
Im Zusammenhang mit dem oben beschriebenen zweiten Konzept der vorliegenden Erfindung wird zur Einstellung des effektiven
Brennpunktsabstands 18 als effektiven Abstand 15-1 der
Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 einfach der effektive Abstand 15-1 zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55 schrittweise geändert, vorzugsweise in einem Abstandsbereich der den effektiven Brennpunktsabstand 18 mit umfasst. Werden bei der Änderung des effektiven Abstands 15-1 nun der
Einfallswinkel 31 und der Streuwinkel 33 konstant gehalten, so ergibt sich in Abhängigkeit von der Größe des effektiven Abstands 15-1 eine Variation der Intensität des diffus reflektierten Lichts oder Streulichts 17. Liegt der Brennpunkt oder Fokus 19 direkt auf der Referenzfläche 55, in diesem Fall entspricht der Wert des effektiven Abstandes 15-1 dem Wert des effektiven Brennpunktsabstands 18, dann ist die Intensität des diffus reflektierten oder gestreuten Lichts 17 im ersten Detektor 21 an der ersten Messposition 41 im Vergleich zu allen anderen gemessenen Intensitäten an Streulicht 17 maximal.
Dieses Ergebnis wird im Zusammenhang mit dem Graphen 70 aus Figur 4 und dort mit dem Kurvenverlauf oder der Spur 73 beschrieben und später nochmals im Detail erläutert.
In Figur 4 zeigt die Spur 74 schematisch den Verlauf der gemessenen relativen Intensität l/lmax in Abhängigkeit vom effektiven Abstand 15-1 , d der Laseraustrittsoptik 13 von der Referenzfläche 55 bei Auswertung des direkt reflektierten Lichts 16 an der zweiten Messposition 42 durch den zweiten Detektor 22. Dabei müssen ggf. insbesondere Aspekte des Ausbildens einer Dampfkapillare berücksichtigt werden, um eine
entsprechende Auswertung des direkten Reflexionslichts zu ermöglichen. Die Ausbildung der Dampfkapillare kann durch die Messung der direkten bzw. der diffusen Reflexion detektiert werden und ist demzufolge nicht unbedingt mit einem zusätzlichen apparativen Aufwand verbunden.
Wie oben erläutert wurde, ist eine derartige Auswertung zwar grundsätzlich möglich, aber auch deshalb mit einem weiteren erhöhten apparativen Aufwand verbunden ist, weil Einfallswinkel 31 und Reflexionswinkel 32 nicht nur zeitlich konstant, sondern auch noch zueinander gleich gehalten werden müssen und darüber hinaus der einfallende Laserstrahl 14, das Lot 30 am Auftreffpunkt 53 auf der Referenzfläche 55 und der direkt reflektierte Strahl 16 durch Wahl der Orientierung von Werkstück 50,
Laserstrahlanordnung 10 und Messeinheit 20 fixiert werden müssen. Die Figuren 2 und 3 zeigen in schematischer Art und Weise die
Verwendung einer Anordnung bei einer Ausführungsform des Verfahrens zum Bestimmen der Lage des Fokus 19 einer Laserstrahlanordnung 10 in Bezug auf eine Referenzfläche 55, welcher das erste erfindungsgemäße Konzept zu Grunde liegt.
Der Messprozess fußt also auf dem vollständigen Überstreichen des Laserstrahls 14 in Bezug auf einen Oberflächenbereich 56, wobei im Oberflächenbereich 56 in dessen Innerem eine Struktur 57 mit gegenüber dem Oberflächenbereich 56 verringerter direkter Reflexion und erhöhter diffuser Reflexion angeordnet ist.
In den Figuren 2 und 3 sind zwei Zwischenzustände gezeigt, die bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens nach dem ersten Konzept eingenommen werden.
Dabei ist in Figur 2 gezeigt, dass der einfallende Laserstrahl 14 an einer Stelle 53 der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55 auftritt, die im Wesentlichen im Oberflächenbereich 56 liegt aber keine gesonderte Struktur aufweist. Der Oberflächenbereich 56 besitzt eine hohe direkte Reflexion und eine vergleichsweise geringe diffuse Reflexion. Maßgebliche Anteile des Laserstrahls 14 mit dem Durchmesser 43 im Bereich des Fokus 19 werden direkt reflektiert, wie dies im Zusammenhang mit Figur 1 im Detail erläutert wurde. Der direkt reflektierte Strahl 16 kann an der zweiten Messposition 42 mit dem zweiten Detektor 22 detektiert werden.
