EP3953670A1 - Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer fokuslage eines laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum bestimmen einer fokuslage eines laserstrahls

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EP3953670A1
EP3953670A1 EP20713515.3A EP20713515A EP3953670A1 EP 3953670 A1 EP3953670 A1 EP 3953670A1 EP 20713515 A EP20713515 A EP 20713515A EP 3953670 A1 EP3953670 A1 EP 3953670A1
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EP
European Patent Office
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optical element
focal length
laser
laser beam
optical
Prior art date
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Pending
Application number
EP20713515.3A
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English (en)
French (fr)
Inventor
David BLÁZQUEZ SÁNCHEZ
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Precitec GmbH and Co KG
Original Assignee
Precitec GmbH and Co KG
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Publication date
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    • G01J2001/4261—Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam

Definitions

  • the present invention relates to a device for determining a focus position of a laser beam, in particular a machining laser beam in a laser machining head, and a method for determining a focus position of a laser beam.
  • the invention also relates to a laser processing head comprising such a device. Such devices and methods can be used to determine and control the focus position in a laser processing head during laser material processing.
  • thermal lens thermalally induced change in refractive power
  • the thermal lens leads to a focus shift along the direction of beam propagation, which has a negative effect when processing a workpiece.
  • the thermal lens is caused by a thermal gradient along the radial direction of the optical components. Because of the radial laser power distribution, the temperature and thus the change in the refractive index is significantly greater in the center of the optics than at the edge. If only a fraction of the laser beam is measured, information about the thermal lens is lost and it is not possible to precisely determine its influence on the focus position. A spherical aberration is to be expected with a very pronounced thermal lens.
  • the edge rays and the rays near the axis do not meet in the same focus because of the different temperatures at the edge and in the middle of the optical components. In addition, the power share of marginal rays is smaller than that of the rays near the axis.
  • the focus position is only determined with the information from the marginal rays, then only a low level of accuracy of the measurement can be expected.
  • the thermal lens not only leads to a focus shift, but also due to imaging errors to a deterioration in the beam quality. This results in a change in the entire beam caustic, including the focus diameter. The determination of the focus position by a comparison with reference values is therefore imprecise.
  • the international standard ISO 11146 specifies procedures for measuring laser beams, in particular test procedures for laser beam parameters. In particular, it is specified how beam dimensions, for example beam widths or diameters, divergence angles, beam propagation factor, diffraction index and beam quality are to be measured.
  • the focal position i.e. the position of the smallest diameter of the beam
  • the beam diameter is determined at at least ten points along the beam path.
  • the change in the beam diameter is mathematically described with the so-called beam caustic as a function of the direction of beam propagation or direction of beam propagation.
  • the focus position is regulated on the basis of the laser power using a corresponding characteristic diagram that describes the focus shift as a function of the laser power.
  • DE 196 30 607 CI describes a device for monitoring the energy of a laser beam. By tilting a window in relation to the axis of the laser beam, a part is decoupled from the laser beam and directed onto a detector.
  • the detector is arranged in an image plane of an optical system which images the laser beam onto a substrate and which corresponds to the surface of the substrate.
  • laser processing heads with the largest possible autofocus range are preferred. However, the larger the autofocus range, the more difficult it is to provide a simple and compact focus position measurement. In other words, a larger autofocus area leads to a larger structural volume. For example, a laser processing head for laser cutting with an autofocus range of 50 mm requires a focus position measuring device that achieves a constant measurement resolution within this range.
  • Another object of the invention is to provide a method for the simple and precise determination of a focus position of a laser beam, in particular a processing laser beam of a laser processing head, preferably in real time.
  • the device according to the invention for determining a focus position of a laser beam comprises according to one embodiment: an optical decoupling element for decoupling a partial beam from a beam path of the laser beam, a detector for detecting at least one beam parameter of the partial beam, and at least one Optical element with an adjustable focal length, which is arranged in a beam path of the partial beam between the optical decoupling element and the detector.
  • the device preferably further comprises an evaluation unit which is set up to determine the focal position of the laser beam based on a plurality of values of the at least one detected beam parameter of the partial beam and corresponding associated values of the set focal length of the optical element.
  • an evaluation unit which is set up to determine the focal position of the laser beam based on a plurality of values of the at least one detected beam parameter of the partial beam and corresponding associated values of the set focal length of the optical element.
  • the evaluation unit can also be set up to determine a set focal length of the optical element at which the at least one detected beam parameter assumes a maximum or a minimum value.
  • the actual focus position of the laser beam, in particular of the machining laser beam can be determined on the basis of the detected beam parameter and the corresponding set focal length of the optical element.
  • a set focal length of the optical element can be determined to determine the focus position, at which the beam parameter of the partial beam assumes an extreme value, e.g. in which the laser intensity of the partial beam assumes a maximum value and / or in which the beam diameter of the partial beam assumes a minimum value. Based on this value for the set focal length, the focus position of the laser beam or the processing laser beam can finally be determined.
  • the focal length of the optical element can be kept constant, ie it is permanently set.
  • a desired focus position of the machining laser beam is set, for example on a workpiece to be machined, and a reference value of the beam parameter of the partial beam is determined by the detector.
  • the optical element with an adjustable focal length can be set in such a way that the adjustable focal length is infinite or no refractive power is set.
  • the refractive power of an optical element of the laser machining head can change, in particular due to the phenomenon of the thermal lens, which leads to a change in the focus position of the laser beam.
  • This also leads to a change in the beam parameter of the partial beam detected by the detector.
  • the change can be determined by comparing the beam parameter continuously detected by the detector with the previously measured reference value and is a measure of the change in the focal position of the partial beam. This allows a change in the focus position of the laser beam to be determined.
  • a difference between the current focus position and the focus position at the beginning of the processing process of the laser beam can be determined by comparing the beam parameters continuously detected by the detector with the previously determined reference value.
  • the evaluation unit can be set up to determine the focal position of the laser beam based on at least one of the following values: orientation of the optical decoupling element, distance of the optical decoupling element to the detector, distance of the optical decoupling element to the focusing unit, distance of the optical decoupling element to the optical element adjustable focal length and distance of the optical element with adjustable focal length to the detector, the distance here denoting the path length along the direction of beam propagation of the decoupled partial beam.
  • the laser intensity can also be referred to as surface power density or “power density” for short.
  • the area power density can, for example, be specified with the unit “watt per square meter”.
  • a partial beam is decoupled from the laser beam in a first step.
  • the focus position of the extracted partial beam is determined with the aid of an optical element with an adjustable focal length and a detector.
  • the optical element with adjustable focal length can be arranged in a stationary manner in the beam path of the partial beam, but at least in a stationary manner in the beam propagation direction of the partial beam.
  • the at least one optical element with a variable focal length is arranged stationary with respect to the direction of propagation of the partial beam.
  • the position of the optical element can be fixed or fixed along the direction of propagation of the partial beam.
  • the position of the detector can also be fixed or fixed or stationary along the direction of propagation of the partial beam.
  • the detector is preferably arranged in the beam path of the partial beam so that the partial beam strikes the detector after it has passed the optical element with an adjustable focal length.
  • the detector can be arranged in the beam path of the partial beam behind the optical element.
  • the optical element with adjustable focal length can have an autofocus function.
  • the optical element with variable focal length makes it possible to determine the focal position of the laser beam or the beam caustic without moving the optical element with adjustable focal length or the detector along the direction of propagation of the partial beam or axially. This enables a compact design of the device according to the invention. This also makes it possible to determine the focus position of the laser beam in real time, since it is not necessary to move an element of the device by means of an actuator or motor.
  • the device, and thus also the laser processing head with the same can be constructed in a less complex and simpler manner, since, for example, no guide elements are required for the displacement of elements.
  • the device according to the invention can be used in laser processing heads with an autofocus function or in modular laser processing heads.
  • the device according to the invention can be used without major structural or constructive effort and influence in laser processing heads with different focus focal lengths.