Grundsätzlich tritt an jeder Oberfläche sowohl direkte Reflexion als auch diffuse Reflexion oder Streuung auf. Aufgrund des vergleichsweise geringen Anteils ist die diffuse Reflexion oder Streuung 17 in Figur 2 im Zusammenhang mit dem ersten Detektor 21 an der ersten Messposition 41 nicht dargestellt.
Die Oberseite 51 als Referenzfläche 55 ist im Oberflächenbereich 56 noch mit einer Oberflächenstruktur 57 ausgebildet. Diese besitzt eine lineare Ausdehnung 44, die in etwa von der Größenordnung des
Strahldurchmessers 43 im Fokus 19 liegt. Die Oberflächenstruktur 57 besitzt eine im Vergleich zum Rest des Oberflächenbereichs 56 verringerte direkte Reflexion, aber erhöhte diffuse Reflexion oder ein erhöhtes
Streuvermögen.
Durch eine relative Bewegung der Anordnung aus Laserstrahlanordnung 10 und Messeinheit 20 in Relation zum Werkstück 50, z.B. durch eine Verschiebung des Werkstücks 50 in x-Richtung entsteht die in Figur 3 dargestellte Situation. In Figur 3 bedeckt der einfallende Laserstrahl 14 die Oberflächenstruktur 57 des Oberflächenbereichs 56 vollständig. Aufgrund der verringerten direkten Reflexion und gesteigerten diffusen Reflexion des
Oberflächenbereichs 57 im Vergleich zum Rest des Oberflächenbereichs
56 findet vermehrt diffuse Reflexion oder Streuung durch Erzeugung von Streulicht 17 statt. Das verringerte direkte Reflexionslicht 16 ist nicht explizit dargestellt.
Betrachtet man ausschließlich die in Figur 3 gezeigte Situation, bei welcher der einfallende Laserstrahl 14 im Wesentlichen auf die Oberflächenstruktur
57 des Oberflächenbereichs 56 ausgerichtet ist, so ergibt sich
messtechnisch das in Figur 5 graphisch dargestellte Ergebnis.
Die Spur 83 des Graphen 80 aus Figur 5 zeigt den Verlauf der Intensität des diffus gestreuten Lichts 17 in Abhängigkeit vom effektiven Abstand 15- 1 zwischen der Laserstrahlanordnung 10 und ihrer Laseraustrittsoptik 13 in Bezug auf den Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als Referenzfläche 55.
Zu erkennen ist ein Intensitätsmaximum für den Fall, dass der effektive Abstand 15-1 ,d mit dem effektiven Fokusabstand 18, dfokus übereinstimmt, also die Bedingung d = dfokus erfüllt ist. Bei Aufspreizung des Strahls 14 durch Defokussierung, d.h. im Falle eines weiteren Heranführens oder Entfernens der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 sinkt die Intensität des Streulichts 17 ab.
Entsprechend umgekehrte Ergebnisse stellen sich bei der Messung des direkten Reflexionslichts 16 mittels des zweiten Detektors 22 an der zweiten Messposition 42 ein.
Im fokussierten Zustand mit d = dfokus, bei welchem der effektive Abstand 15-1 mit dem effektiven Fokusabstand 18 übereinstimmt, deckt der Laserstrahl 14 beim Einfall im Wesentlichen mit seiner Strahlbreite 43 die Oberflächenstruktur 57 unter den gegebenen Winkelverhältnissen in deren Breite 44 ab. Unter diesen Umständen wird vom Laserstrahl 14 der umgebende hochreflektive Abschnitt des weiteren Oberflächenbereichs 56 nicht getroffen, so dass die Intensität des direkten Reflexionslichts 16 minimal ist.
Beim Defokussieren, d.h. beim Entfernen oder Heranführen der
Laserstrahlanordnung 10 von bzw. an den Auftreffpunkt 43 auf der
Oberseite 51 des Werkstücks 50 wird der Strahl 14 quasi lokal aufgeweitet und somit nicht nur die Oberflächenstruktur 57 mit minimaler direkter Reflexion und maximaler diffuser Reflexion getroffen, sondern auch danebenliegende hochreflektive Bereiche, so dass die Intensität des direkten Reflexionslichts 16 - vom Minimum ausgehend - ansteigt.