  • the device according to the invention can be used both in a laser processing head with a focal length of 150mm and in a laser processing head with a focal length of 200mm. The difference in the focal length can be compensated for by means of the optical element with an adjustable or variable focal length, for example by means of a liquid lens.
  • the detector can be set up to detect a laser intensity and / or a beam diameter of the partial beam. According to one embodiment, the detector is set up to detect the laser intensity and / or the beam diameter of the partial beam at different set focal lengths of the at least one optical element.
  • the evaluation unit can be set up to determine a set value of the focal length of the optical element corresponding to a maximum laser intensity of the partial beam and / or corresponding to a minimum beam diameter of the partial beam.
  • the detector is designed as a single-pixel sensor. This simplifies the evaluation of the signals or data generated by the detector.
  • the detector can be a non-spatially resolving sensor.
  • a sensor area of the detector is preferably smaller than a cross-sectional area of the partial beam that corresponds to the minimum beam diameter.
  • a cross section of the sensor surface can be smaller than the beam diameter of the partial beam.
  • the sensor area of the detector can be positioned within the cross-sectional area or within the beam diameter of the partial beam. be ordered, preferably the sensor surface is arranged on the optical axis of the partial beam.
  • the device may further include a diaphragm disposed between the adjustable focal length optical element and the detector.
  • the diaphragm is preferably arranged coaxially to or on the optical axis of the coupled-out partial beam.
  • the area of the diaphragm opening can be the same as or smaller than a cross-sectional area of the partial beam that corresponds to the minimum beam diameter. This ensures that the detector always determines a laser intensity of the partial beam that depends on the focus position of the partial beam or the focus position of the laser beam, even if no spatially resolving detector or a single-pixel sensor with a larger area is used.
  • an irradiance-sensitive photodetector which can be a single-pixel sensor, can be used as the detector.
  • the sensor output is not only dependent on the total flow of incident photons, but also on the size of the area on which they arrive. This means that the signal of the sensor output varies along the beam propagation of the partial beam when the beam diameter varies. This enables the irradiance to be measured.
  • the irradiance reaches a maximum in focus along the direction of propagation.
  • the laser intensity thus reaches a maximum where the beam diameter is smallest along the direction of propagation of the partial beam.
  • the irradiance sensitivity is a non-linear photosensitivity, as it is typical for many thin-film solar cell technologies, for example a Grätzel cell (also known as an electrochemical dye-sensitized solar cell).
  • the electrochemical dye solar cell does not use a semiconductor material to absorb light, but organic dyes.
  • the charge transfer processes in these photodetector technologies lead to an irradiance-dependent sensitivity due to highly localized charge carriers and charge transfer processes.
  • the detector can also comprise a spatially resolving sensor, for example a multi-pixel sensor or a CCD camera. This enables the beam diameter of the partial beam to be detected.
  • the evaluation unit can be set up to determine the focus position based on a beam diameter detected by the sensor.
  • the detector can also comprise a photodiode array.
  • the number of pixels can be smaller than with a CCD camera. The evaluation of the detector signal can thereby be simplified.
  • the at least one optical element preferably has a continuous and / or arbitrarily adjustable or variable focal length.
  • the focal length of the optical element can vary, for example, between -lm and + lm.
  • the at least one optical element with an adjustable focal length can comprise a deformable or deformable optical element.
  • the variable focal length optical element can comprise a deformable lens.
  • An example of a deformable lens is a liquid lens.
  • the refractive material can be a liquid.
  • the refractive material can also be a deformable polymer.
  • the deformable lens is a polymer lens.
  • the optical element with variable focal length can comprise a deformable mirror.
  • the deformable mirror can be, for example, a piezoelectrically deformable mirror or a MEMS (“microoptoeletromechanical adaptive”) -based mirror.
  • the deformable mirror can also be a mirror with a pressure variable radius.
  • reflective deformable optical elements and transmissive deformable optical elements can be used as the at least one optical element with an adjustable focal length.
  • the at least one optical element with a variable focal length can comprise several optical elements that can be rotated relative to one another.
  • the optical element with a variable focal length can comprise focusable moiré lenses or a moiré lens pair. These lenses can be focused over a wide range of focal lengths by rotating them.
  • the at least one optical element with variable focal length can comprise one or more of the aforementioned elements or can comprise a combination of various of the aforementioned elements.
  • the at least one optical element with variable focal length can be designed as a lens group, one of the lenses in the lens group being a liquid lens.
  • the device can further comprise a control unit which is set up to set the focal length of the at least one optical element with an adjustable focal length.
  • control unit can be set up to control the focal length of the optical element.
  • the control unit can be set up to set the focal length of the optical element continuously or discretely. In other words, the control unit can be set up to set different values for the focal length of the optical element. This makes it possible to measure or scan the beam caustic of the partial beam.
  • the at least one optical element with an adjustable focal length can comprise a first optical element with an adjustable focal length and a second optical element with an adjustable focal length.
  • the control unit can be set up to set the focal length of the first optical element independently of the focal length of the second optical element.
  • the control unit can also be set up to adjust the focal length of the first optical element based on a target focus position of the laser beam of the laser processing system. This value for the focal length of the first optical element can then be kept constant.
  • the focal length of the second optical element can, e.g. continuously, varied in order to detect different values for the at least one beam parameter.
  • control unit can be set up to allow an end of an optical fiber of the laser processing head to be imaged on the detector of the device by adjusting the focal length of the first optical element.
  • the device according to the invention can focus on the set focus position of the laser beam, i.e. can be set to the target value of the focus position of the machining laser beam.
  • the control unit can further be directed to adjust the focal length of the second optical element, e.g. continuously to change so that, as shown above, for example, from the maximum of the laser intensity along the beam propagation direction, the actual or current focus position of the laser beam, i.e. the actual value of the focus position can be determined.
  • the optical decoupling element is set up to couple the partial beam out of the beam path of the laser beam by means of partial reflection.
  • the optical coupling-out element can be designed to be semitransparent for the laser beam.
  • the coupled-out partial beam can be the reflected or the transmitted portion of the incident laser beam.
  • the optical decoupling element can be designed as a beam splitter, or it can comprise a beam splitter.
  • the optical outcoupling element can be set up to transmit the partial beam with a beam propagation direction that is an angle greater than 0 ° and less than 180 °, preferably greater than or equal to 90 ° and less than 180 °, or between 45 ° and 135 °, with a beam propagation direction of the laser beam after passing through the optical decoupling element includes.
  • the optical decoupling element can be arranged inclined against the direction of propagation of the laser beam. In other words, the optical decoupling element can be arranged obliquely in the beam path of the machining laser beam or the optical decoupling element can be arranged obliquely, tilted or inclined with respect to the optical axis.
  • the optical decoupling element is preferably designed such that the partial beam is decoupled over the entire cross-sectional area of the laser beam. This means that in addition to the marginal rays of the laser beam, the central rays of the laser beam are also decoupled and measured by the detector.
  • the optical coupling-out element can comprise a protective glass and / or a mirror.
  • the optical decoupling element comprises the last or one of the last transparent optical surfaces of a laser processing head, which is or are located in the direction of propagation of the processing laser beam in front of the workpiece to be processed.
  • the last protective glass of the laser processing head is arranged obliquely or inclined to the optical axis of the laser processing head or to the direction of propagation of the processing laser beam.
  • the Auskopplungsele element for example a protective glass, can be used with a predetermined or increased thickness so that the back reflections of the two sides of the protective glass can be spatially separated easily and reliably.
  • An alternative to decoupling a partial beam by means of protective glass is to deflect the processing laser beam using a semi-transparent mirror and to arrange the detector behind the mirror.
  • the decoupling element can thus comprise a semi-transparent mirror, the detector being arranged on an extension of the optical axis of the processing laser beam before it hits the mirror, but behind the mirror in the direction of beam propagation.
  • the partial beam corresponds to the transmitted part of the laser light hitting the mirror, the reflected part of the laser light hitting the mirror is used as a machining laser beam for material machining.
  • the evaluation unit can be connected to the detector and the control unit.
  • the evaluation unit can receive values of the laser intensity of the partial beam recorded by the detector and / or recorded values of the beam diameter of the partial beam.