Im Folgenden sollen noch allgemeine Erläuterungen zu den Figuren 4 und 5 gegeben werden:
Die Graphen 70 und 80 der Figuren 4 bzw. 5 stellen in den Spuren 73, 74, 83, 84 Verläufe der normierten Intensität als Funktion des normierten Abstandes der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 als Referenzfläche 55 dar.
Dabei sind an den Abszissen 71 und 81 der effektive Abstand 15-1 oder d im Verhältnis zum Fokusabstand 18 oder dfokus dargestellt. Auf den Ordinaten 72 bzw. 82 ist die Intensität I jeweils ins Verhältnis gesetzt zur maximalen Intensität Imax direkt reflektierten Lichts 16 unter optimalen Bedingungen.
Wie oben bereits erläutert wurde, zeigen die Verläufe 73 und 83 die Abhängigkeit diffus gestreuten Lichts 17 in Bezug auf hochreflektierende Abschnitte des Oberflächenbereichs 56 bzw. beim Überstreichen der Oberflächenstruktur 57 mit hohem Anteil an diffuser Reflexion.
Die Kurvenverläufe 74 und 84 zeigen dagegen die Abhängigkeit der Intensität direkt reflektierten Lichts 16, und zwar wiederum beim
Überstreichen hochreflektiver Abschnitte des Oberflächenbereichs 56 bzw. beim Überstreichen der Oberflächenstruktur 57 mit reduzierter direkter Reflexion und gesteigerter diffuser Reflexion.
Die Hilfslinien 75 und 85 erleichtern die Detektion der Extrema der
Kurvenverläufe 73, 74, 83, 84 und kennzeichnen den jeweils fokussierten Zustand. Figur 6 zeigt einen Graphen 60, bei welchem auf der Abszisse 61 in
Millimetern der effektive Abstand 15-1 oder d der Laserstrahlanordnung 10 vom Auftreffpunkt 53 auf der Oberseite 51 des Werkstücks 50 als
Referenzfläche 55 aufgetragen ist. Auf der Ordinate 62 ist - ähnlich zum Kurvenverlauf 84 aus Figur 5 - die Intensität I des direkten Reflexionslichts 16 an der zweiten Messposition 42 aufgetragen.
Figur 6 verdeutlicht, dass aus einzelnen Messpunkten 63 oft nicht direkt auf den Fokusabstand 18 geschlossen werden kann, sondern dass es vielmehr der Darstellung mittels einer Interpolationskurve 64 bedarf, um dann mit Abszissenhilfslinie 66 und Ordinatenhilfslinie 67 und Tangentenkonstruktion einen interpolierten Wert 65 als effektiven Fokusabstand 18 mit einem Wert zwischen 310 mm und 31 1 mm zu bestimmen.
Diese und weitere Merkmale und Eigenschaften der vorliegenden
Erfindung werden an Hand der folgenden Darlegungen weiter erläutert: Fügeprozesse mittels Laserstrahlung zeichnen sich besonders durch eine lokale Energieeinbringung in das Werkstück aus. Dies ist möglich, da der Laserstrahl auf sehr geringe Strahldurchmesser mit sehr großen
Intensitäten fokussiert werden kann. Bedingt durch die Strahlkaustik eines Laserstrahles muss zur Fokussierung eine genaue Positionierung der Schweißoptik zum Werkstück und dessen Oberfläche erfolgen. Bereits kleine Änderungen des Arbeitsabstandes, also der Entfernung zwischen Optik und Werkstück, können die Intensität der Laserstrahlung auf dem Werkstück erheblich beeinflussen. Wird ein Schwei ßprozess auf der Grundlage von Laserstrahlung eingerichtet, muss der ideale Arbeitsabstand bisher durch
Schweißversuche ermittelt werden. Darüber hinaus kann sich während des Schweißprozesses die Fokuslage durch Erhitzung der Optik verschieben.
Daher wird ein möglichst einfaches und schnelles Verfahren zur
Fokusbestimmung angestrebt.
Besonders aufwendig gestaltet sich die Kalibrierung der Fokuslage bei herkömmlichen Scanneroptiken, mit deren Hilfe der Strahl durch Spiegel abgelenkt und über eine Fläche bewegt werden kann. Hier müssen Schweißversuche über die ganze Fläche durchgeführt werden, damit iterativ die Fokuslage für jeden Ort ermittelt werden kann.
Zur Charakterisierung des Strahlprofiles werden zudem Messgeräte verwendet, die z.B. ein mechanisch abtastendes Diagnosesystem zur Analyse von kontinuierlicher Laserstrahlung aufweisen. Mithilfe eines solchen Messgeräts kann zwar der genaue Abstand der Fokusposition von der Optik ermittelt werden. Jedoch erfordert dieses Vorgehen einen erheblichen apparativen und messtechnischen Aufwand.
Ziel der Erfindung ist die Schaffung eines Verfahrens, mit welchem die Fokuslage bei der Laserbearbeitung eines Werkstückes 50 anhand der Reflexionen und ggf. auch während des Prozesses bestimmt werden kann. Trifft der Laserstrahl defokussiert auf das Werkstück, ändert sich die Leistung der direkt oder diffus rückreflektierenden Strahlung, wie dies in den Figuren 1 bis 3 schematisch dargestellt ist.
Durch eine Messung der direkten und/oder diffusen Reflexion - ggf. unter Abtastung oder Überstreichen einer gegenüber der Umgebung stärker diffus reflektierenden oder streuenden Struktur - kann die Fokusposition bestimmt werden. Diese wird erfindungsgemäß aus einem
Intensitätsminimum der direkt rückreflektierten Strahlung oder einem Intensitätsmaximum der diffus rückreflektierten Strahlung bestimmbar. Bisherige Verfahren der Strahlvermessung sind nachteilig auf Grund teurer Messtechnik, dem notwendigen hohen Zeitaufwand und der aufwendigen Justage, z.B. beim Schweißprozess. Des Weiteren sind bestimmte
Vorgehensweisen bei der Charakterisierung nicht universell einsetzbar und z.B. nur bei einem Schneideprozess möglich, jedoch nicht beim
Schweißen. Ferner sind häufig geometrische Randbedingungen einzuhalten, z.B. das Erfordernis eines senkrechten Einstrahlwinkels. Auch ist bei bestehenden Messanlagen ein vom Berarbeitungsvorgang unabhängiger Einrichtprozess nicht ohne weiteres garantiert.
All diese Nachteile vermeidet die vorliegende Erfindung: Es ist also ein Ziel der vorliegenden Erfindung, eine schnelle und kostengünstige Messmethode zu schaffen, mit deren Hilfe der ideale Arbeitsabstand zwischen einer Laserstrahlanordnung und einer zu bearbeitenden Oberfläche gemessen werden kann.
Hierzu wird gemäß einem ersten Konzept der Erfindung auf der Oberfläche 51 eines höher oder hochreflektiven Werkstoffes 50 eine Strukturierung 57 aufgebracht, die insbesondere weniger stark direkt und vergleichsweise stärker diffus reflektiert oder streut.
Durch Messung der Reflexionen, während der Laserstrahl 14 eines Materialbearbeitungslasers 1 1 der Laserstrahlanordnung 10 die
Strukturierung 57 überfährt, kann auf den Strahldurchmesser 43 und somit auch auf den idealen Arbeitsabstand zurückgeschlossen werden, da die Intensitätsverteilung der Reflexionen durch die Strukturierung 57
beeinflusst wird. Als Strukturierung 57 eignen sich sowohl Makro- als auch Nanostrukturen. Die Intensität der Laserstrahlung wird dabei insbesondere so gewählt, dass es zu keiner Aufschmelzung der Werkstückoberfläche 51 kommt.
In den Figuren 2 und 3 ist das Funktionsprinzip des erfindungsgemäßen Verfahrens nach diesem ersten Konzept schematisch dargestellt.
Trifft der Laserstrahl 14 auf die Struktur 57, wird ein Anteil von diesem diffus reflektiert, wodurch die Intensität der direkten Reflexion
abgeschwächt wird. Es kann somit an der ersten Messposition 41 und am ersten Detektor 21 der Messeinheit 20 ein Anstieg der diffusen Reflexion und an der zweiten Messposition 42 und dem zweiten Detektor 22 der Messeinheit 20 eine Reduzierung der direkten Reflexion während der Überfahrt des Laserstrahls 14 über den strukturierten Bereich 57 gemessen werden.