  • the evaluation unit can receive values of the focal length of the optical element set by the control unit. Based on the values obtained from the detector and the control unit, the evaluation unit can determine a beam caustic of the partial beam and / or can determine a maximum laser intensity of the partial beam and / or a minimum beam diameter of the partial beam.
  • the evaluation unit can also determine the location of this maximum laser intensity and / or the minimum beam diameter in the direction of propagation of the partial beam or the set focal length of the optical element according to this maximum laser intensity or according to this minimum beam diameter.
  • the invention also relates to a laser processing head which comprises a device according to the invention.
  • the laser processing head is set up to generate a laser beam or a processing laser beam for laser material processing of a workpiece.
  • the optical decoupling element is arranged in the beam path of the laser beam or the machining laser beam.
  • the laser processing head can furthermore comprise a focusing unit for setting a focus position of the laser beam, for example with respect to a workpiece to be processed.
  • the focusing unit can comprise one or more optical elements, such as, for example, a collimation optics or collimation lens or collimation lens group and / or a focusing optics or focusing lens or focusing lens group.
  • the focusing unit can be displaceable along the direction of propagation of the laser beam.
  • the laser processing head can furthermore comprise a control unit.
  • the control unit can be set up to adjust or move the focusing unit based on the focus position determined by the device. For example, the control unit can compare the actual focus position determined by the device, in other words an actual value of the focus position, with a setpoint value of the focus position and set the focus position based on this comparison by adjusting the focus unit. In other words, the control unit is set up to regulate the focus position by the focusing unit based on the actual or current focus position determined by the device. In this way, for example, a focus shift or an undesired change in the focus position of the laser beam due to the phenomenon of the thermal lens can be compensated for.
  • the control unit can receive from the device a value of the focus position determined by the device, i. receive an actual value of the focus position of the machining laser beam and can compare the specific value of the focus position with a target value of the focus position of the machining laser beam. Based on this comparison, the control unit can set or regulate the focal position of the machining laser beam.
  • the laser processing head according to the invention enables automatic regulation or tracking of the focal position of the processing laser beam.
  • the laser processing head according to the invention enables continuous measurement and regulation of the focus position of the processing laser beam. In other words, the focus position can be measured and regulated in real time.
  • the laser processing head can be a modular laser processing head or a laser processing head with an auto focus function, in particular a laser processing head with a large auto focus range of approximately 50 mm or more.
  • the optical decoupling element is preferably arranged in the part of the laser beam that converges towards the focus.
  • the optical decoupling element ment be arranged in the direction of propagation of the laser beam behind the focusing unit in the convergent area of the beam path of the laser beam.
  • the evaluation unit of the device according to the invention can be arranged or integrated in the control unit of the device, in the detector of the device or in the control unit of the laser processing head.
  • the above-described function of the evaluation unit of the device can be carried out by the control unit of the device, by the detector of the device or by the control unit of the laser processing head.
  • the control unit of the laser processing head can be connected directly to the control unit of the optical element with variable focal length and the detector in order to receive the corresponding signals.
  • the function of the evaluation unit can also be carried out jointly by several of these elements.
  • the invention also relates to a method for determining a focus position of a laser beam, in particular a machining laser beam in a laser machining head.
  • the method comprises the steps: decoupling a partial beam from the laser beam, setting a focal length of at least one optical element with an adjustable focal length and guiding the partial beam through the at least one optical element, detecting at least one beam parameter of the partial beam according to the set focal length, and determining the focus position of the laser beam based on the recorded beam parameters and the set focal length.
  • the focus position is based on an extreme value, i. E. a minimum or maximum of the detected beam parameter.
  • the method can further comprise the following step: repeating the steps of setting and recording with at least one further set focal length of the optical element, the set second focal length differing from the set first focal length.
  • the device according to the invention can also be used in the method described above for determining a focus position of a laser beam.
  • 1A and 1B are schematic views of a laser processing head with a device for determining a focus position of a processing laser beam of the laser processing head according to an embodiment of the present invention at different focus positions of the processing laser beam;
  • FIG. 2 shows a schematic view of a laser machining head with a device for determining a focus position of a machining laser beam of the laser machining head according to another embodiment of the present invention
  • FIG. 3A and 3B schematic views of a section of the device for determining a focus position according to embodiments of the present invention
  • FIG. 4A and 4B schematic views of a laser processing head with a device for determining a focus position of a processing laser beam of the laser processing head according to a further embodiment of the present invention
  • 5A shows a diagram of a beam caustic which was determined by an apparatus for determining a focus position according to embodiments of the present invention.
  • 5B shows a graph of a laser intensity which was determined by a device for determining a focus position of a laser beam according to embodiments of the present invention.
  • FIG. 1A is a schematic view of a device for determining a focus position of a machining laser beam of a laser machining head and a laser machining head according to an embodiment of the present invention.
  • the laser machining head 101 is set up to generate a machining laser beam 102.
  • the machining laser 102 is irradiated onto a workpiece (not shown) in order to machine the workpiece.
  • the processing laser beam 102 has a direction of propagation 11.
  • the direction of propagation 11 can be essentially perpendicular to a surface of the workpiece to be processed.
  • the laser processing head 101 comprises a focusing unit 20.
  • the focusing unit 20 is set up to set the focus position of the processing laser 102. As shown in FIG. 1A, the processing laser 102 has a first focus position 12.
  • the focusing unit 20 comprises an element 21 that can be displaced along the direction of propagation 11, for example collimation optics, and an element 22 that is stationary along the direction of propagation 11, for example focusing optics.
  • the optical elements 21 and 22 can be lenses. By moving the displaceable element 21 along the direction of propagation 11, the position of the focus of the laser beam 102 or its focus position is set or changed.
  • the laser processing head 101 further comprises a control unit 31.
  • the control unit is set up to set or control the focal position of the processing laser beam 102.
  • the control unit 31 can be connected to the focusing unit 20.
  • the control unit 31 can be connected to the displaceable element 21 of the focusing unit 20 in order to adjust the position of the displaceable element 21 along the propagation direction 11 of the machining laser beam 102.
  • the control unit 31 can adjust the focusing unit 20 in order to adjust the focus position of the processing laser 102.
  • the focusing unit 20, in particular the displaceable element 21, can thus be viewed as an actuator.
  • the device 81 for determining a focus position of the machining laser beam 102 of the laser machining head 101 comprises an optical decoupling element 814.
  • the optical decoupling element 814 is set up to decouple a partial beam 51 from the machining laser beam 102.
  • the optical decoupling element 814 is a semitransparent optical element.
  • the part of the laser light impinging on the optical decoupling element 814 is decoupled as a partial beam 51.
  • the optical decoupling element 814 is one or the last transparent optical element along the direction of propagation 11 of the machining laser beam 102 before the machining laser beam 102 hits the workpiece to be machined.
  • the optical decoupling element 814 can, for example, be a protective glass of the laser processing head 101.
  • the optical decoupling element 814 is preferably arranged behind the focusing unit 20 along the direction of propagation 11, ie in the focused region of the beam path of the machining laser beam 102.
  • the optical decoupling element 814 is arranged inclined to the direction of propagation 11 or the optical axis of the machining laser beam 102 in order to couple the partial beam 51 out of the beam path of the machining laser beam 102. This means that the machining laser beam 102 strikes a surface of the optical decoupling element 814 at an angle that is not equal to 90 degrees.
  • the decoupled partial beam 51 is deflected or folded by a deflection element 815.
  • This has the advantage that a spatially compact beam guidance of the partial beam 51 is made possible, or that a spatially compact beam path of the partial beam 51 is created so that the device 81 can be made spatially compact.
  • the deflecting element 815 can be designed as a mirror, for example.
  • the deflection element 815 is not required, however.
  • the device 81 further comprises an optical element 812 with an adjustable or variable focal length.
  • the optical element 812 is net angeord in the beam path of the partial beam 51.
  • the partial beam 51 is refracted or focused by the optical element 812.