Die Breite 44 der Strukturierung 57, die auch mit dStruktur bezeichnet wird, wird insbesondere so gewählt, dass diese kleiner ist oder gleich dem Durchmesser 43, des Strahl 14 im Fokus 19, der auch mit dStrahl bezeichnet wird. Es soll also vorteilhafterweise die Bedingung dStruktur < dStrahl (1 ) erfüllt sein.
Trifft der Laserstrahl 14 defokussiert auf die Struktur 57 auf, ist der
Strahldurchmesser größer als die Struktur 57 breit ist. Dadurch trifft ein Teil des Strahles 14 auf den nichtstrukturierten und höher oder hochreflektiven Bereich 56 des Werkstückes 50 und wird daher auch direkt reflektiert. Die Intensität der direkten Reflexion 16 an der zweiten Messposition 42 ist also minimal, wenn der Laserstrahl 14 mit dem minimalen Strahldurchmesser 43 auf das Werkstück 50 auftrifft. Bei einer Messung an der ersten Messposition 41 ergibt sich ein Maximum der diffusen Reflexion bei einem minimalen Strahldurchmesser 43.
Die Messung der Reflexionen während der Überfahrt der Laserstrahlung über den strukturierten Bereich 57 wird dann für verschiedene
Arbeitsabstände wiederholt.
Durch Auswertung der direkten und/oder der diffusen Reflexionen kann anhand eines Minimums oder Maximums der Intensitäten anschließend auf den idealen Arbeitsabstand geschlossen werden.
Zur einfachen und kostengünstigen Herstellung der Messkörper, z.B. mit oder aus einem strukturierten, hochreflektiven Werkstoff, eignet sich unter anderem Kupfer, auf welchem mithilfe einer handelsüblichen gepulsten Laserstrahlquelle, z.B. mit einem Beschriftungslaser, eine Struktur aufgebracht werden kann.
Die Dicke des Messkörpers kann dabei bedarfsgerecht angepasst werden. Dadurch kann eine Kupferfolie strukturiert werden, welche während des Einrichtprozesses direkt auf das zu schweißende Werkstück 50
aufgebracht werden kann.
Es können ebenfalls hochreflektive dichroitische Spiegel verwendet werden. Hier kann zum Beispiel durch eine FIB-Anordnung (FIB : Focused Ion Beam) die Struktur 57 auf dem Werkstück 50 aufgebracht werden. Mit diesem Vorgehen, können sehr feinere Strukturen 57 erzeugt werden.
Zur Messung der Reflexion eignet sich auch einfache Fotodioden als erste und zweite Detektoren 21 , 22, welche in Sperrrichtung in Reihe mit einem Widerstand betrieben werden. Durch Beleuchtung der Dioden entsteht ein Sperrstrom, welcher ein Spannungsabfall am Widerstand erzeugt. Anhand einer Messung dieses Spannungsabfalles kann auf die Intensität zurückgeschlossen werden. Die benötigte Messtechnik ist daher sehr einfach aufgebaut und kostengünstig. Die in Figur 6 dargestellten Messergebnisse beruhen auf der nachfolgend beschriebenen Situation:
Mithilfe einer gepulsten Laserstrahlquelle 1 1 wurde eine 0,3 mm breite Struktur 57 auf eine Kupferprobe als Werkstück 57 aufgebracht. Bei einer verwendeten Laserleistung von 400 W erfolgt bei der verwendeten
Wellenlänge von 1060 nm selbst im Fokus 19 mit Strahldurchmesser dStrahl = 300 μηη keine Materialbearbeitung. Zur Messung der Reflexion wurde eine Fotodiode an zweiten Messposition 42, wie in den Figuren 2 und 3 dargestellt, gewählt, so dass die direkte Reflexion 16 gemessen wurde.
Figur 6 zeigt den Verlauf der dabei gemessenen Intensitätsminima für verschiedene effektive Abstände 15-1 zwischen Optik 13 und Werkstück 50.
Im Diagramm 60 der Figur 6 ist die minimal gemessene Intensität I in relativen Einheiten über dem effektiven Abstand 15-1 oder d in mm aufgetragen. Aus dem Diagramm 60 kann auf einen optimalen
Arbeitsabstand im Bereich zwischen 310 mm und 31 1 mm geschlossen werden, da hier der Intensitätsabfall am größten ist.
Mit dem erfindungsgemäßen Vorgehen kann die Fokusposition 19 im Sinne des Fokusabstandes 18 auf etwa 0,4 mm bestimmt werden.