  • the optical element 812 can therefore change a focus position of the partial beam 51 by means of the adjustable focal length.
  • the optical element 812 has a continuously adjustable focal length and is designed as a deformable lens, for example a liquid or polymer lens.
  • the focal length can be adjusted by the deformation of the optical element 812.
  • the optical element 812 can, however, also comprise several moiré lenses, at least one of which is rotatably mounted.
  • the focal length of the optical element 812 is set by rotating the lenses against each other.
  • the partial beam 51 is deflected by a deflection unit 815 and is then guided through the optical element 812 with an adjustable focal length or passes through the optical element 812.
  • the partial beam 51 then strikes a detector 811, which is arranged behind the optical element 812 along the direction of propagation of the partial beam 51.
  • the device 81 can be configured in such a way that when the focal length of the optical element 812 is set to infinity (ie when the optical element 812 does not refract the partial beam 51), an optical path of the processing laser beam between the focusing unit 20 (e.g.
  • the stationary element 22 the focusing unit 20 and the target focal position of the machining laser beam is equal to an optical path of the partial beam 51 between the focusing unit 20 (eg the stationary element 22 of the focusing unit 20) and the detector 811.
  • the detector is in the focus of the partial beam 51 is arranged.
  • a deviation of the processing laser beam from the target focal position can be recognized by a corresponding change in the beam parameter detected by the detector 811.
  • the detector 811 is a detector which is set up to detect a laser intensity or laser power density of the incident partial beam 51.
  • the detector 811 is designed as a photodiode or as a radiation intensity-sensitive photodetector.
  • the detector 811 can also be set up to detect a diameter of the incident partial beam 51.
  • the detector 811 can be designed as a spatially resolving detector, for example as a CCD camera or as a photodiode array.
  • Both the optical element 812 with variable focal length and the detector 811 are designed to be stationary with respect to the direction of propagation of the partial beam 51. This enables a compact design of the device 81, since no elements that are movable or displaceable along the direction of propagation of the partial beam 51 are required.
  • the device 81 further comprises an evaluation unit 813.
  • the evaluation unit 813 is connected to the optical element 812 and the detector 811.
  • the evaluation unit 813 is set up to set different focal lengths of the optical element 812. This function can also be carried out by a separate control unit (not shown). Furthermore, the evaluation unit 813 is set up to evaluate the laser intensity measured by the detector 811 or the measured beam diameter of the partial beam 51 for each set focal lengths of the optical element 812. In particular, the evaluation unit 813 can be set up, based on the different, respectively set Focal lengths of the optical element 812 and the corresponding values for the laser intensity or the beam diameter of the partial beam 51 detected by the detector 812 to determine a value for the set focal length of the optical element 812 at which the laser intensity has a maximum value or the Beam diameter of the partial beam 51 assumes a minimum value.
  • the evaluation unit 813 can determine a beam caustic of the partial beam 51.
  • the evaluation unit 813 is set up to perform the aforementioned determination of the value of the set focal length of the optical element 812 corresponding to a maximum value of the laser intensity or a minimum value of the beam diameter of the partial beam 51 continuously and / or in real time during laser material processing by the processing laser beam 102 Laser machining head 101 to perform.
  • the evaluation unit 813 can use the value of the set focal length at which the laser intensity assumes a maximum value or the beam diameter of the partial beam 51 assumes a minimum value, and based on a distance between the optical coupling element 814 and the detector 811 along the beam propagation direction of the partial beam 51 in Determine the current focus position of the machining laser beam 102 in real time or continuously.
  • the distance between the optical decoupling element 814 and the detector 811 along the beam propagation direction of the partial beam 51 can be viewed as the optical path of the partial beam 51.
  • the evaluation unit 813 can be connected to the control unit 31.
  • the control unit 31 receives the actual value or the specific value of the actual focus position of the machining laser beam 102 from the evaluation unit 813 and compares the received actual value with the set value or the target value for the focus position. If the comparison shows that the set target value deviates from the actual value, for example because of a shift in the focus position due to a thermal lens, the control unit 31 controls the focusing unit 20 in such a way that the focus or the focus position of the machining laser beam 102 is tracked or that the deviation is compensated.
  • FIG. 1B shows the device 81 and the laser processing head 101 according to the embodiment shown in FIG. 1A with a set second focus position 13 of the processing laser beam 102.
  • Fig. 2 shows a schematic view of a laser processing head with a device for determining a focus position of the processing laser beam according to another Ausense approximate form of the present invention.
  • the embodiment shown in Fig. 2 of the present The invention corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B except for the differences described below.
  • the optical decoupling element 814 of the embodiment shown in FIG. 2 differs from the optical decoupling element 814 of the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B in that the optical decoupling element comprises a mirror.
  • the mirror is semi-transparent or semi-permeable.
  • the mirror reflects part of the incident laser light as the processing laser beam 102.
  • the non-reflected part of the incident laser light is coupled out as partial beam 51.
  • the coupled-out partial beam 51 is the transmitted part of the laser light impinging on the mirror and the machining beam 102 is reflected by the mirror and directed onto a workpiece to be processed.
  • the device 81 does not include a deflection element.
  • 3A and 3B each show a schematic view of a section of the device of FIGS. 1A and 1B.
  • 3A and 3B each show the deflection unit 815, the optical element 812 and the detector 811, which are arranged one after the other in the beam path of the partial beam 51.
  • the optical element 812 in the state shown in FIG. 3A has a different set focal length than in the state shown in FIG. 3B.
  • the respectively set focal lengths of the optical element 812 result in the partial beam 51 having a minimum beam diameter at the detector.
  • the partial beam 51 can be focused on the detector 811 with the help of the optical element 812 with adjustable focal length, regardless of the focus position of the processing laser beam 102.
  • the beam diameter of the partial beam 51 or the laser intensity of the partial beam 51 which is detected by the detector 811 depends on the one hand on the set focal length of the optical element 812 and on the other hand on the setting of the focusing unit 20 of the laser processing head 101 and the phenomenon of thermal lens, wel Ches can occur in the focusing unit 20, for example. Therefore, the partial beam 51 coupled out by the optical coupling-out element in FIGS. 3A and 3B also has different beam diameters.
  • the focal position 12 is, however, determined based on the minimum beam diameter or the maximum intensity.
  • FIGS. 4A and 4B are schematic views of a laser processing head with a device for determining a focal position of the processing laser beam according to another embodiment of the present invention.
  • the further embodiment of the present invention shown in FIGS. 4A and 4B corresponds to the embodiment shown in FIGS. 1A and 1B except for the differences described below.
  • the optical element 812 with adjustable focal length according to the embodiment shown in FIGS. 4A and 4B comprises a reflective optical element, such as a deformable mirror.
  • the deformable mirror can be, for example, a piezoelectrically deformable mirror or a MEMS (“microoptoeletromechanical adaptive”) -based mirror.
  • the deformable mirror can also be a mirror with a radius that is variable under pressure.
  • the focal length of the optical element 812 can be adjusted by the deformation or deformation of the optical element 812.
  • FIG. 4A shows the device 81 and the laser processing head with a set first focus position 12.
  • FIG. 4B shows the device 81 and the laser processing head 101 according to the embodiment shown in FIG. 4A with a set second focus position 13, which is longer than that first focus position 12.
  • 5A is a diagram of beam caustic determined by an apparatus 81 for determining a focus position in accordance with embodiments of the present invention.
  • 5B is a graph of the laser intensity of the partial beam 51 along its beam propagation direction, which was determined by a device 81 for determining a focus position of a laser beam according to embodiments of the present invention.
  • the change in the beam diameter is mathematically described with the so-called beam caustics depending on the direction of propagation of the laser beam or the partial beam.
  • 5A is an illustration of such a beam caustic of the partial beam 51, which was determined by a device for determining a focus position of a laser beam according to embodiments of the present invention.
  • the beam caustics of the partial beam 51 can also be obtained by detecting or measuring the respective values for the beam diameter of the partial beam 51 by means of the device 81 at different values for the set focal length of the optical element 812 by means of the detector 811 (corresponding to the circles in Figure 5A).
  • the beam caustic can be determined as the envelope in FIG. 5A in order to characterize the partial beam 51.
  • an evaluation based on the extreme value of the beam parameter is easier and faster.
  • the laser intensity of the partial beam 51 can be determined by the detector 811 as a function of the set focal length of the optical element 812.
  • the laser intensity reaches a maximum for a focal length of the optical element 812 at which the diameter of the partial beam 51 is minimal.
  • the device used to determine a focus position of a laser beam in particular a processing laser beam of a laser processing head, an op table element with adjustable focal length and a detector, which are arranged one after the other in the direction of propagation of a partial beam that is coupled out of the laser beam.
  • the detector is set up to detect a beam parameter, such as a laser intensity and / or a beam diameter, of the partial beam.
  • An evaluation unit can also be provided in order to determine a set focal length of the optical element at which the laser intensity assumes a maximum value or at which the beam diameter assumes a minimum value. Based on the set focal length of the optical element, it is possible to determine a focus position of the laser beam.

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Abstract

Es ist eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf, offenbart, wobei die Vorrichtung umfasst: ein optisches Auskopplungselement zum Auskoppeln eines Teilstrahls aus einem Strahlengang des Laserstrahls, einen Detektor zum Erfassen von zumindest einem Strahlparameter des Teilstrahls, und zumindest ein optisches Element mit einstellbarer Brennweite, welches in einem Bereich des Strahlengangs des Teilstrahls zwischen dem optischen Auskopplungselement und dem Detektor angeordnet ist. Ferner ist ein Laserbearbeitungskopf umfassend eine solche Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls umfasst.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls
Hintergrund
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf, und ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls. Die Erfindung be trifft ferner einen Laserbearbeitungskopf umfassend eine solche Vorrichtung. Derartige Vorrichtungen und Verfahren können zur Bestimmung und Regelung der Fokuslage in ei nem Laserbearbeitungskopf bei der Lasermaterialbearbeitung eingesetzt werden.
Stand der Technik
Ein Problem bei der Lasermaterialbearbeitung ist die sogenannte„thermische Linse“ (ther misch induzierte Brechkraftänderung), die auf die Erwärmung von optischen Elementen zur Laserstrahlführung und -fokussierung durch die Laserleistung, insbesondere im Multi- Kilowatt-Bereich, und auf die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl optischer Gläser zu rückzuführen ist. Die thermische Linse führt bei der Lasermaterialbearbeitung zu einer Fo kusverschiebung entlang der Strahlausbreitungsrichtung, die sich negativ bei der Bearbei tung eines Werkstücks auswirkt. Zur Sicherstellung der Bearbeitungsqualität ist daher eine Kontrolle über die Fokuslage durch ihre Vermessung erwünscht. Es ist also erforderlich, die jeweilige Fokuslage zu erfassen und die Fokuslagenverschiebung auszugleichen, also eine schnelle und präzise Fokuslagenregelung bereitzustellen.
Die thermische Linse hat ihre Ursache in einem thermischen Gradienten entlang der radia len Richtung der optischen Komponenten. Wegen der radialen Laserleistungsverteilung ist die Temperatur und somit die Brechungsindexänderung in der Mitte der Optiken deutlich stärker als am Rand. Wird nur ein Bruchteil des Laserstrahls vermessen, geht Information über die thermische Linse verloren und es ist nicht möglich, ihren Einfluss auf die Fokusla ge präzise zu ermitteln. Bei einer sehr ausgeprägten thermischen Linse ist eine sphärische Aberration zu erwarten. Die Randstrahlen und die achsnahen Strahlen treffen sich also nicht im gleichen Fokus wegen der unterschiedlichen Temperaturen am Rand und in der Mitte der optischen Komponenten. Zudem ist der Leistungsanteil von Randstrahlen kleiner als der der achsnahen Strahlen. Wird die Fokuslage nur mit der Information der Randstrahlen ermittelt, ist also auch nur eine geringe Genauigkeit der Messung zu erwarten. Die thermische Linse führt nicht nur zu einer Fokusverschiebung, sondern auch aufgrund von Abbildungsfehlern zu einer Verschlechterung der Strahlqualität. Dies hat eine Änderung der gesamten Strahl- kaustik, also auch des Fokusdurchmessers zur Folge. Die Ermittlung der Fokuslage durch einen Vergleich mit Referenzwerten ist daher ungenau.
Zur Bestimmung der Fokuslage eines Laserstrahls sind verschiedene Verfahren und Vor richtungen bekannt. Das Problem ist die Integration dieser Verfahren und Vorrichtungen in einen Laserbearbeitungskopf, um eine präzise Fokuslagenvermessung in Echtzeit während eines Lasermaterialbearbeitungsprozesses sicherzustellen.
Der internationale Standard ISO 11146 legt Verfahren zur Vermessung von Laserstrahlen, insbesondere Prüfverfahren für Laserstrahlparameter, fest. Dabei ist insbesondere angege ben, wie Strahlabmessungen, beispielsweise Strahlbreiten oder -durchmesser, Divergen zwinkel, Strahlpropagationsfaktor, Beugungsmaßzahl und Strahlqualität, zu messen sind. Zur Bestimmung der Fokuslage, also der Lage des kleinsten Durchmessers des Strahls, wird der Strahldurchmesser an mindestens zehn Stellen längs des Strahlverlaufes bestimmt. Die Änderung des Strahldurchmessers wird in Abhängigkeit von der Strahlausbreitungsrichtung bzw. Strahlpropagationsrichtung mathematisch mit der sogenannten Strahlkaustik beschrie ben. Durch Anpassung der gemessenen Strahldurchmesser an die Strahlkaustik können so wohl die Fokuslage als auch alle anderen Laserstrahlparameter ermittelt werden.
Gemäß der DE 10 2015 106 618 B4 erfolgt eine Fokuslagenregelung aufgrund der Laser leistung unter Verwendung eines entsprechenden Kennfeldes, das die Fokusverschiebung in Abhängigkeit von der Laserleistung beschreibt.
Mit Verfahren und Vorrichtungen, die ohne die Vermessung der Ist-Fokuslage eine Fokus lageregelung ermöglichen, lässt sich zwar eine Verbesserung in der Bearbeitungsqualität mit minimalem bautechnischem Aufwand erreichen, jedoch lässt sich keine hohe Präzision in der Fokuslagenregelung und deswegen auch keine hone Bearbeitungsqualität erzielen.
Die DE 196 30 607 CI beschreibt eine Vorrichtung zum Überwachen der Energie eines Laserstrahls. Durch Schrägstellung eines Fensters in Bezug auf die Achse des Laserstrahls wird ein Teil aus dem Laserstrahl ausgekoppelt und auf einen Detektor gerichtet. Der De tektor ist dabei in einer Bildebene einer den Laserstrahl auf ein Substrat abbildenden Optik angeordnet, die der Oberfläche des Substrats entspricht. Darüber hinaus sind, insbesondere beim Laserschneiden, Laserbearbeitungsköpfe mit einem möglichst großen Autofokusbereich bevorzugt. Je größer der Autofokusbereich, desto schwieriger ist es jedoch, eine einfache und kompakte Fokuslagenmessung bereitzustellen. Mit anderen Worten führt ein größerer Autofokusbereich zu einem größeren bautechnischen Volumen. Zum Beispiel benötigt ein Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden mit einem Autofokusbereich von 50 mm eine Fokuslagen-Messvorrichtung, die innerhalb dieses Be reichs eine gleichbleibende Messauflösung erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Es ist also eine Aufgabe der Erfindung, eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstahls eines Laserbearbeitungskop fes, vorzugsweise in Echtzeit, bereitzustellen, die sich mit minimalem bautechnischen Auf wand und auf kompakte und auf einfache Weise umsetzen oder in einen Laserbearbeitungs kopf integrieren lässt, sowie einen Laserbearbeitungskopf mit derselben. Eine weitere Auf gabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur einfachen und präzisen Bestimmung einer Fo kuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbei tungskopfs, vorzugsweise in Echtzeit, bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung gemäß Anspruch 1, den Laserbearbeitungskopf gemäß Anspruch 11 und das Verfahren gemäß Anspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestal tungen sind Gegenstand abhängiger Ansprüche.