Eine weitere Verbesserung der Genauigkeit lässt sich durch eine
Optimierung der Oberflächenstruktur 57 und der Messposition erreichen.
Durch das erfindungsgemäße Verfahren ergeben sich folgende Vorteile:
- Verringerung von Kalibrierungszeiten (d.h. es ist kein Umspannen des Werkstücks, sofern es plan ist, notwendig und das Werkstück kann eingespannt bleiben, wobei ggf. lediglich eine Folie aufgelegt werden muss),
- günstiger Messaufbau, welcher an jeder Optik integriert werden kann - schnelle Messung einer Fokusverschiebung (Veränderung des
Arbeitsabstandes durch Erwärmung der Optik) möglich
- Steigerung der Präzision
Der notwendige Messaufbau kann als Nachrüstsatz zusätzlich an bestehende Optiken angebracht oder in die Bearbeitungsoptik der
Laserstrahlanordnung integriert werden. Zu dem Messaufbau gehören der oder die Detektoren 21 , 22 zur Messung der Reflexion, die Messtechnik und die Software zur Auswertung der Reflexionen. Des Weiteren können fortlaufend Probekörper bereitgestellt werden, die als Struktur 57 im Sinne der Erfindung zum Einsatz gebracht werden.
Bezugszeichenliste: 10 Laserstrahlanordnung
1 1 Lasereinrichtung, Laser
12 Primärstrahl
13 Laseraustrittsoptik
14 Sekundärstrahl, einfallender Laserstrahl, Einfallsstrahl
15-1 effektiver Abstand zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55
15-2 senkrechter Abstand zwischen Laseraustrittsoptik 13 und Referenzfläche 55
16 direktes Reflexionslicht
17 diffuser Reflexionsstrahl/Streustrahl, diffus reflektierter/gestreuter Strahl, Streulicht, diffuses Reflexionslicht
18 effektiver Fokusabstand, effektiver Brennpunktsabstand
19 Brennpunkt, Fokus
20 Messeinheit
21 erster Detektor (für diffus reflektiertes/gestreutes Licht)
22 zweiter Detektor (für direkt reflektiertes Licht)
30 Einfallslot auf der Referenzfläche 55
31 Einfallswinkel des Sekundärstrahls 14
32 Reflexionswinkel/Detektionswinkel bei direkter Reflexion
33 Streuwinkel/Detektionswinkel bei diffuser Reflexion/Streuung
41 erste Messposition
42 zweite Messposition
43 Durchmesser des Laserstrahls 14 im Fokus 19
44 Durchmesser der Struktur 57
50 Werkstück, Target, Bearbeitungsbereich 51 Oberseite, Oberfläche
52 Unterseite
53 Auftreffpunkt der Strahlung
55 Referenzfläche
56 Oberflächenbereich
57 Struktur
60 Graph
61 Abszisse
62 Ordinate
63 Messpunkt
64 Ausgleichskurve
65 Wert des ermittelten Fokusabstand 15
66 Abszissenhilfslinie
67 Ordinatenhilfslinie
70 Graph
71 Abszisse
72 Ordinate
73 Spur, Verlauf Intensität des diffusen Reflexionslichts 17
74 Spur, Verlauf Intensität des direkten Reflexionslichts 16
75 Abszissenhilfslinie
80 Graph
81 Abszisse
82 Ordinate
83 Spur, Verlauf Intensität des diffusen Reflexionslichts 17
84 Spur, Verlauf Intensität des direkten Reflexionslichts 16
85 Abszissenhilfslinie x Längserstreckungsrichtung der Referenzfläche 55 y Quererstreckungsrichtung der Referenzfläche 55 z Dickenerstreckungsrichtung

Claims

Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus (19) einer Laserstrahlanordnung (10) in Bezug auf eine Referenzfläche (55), mit den Schritten:
(A) Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf die Referenzfläche (55) mittels der Laserstrahlanordnung (10),
(B) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls (14) von der Referenzfläche (55) erzeugten direkten und/oder diffusen Reflexionslichts (16, 17),
wobei:
(C) die Schritte (A) und (B) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) wiederholt werden und
(D) derjenige effektive Abstand (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) als für die Lage des Fokus (19) repräsentativer effektiver Fokusabstand (15) bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des Reflexionslichts (16, 17) extremal ist, wenn
(E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung (10) und die Referenzfläche (55) derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl (14) einen Oberflächenbereich (56) der Referenzfläche (55) mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur (57) mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.