Die erfmdungsgemäße Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes, umfasst gemäß einer Ausführungsform: ein optisches Auskopplungselement zum Auskoppeln eines Teil strahls aus einem Strahlengang des Laserstrahls, einen Detektor zum Erfassen von zumin dest einem Strahlparameter des Teilstrahls, und zumindest ein optisches Element mit ein stellbarer Brennweite, welches in einem Strahlengang des Teilstrahls zwischen dem opti schen Auskopplungselement und dem Detektor angeordnet ist.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung ferner eine Auswerteeinheit, die eingerichtet ist, basierend auf mehreren Werten des zumindest einen erfassten Strahlparameters des Teil strahls und entsprechenden dazugehörigen Werten der eingestellten Brennweite des opti schen Elements die Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Mittels des optischen Elements mit einstellbarer oder variabler Brennweite im Strahlengang des Teilstrahls und dem nachfolgend angeordneten Detektor ist es möglich, den Strahlpara meter entlang der Ausbreitungsrichtung oder Propagationsrichtung des Teilstrahls bzw. ent lang der optischen Achse des Teilstrahls bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des optischen Elements zu erfassen. Beispielsweise kann für jede eingestellte Brennweite des optischen Elements ein entsprechender Wert für den Strahlparameter des Teil Strahls ermit telt werden. Dadurch lässt sich beispielsweise eine Strahlkaustik des Teilstrahls abtasten oder bestimmen. Da die Strahlkaustik des ausgekoppelten Teilstrahls mit der Strahlkaustik des Laserstrahls korrespondiert, lässt sich anhand der Strahlkaustik des ausgekoppelten Teilstrahls die aktuelle bzw. tatsächliche Strahlkaustik des Laserstrahls bestimmen.
Auch kann die Auswerteinheit eingerichtet sein, eine eingestellte Brennweite des optischen Elements zu bestimmen, bei der der zumindest eine erfasste Strahlparameter einen Maxi mal- oder einen Minimalwert annimmt. Anhand des erfassten Strahlparameters und der ent sprechenden eingestellten Brennweite des optischen Elements kann die tatsächliche Fokus lage des Laserstrahls, insbesondere des Bearbeitungslaserstrahls, bestimmt werden. Vor zugsweise kann zur Bestimmung der Fokuslage eine eingestellte Brennweite des optischen Elements bestimmt werden, bei der der Strahlparameter des Teilstrahls einen Extremwert annimmt, z.B. bei der die Laserintensität des Teilstrahls einen Maximalwert und/oder bei der der Strahldurchmesser des Teilstrahls einen Minimalwert annimmt. Basierend auf die sem Wert für die eingestellte Brennweite kann schließlich die Fokuslage des Laserstrahls bzw. des Bearbeitungslaserstrahls bestimmt werden.
Andererseits lässt sich während eines Bearbeitungsprozesses mittels des Bearbeitungslaser strahls des Laserbearbeitungskopfs bestimmen, ob sich die Fokuslage des Laserstrahls ver ändert hat. Dazu kann die Brennweite des optischen Elements konstant gehalten werden, d.h. sie ist fest eingestellt. Zu Beginn oder vor dem Start des Bearbeitungsprozesses wird eine gewünschte Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls, z.B. auf einem zu bearbeitenden Werkstück, eingestellt und durch den Detektor ein Referenzwert des Strahlparameters des Teilstrahls ermittelt. Hierbei kann das optische Element mit einstellbarer Brennweite so eingestellt sein, dass die einstellbare Brennweite unendlich beträgt, bzw. keine Brechkraft eingestellt ist. Im Verlauf des Bearbeitungsprozesses kann sich die Brechkraft eines opti schen Elements des Laserbearbeitungskopfes verändern, insbesondere aufgrund des Phäno mens der thermischen Linse, was zu einer Änderung der Fokuslage des Laserstrahls führt. Dies führt ebenfalls zu einer Veränderung des vom Detektor erfassten Strahlparameters des Teilstrahls. Die Veränderung kann durch Vergleich des durch den Detektor kontinuierlich erfassten Strahlparameters mit dem zuvor gemessenen Referenzwert bestimmt werden und ist ein Maß für die Veränderung der Fokuslage des Teilstrahls. Dadurch kann eine Verände rung der Fokuslage des Laserstrahls bestimmt werden. Zudem kann ein Unterschied zwi schen der aktuellen Fokuslage und der Fokuslage zu Beginn des Bearbeitungsprozesses des Laserstrahls anhand des Vergleichs des durch den Detektor kontinuierlich erfassten Strahl parameters mit dem zuvor ermittelten Referenzwert bestimmt werden.
Die Auswerteinheit kann eingerichtet sein, die Fokuslage des Laserstrahls auch basierend auf zumindest einem der folgenden Werte zu bestimmen: Orientierung des optischen Aus kopplungselements, Abstand des optischen Auskopplungselements zum Detektor, Abstand des optischen Auskopplungselements zur Fokussiereinheit, Abstand des optischen Aus kopplungselements zum optischen Element mit einstellbarer Brennweite und Abstand des optischen Elements mit einstellbarer Brennweite zum Detektor, wobei der Abstand hier die Weglänge entlang der Strahlausbreitungsrichtung des ausgekoppelten Teilstrahls bezeich net.
Die Laserintensität kann auch als Flächenleistungsdichte oder kurz„Leistungsdichte“ be zeichnet werden. Die Flächenleistungsdichte kann beispielsweise mit der Einheit„Watt pro Quadratmeter“ angegeben werden.
Um also eine einfache und bautechnisch kompakte Lösung zum präzisen Bestimmen einer Fokuslage, vorzugsweise in Echtzeit, während des Laserbearbeitungsprozesses zu erhalten, wird in einem ersten Schritt ein Teilstrahl aus dem Laserstrahl ausgekoppelt. In einem zwei ten Schritt wird die Fokuslage des ausgekoppelten Teilstrahls mit Hilfe eines optischen Elements mit einstellbarer Brennweite und eines Detektors ermittelt.
Das optische Element mit einstellbarer Brennweite kann stationär im Strahlengang des Teil strahls, zumindest aber stationär in Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls, angeordnet sein. Gemäß einer Ausführungsform ist das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls stationär angeordnet. Mit anderen Worten kann die Position des optischen Elements entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls fest oder festgelegt sein. Auch die Position des Detektors kann entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls fest oder festgelegt bzw. stationär sein. Vorzugsweise ist der Detektor im Strahlengang des Teilstrahls angeordnet, sodass der Teilstrahl auf den Detektor trifft, nachdem er das optische Element mit einstellbarer Brennweite passiert hat. Mit anderen Worten kann der Detektor im Strahlengang des Teilstrahls hinter dem opti schen Element angeordnet sein. Das optische Element mit einstellbarer Brennweite kann eine Autofokusfunktion aufweisen. Durch das optische Element mit variabler Brennweite ist es möglich, die Fokuslage des La serstrahls bzw. die Strahlkaustik zu bestimmen, ohne das optische Element mit einstellbarer Brennweite oder den Detektor entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls bzw. axial zu verschieben. Dadurch wird eine kompakte Bauform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ermöglicht. Ferner wird es dadurch möglich, die Fokuslage des Laserstrahls in Echtzeit zu ermitteln, da es nicht erforderlich ist, ein Element der Vorrichtung mittels eines Aktuators oder Motors zu verschieben. Außerdem kann die Vorrichtung und, somit auch der Laserbe arbeitungskopf mit derselben, weniger komplex und einfacher aufgebaut sein, da beispiels weise keine Führungselemente für die Verschiebung von Elementen erforderlich sind.
Darüber hinaus kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in Laserbearbeitungsköpfen mit Autofokusfunktion oder in modularen Laserbearbeitungsköpfen verwendet werden. Bei spielsweise kann die erfindungsgemäße Vorrichtung ohne großen bautechnischen bzw. kon struktiven Aufwand und Einfluss bei Laserbearbeitungsköpfen mit unterschiedlichen Fokus sierungsbrennweiten verwendet werden. Beispielsweise kann die erfindungsgemäße Vor richtung sowohl bei einem Laserbearbeitungskopf mit einer Brennweite von 150mm als auch bei einem Laserbearbeitungskopf mit einer Brennweite von 200mm verwendet wer den. Der Unterschied in der Brennweite kann mittels des optischen Elements mit einstellba rer bzw. variabler Brennweite, beispielsweise mittels einer Flüssiglinse, kompensiert wer den.
Der Detektor kann eingerichtet sein, um eine Laserintensität und/oder einen Strahldurch messer des Teilstrahls zu erfassen. Gemäß einer Ausführungsform ist der Detektor einge richtet, die Laserintensität und/oder den Strahldurchmesser des Teilstrahls bei verschiede nen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Elements zu erfassen. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, einen eingestellten Wert der Brennweite des opti schen Elements entsprechend einer maximalen Laserintensität des Teilstrahls und/oder ent sprechend einem minimalen Strahldurchmesser des Teilstrahls zu bestimmen.
Beispielsweise ist der Detektor als ein Einzelpixel-Sensor ausgestaltet. Dadurch wird eine Auswertung der vom Detektor erzeugten Signale oder Daten vereinfacht. Der Detektor kann ein nicht-ortsauflösender Sensor sein. In diesem Fall ist eine Sensorfläche des Detektors vorzugsweise kleiner als eine dem minimalen Strahldurchmesser entsprechende Quer- schnittsfläche des Teilstrahls. Mit anderen Worten kann ein Querschnitt der Sensorfläche kleiner als der Strahldurchmesser des Teilstrahls sein. Die Sensorfläche des Detektors kann innerhalb der Querschnittsfläche bzw. innerhalb des Strahldurchmessers des Teilstrahls an- geordnet sein, vorzugsweise ist die Sensorfläche auf der optischen Achse des Teilstrahls angeordnet.
Die Vorrichtung kann ferner eine Blende umfassen, die zwischen dem optischen Element mit einstellbarer Brennweite und dem Detektor angeordnet ist. Die Blende ist vorzugsweise koaxial zur bzw. auf der optischen Achse des ausgekoppelten Teilstrahls angeordnet. Die Fläche der Blendenöffnung kann gleich wie oder kleiner als eine dem minimalen Strahl durchmesser entsprechende Querschnittsfläche des Teilstrahls sein. Dadurch kann sicherge stellt werden, dass der Detektor stets eine Laserintensität des Teil Strahls ermittelt, die von der Fokuslage des Teilstrahls bzw. der Fokuslage des Laserstrahls abhängig ist, auch wenn kein ortsauflösender Detektor oder ein Einzelpixel sensor mit größerer Fläche verwendet wird.
In einem anderen Beispiel kann als Detektor ein bestrahlungsstärkeempfindlicher Photode tektor, der ein Einzelpixel sensor sein kann, verwendet werden. Bei dieser Art von Photode tektor ist der Sensorausgang nicht nur abhängig von dem Gesamtfluss der einfallenden Pho tonen, sondern auch von der Größe der Fläche, auf die sie eintreffen. Das bedeutet, dass das Signal des Sensorausgangs entlang der Strahlausbreitung des Teilstrahls variiert, wenn der Strahldurchmesser variiert. Dadurch wird eine Messung der Bestrahlungsstärke ermöglicht. Die Bestrahlungsstärke erreicht ein Maximum in Fokus entlang der Ausbreitungsrichtung. Somit erreicht die Laserintensität ein Maximum dort, wo der Strahldurchmesser entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls am kleinsten ist.
Die Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit ist eine nichtlineare Photoempfindlichkeit, wie sie typisch für viele Dünnschichtsolarzellentechnologien, beispielsweise eine Grätzel- Zelle (auch elektrochemische Farbstoffsolarzelle, englisch„dye-sensitized solar cell“), ist. Die elektrochemische Farbstoffsolarzelle verwendet zur Absorption von Licht kein Halb leitermaterial, sondern organische Farbstoffe. Die Ladungsübermittlungsprozesse bei diesen Photodetektor-Technologien führen in Vergleich zu anderen Halbleiter-Technologien (Sili zium, InGaAs, etc.) zu einer bestrahlungsstärkeabhängigen Empfindlichkeit aufgrund von stark lokalisierten Ladungsträgern und Ladungsübermittlungsprozessen. Der Detektor kann auch einen ortauflösenden Sensor umfassen, z.B. einen Mehrpixel- Sensor oder eine CCD-Kamera. Dies ermöglicht eine Erfassung des Strahldurchmessers des Teilstrahls. In diesem Fall kann die Auswerteeinheit eingerichtet sein, basierend auf einem durch den Sensor erfassten Strahl durchmesser die Fokuslage zu bestimmen. Der Detektor kann auch ein Photodioden-Array umfassen. In diesem Fall kann die Pixelzahl kleiner sein als bei einer CCD-Kamera. Dadurch kann die Auswertung des Detektorsignals vereinfacht werden.
Vorzugsweise weist das zumindest eine optische Element eine kontinuierliche und/oder beliebig einstellbare bzw. variable Brennweite auf. Die Brennweite des optischen Elements kann zum Beispiel zwischen -lm und +lm variieren.
Das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite kann ein deformierbares bzw. verformbares optisches Element umfassen. Beispielsweise kann das optische Element mit variabler Brennweite eine deformierbare Linse umfassen. Ein Beispiel für eine defor mierbare Linse ist eine Flüssiglinse. Das Licht brechende Material kann eine Flüssigkeit sein. Das Licht brechende Material kann ebenfalls ein deformierbares Polymer sein. In die sem Fall ist die deformierbare Linse eine Polymerlinse. Ebenso kann das optische Element mit variabler Brennweite einen deformierbaren Spiegel umfassen. Der deformierbare Spie gel kann beispielsweise ein piezoelektrisch verformbarer Spiegel oder ein MEMS („microoptoeletromechanical adaptive“) -basierter Spiegel sein. Der deformierbare Spiegel kann auch ein Spiegel mit durch Druck variablen Radius sein. Somit können gemäß der vorliegenden Erfindung reflektierende deformierbare optische Elemente und transmissive deformierbare optische Elemente als das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite verwendet werden.
Das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite kann mehrere gegeneinander verdrehbare optische Elemente umfassen. Beispielsweise kann das optische Element mit variabler Brennweite fokussierbare Moire-Linsen oder ein Moire-Linsenpaar umfassen. Diese Linsen lassen sich über einen breiten Brennweitenbereich durch Verdrehung fokussie ren.
Das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite kann eines oder mehrere der vorstehend genannten Elemente umfassen oder kann eine Kombination verschiedener der vorstehend genannten Elemente umfassen. Beispielsweise kann das zumindest eine optische Element mit variabler Brennweite als eine Linsengruppe ausgebildet sein, wobei eine der Linsen der Linsengruppe eine Flüssiglinse ist. Die Vorrichtung kann ferner eine Steuereinheit umfassen, die eingerichtet ist, die Brennwei te des zumindest einen optischen Elements mit einstellbarer Brennweite einzustellen.
Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, die Brennweite des optischen Elements zu steuern. Die Steuereinheit kann eingerichtet sein, die Brennweite des optischen Elements kontinuierlich oder diskret einzustellen. Mit anderen Worten kann die Steuerein heit eingerichtet sein, verschiedene Werte für die Brennweite des optischen Elements einzu stellen. Dadurch ist es möglich, die Strahlkaustik des Teilstrahls zu vermessen bzw. abzu tasten.