Verfahren nach Anspruch 1 ,
bei welchem:
(B-1 ) die Intensität direkten Reflexionslichts (16) gemessen wird und (D-1 ) derjenige effektive Abstand (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) als für die Lage des Fokus (19) repräsentativer effektive Fokusabstand (18) bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des direkten Reflexionslichts (16) minimal ist.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
bei welchem:
(B-2) die Intensität diffusen Reflexionslichts (17) gemessen wird und (D-2) derjenige effektive Abstand (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) als für die Lage des Fokus (19) repräsentativer effektiver Fokusabstand (18) bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts (17) maximal ist.
Verfahren zum Bestimmen der Lage des Fokus (19) einer Laserstrahlanordnung (10) in Bezug auf eine Referenzfläche (55), mit den Schritten:
(A) Einstrahlen eines Laserstrahls (14) auf die Referenzfläche (55) mittels der Laserstrahlanordnung (10),
(B-2) Messen der Intensität auf Grund des Laserstrahls (14) von der
Referenzfläche (55) erzeugten diffusen Reflexionslichts (17), wobei:
(C) die Schritte (A) und (B-2) für eine Mehrzahl verschiedener, jeweils fester effektiver Abstände (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) wiederholt werden und
(D-2) derjenige effektive Abstand (15-1 ) zwischen der Referenzfläche (55) und der Laserstrahlanordnung (10) als für die Lage des Fokus (19) repräsentativer effektiver Fokusabstand (18) bestimmt wird, für den die gemessene oder eine interpolierte Intensität des diffusen Reflexionslichts (17) maximal ist.
Verfahren nach Anspruch 4,
bei welchem (E) bei jedem Durchgang der Schritte (A) und (B) die Laserstrahlanordnung (10) und die Referenzfläche (55) derart relativ zueinander bewegt werden, dass der Laserstrahl (14) einen Oberflächenbereich (56) der Referenzfläche (55) mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion und dabei eine in dessen Innerem ausgebildete Struktur (57) mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion vollständig überstreicht.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Schritte (A) und (B) bei einer jeweils festen Geometrie zwischen der Referenzfläche (55), der Laserstrahlanordnung (10) und einer Messeinheit (20) ausgeführt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem ein beobachteter Strahl diffusen Reflexionslichts (1 ) nicht in einer gemeinsamen Ebene liegt (i) mit dem einfallenden Laserstrahl (14) und (ii) mit einem den Einfallstrahl (14) schneidenden Lot (30) auf der Referenzfläche (55).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem ein einfallender Laserstrahl (14) im Fokus (19) eine
Leistungsdichte aufweist, die abgestimmt ist auf ein der Referenzfläche
(55) zu Grunde liegendes Substrat und nicht zu dessen Aufschmelzen führt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem der Oberflächenbereich (56) der Referenzfläche (55) mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion als hochreflektive Materialschicht ausgebildet ist oder bereitgestellt wird, insbesondere als Oberflächenschicht eines zu bearbeitenden Werkstücks (50), in Form einer Metallfolie, vorzugsweise mit oder aus Kupfer, und/oder nach Art eines dichroitischen Spiegels. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Struktur (57) mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion durch Strukturierung des Inneren des Oberflächenbereichs (56) der Referenzfläche (55) mit höherer direkter Reflexion und geringerer diffuser Reflexion mittels Laserstrahlung und/oder lonenstrahlbehandlung ausgebildet ist oder wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem die Struktur (57) mit höherer diffuser Reflexion und geringerer direkter Reflexion des Inneren des Oberflächenbereichs (56) eine vom Laserstrahl (14) überstrichene lineare Ausdehnung (44) aufweist, die den Durchmesser (43) des Laserstrahls (14) im Fokus (19) nicht übersteigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
bei welchem Laserstrahlung im sichtbaren, ultravioletten und/oder infraroten Bereich eingesetzt wird.
Verfahren zum Bearbeiten eines Werkstücks (50) mit Laserstrahlung, bei welchem vor und/oder während eines Bearbeitungsvorgangs eine verwendete Laserstrahlanordnung (10) in Bezug auf die Oberfläche (51 ) des Werkstücks als Referenzfläche (55) mit einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 ausgerichtet wird.
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