Gemäß einer Ausführungsform kann das zumindest eine optische Element mit einstellbarer Brennweite ein erstes optisches Element mit einstellbarer Brennweite und ein zweites opti sches Element mit einstellbarer Brennweite umfassen. Die Steuereinheit kann dazu einge richtet sein, die Brennweite des ersten optischen Elements unabhängig von der Brennweite des zweiten optischen Elements einzustellen. Die Steuereinheit kann ferner dazu eingerich tet sein, die Brennweite des ersten optischen Elements basierend auf einer Soll-Fokuslage des Laserstrahls des Laserbearbeitungssystems einzustellen. Dieser Wert für die Brennweite des ersten optischen Elements kann anschließend konstant gehalten werden. Die Brennweite des zweiten optischen Elements kann, z.B. kontinuierlich, variiert werden, um so verschie dene Werte für den zumindest einen Strahlparameter zu erfassen.
Mit anderen Worten kann die Steuereinheit eingerichtet sein, durch Einstellen der Brenn weite des ersten optischen Elements, eine Abbildung eines Endes einer Lichtleitfaser des Laserbearbeitungskopfes auf dem Detektor der Vorrichtung zu ermöglichen. Dadurch kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auf die eingestellte Fokuslage des Laserstrahls, d.h. auf den Soll-Wert der Fokuslage, des Bearbeitungslaserstrahls eingestellt werden. Dies ent spricht einer Voreinstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung entsprechend der einge stellten Fokuslage oder Soll-Fokuslage des Laserstrahls. Die Steuereinheit kann ferner ein gerichtet sein, die Brennweite des zweiten optischen Elements, z.B. kontinuierlich, zu ver ändern, so dass, wie vorstehend dargestellt, beispielsweise aus dem Maximum der Laserin tensität entlang der Strahlausbreitungsrichtung, die tatsächliche bzw. aktuelle Fokuslage des Laserstrahls, d.h. den Ist-Wert der Fokuslage, bestimmt werden kann.
Die Funktionalität der Steuereinheit kann auch durch die Auswerteeinheit ausgeführt wer den. Gemäß einem Ausführungsbeispiel ist das optische Auskopplungselement eingerichtet, den Teilstrahl mittels Teilreflexion aus dem Strahlengang des Laserstrahls auszukoppeln. Das optische Auskopplungselement kann semitransparent für den Laserstrahl ausgebildet sein. Der ausgekoppelte Teilstrahl kann der reflektierte oder der transmittierte Anteil des auftref fenden Laserstrahls sein. Das optische Auskopplungselement kann als Strahlteiler ausgebil det sein, oder kann einen Strahlteiler umfassen.
Das optische Auskopplungselement kann eingerichtet sein, den Teilstrahl mit einer Strahl ausbreitungsrichtung, die einen Winkel größer 0° und kleiner 180°, vorzugsweise größer oder gleich 90° und kleiner 180°, oder zwischen 45° und 135°, mit einer Strahlausbreitungs richtung des Laserstrahls nach Durchtreten durch das optische Auskopplungselement ein schließt. Das optische Auskopplungselement kann gegen die Ausbreitungsrichtung des La serstrahls geneigt angeordnet sein. Mit anderen Worten kann das optische Auskopplungs element im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls schräg angeordnet sein oder das opti sche Auskopplungselement kann bezüglich der optischen Achse schräg, gekippt oder ge neigt angeordnet sein.
Vorzugsweise ist das optische Auskoppelelement derart ausgebildet, dass die Auskopplung des Teilstrahls über die gesamte Querschnittsfläche des Laserstrahls erfolgt. Dadurch wer den neben den Randstrahlen des Laserstrahls auch die mittleren Strahlen des Laserstrahls ausgekoppelt und vom Detektor vermessen.
Das optische Auskopplungselement kann ein Schutzglas und/oder einen Spiegel umfassen.
Beispielsweise umfasst das optische Auskopplungselement die letzte oder eine der letzten transparenten optischen Flächen eines Laserbearbeitungskopfs, die sich in Ausbreitungs richtung des Bearbeitungslaserstrahls vor dem zu bearbeitenden Werkstück befindet bzw. befinden. Beispielsweise ist dazu das letzte Schutzglas des Laserbearbeitungskopfes schräg oder geneigt zur optischen Achse des Laserbearbeitungskopfes bzw. zur Ausbreitungsrich tung des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet.
Bei der Auskopplung des Teilstrahls, beispielsweise mittels eines Schutzglases, kann es zur Auskopplung von mehreren Teilstrahlen durch Reflexion an verschiedenen Flächen des Auskopplungselements kommen. Der Teilstrahl kann hier auch als Rückreflex bezeichnet werden. Erfindungsgemäß ist nur ein ausgekoppelter Teilstrahl notwendig bzw. erwünscht, um zur Erfassung des zumindest einen Strahlparameters verwendet zu werden. Um zu ver hindern, dass mehrere Teilstrahlen ausgekoppelt werden bzw. um zu verhindern, dass uner- wünschte ausgekoppelte Teilstrahlen zum Detektor gelangen, kann das Auskopplungsele ment, beispielsweise ein Schutzglas, mit einer vorgegebenen oder erhöhten Dicke verwen det werden, sodass die Rückreflexe der beiden Seiten des Schutzglases einfach und zuver lässig räumlich getrennt werden können. Als alternative Maßnahmen zur Trennung der zu sätzlichen Rückreflexe sind unterschiedliche Beschichtungen an den entlang der optischen Achse hintereinander angeordneten Flächen des optischen Auskopplungselements bzw. des Schutzglases möglich, oder es kann ein keilförmiges Schutzglas als Auskopplungselement verwendet oder zusätzlich ein Keil im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls ange ordnet werden.
Eine Alternative zur Auskopplung eines Teilstrahls mittels Schutzglases ist die Umlenkung des Bearbeitungslaserstrahls mithilfe eines halbdurchlässigen Spiegels und die Anordnung des Detektors hinter dem Spiegel. Das Auskopplungselement kann also einen halbdurchläs sigen Spiegel umfassen, wobei der Detektor auf einer Verlängerung der optischen Achse des Bearbeitungslaserstrahls vor Auftreffen auf dem Spiegel, aber in Strahlausbreitungsrich tung hinter dem Spiegel angeordnet ist. In diesem Fall entspricht der Teilstrahl dem trans- mittierten Teil des auf dem Spiegel auftreffenden Laserlichts, der reflektierte Teil des auf dem Spiegel auftreffenden Laserlichts wird als Bearbeitungslaserstrahl zur Materialbearbei tung verwendet.
Die Auswerteeinheit kann mit dem Detektor und der Steuereinheit verbunden sein. Die Auswerteeinheit kann vom Detektor erfasste Werte der Laserintensität des Teilstrahls und/oder erfasste Werte des Strahldurchmessers des Teilstrahls erhalten. Die Auswerteein heit kann von der Steuereinheit eingestellte Werte der Brennweite des optischen Elements erhalten. Basierend auf den vom Detektor und der Steuereinheit erhaltenen Werten kann die Auswerteeinheit eine Strahlkaustik des Teilstrahls und/oder kann eine maximale Laserinten sität des Teilstrahls und/oder einen minimalen Strahldurchmesser des Teilstrahls bestim men. Die Auswerteeinheit kann ferner den Ort dieser maximalen Laserintensität und/oder des minimalen Strahldurchmessers in Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls oder die einge stellte Brennweite des optischen Elements entsprechend dieser maximalen Laserintensität bzw. entsprechend diesem minimalen Strahldurchmesser bestimmen.
Die Erfindung betrifft ferner einen Laserbearbeitungskopf, der eine erfmdungsgemäße Vor richtung umfasst. Gemäß einer Ausführungsform ist der Laserbearbeitungskopf eingerichtet, einen Laserstrahl bzw. einen Bearbeitungslaserstrahl zur Lasermaterialbearbeitung eines Werkstücks zu erzeugen. Das optische Auskopplungselement ist erfmdungsgemäß im Strah lengang des Laserstrahls bzw. des Bearbeitungslaserstrahls angeordnet. Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine Fokussiereinheit zum Einstellen einer Fokusla ge des Laserstrahls, z.B. bezüglich eines zu bearbeitenden Werkstücks, umfassen. Die Fo kussiereinheit kann ein oder mehrere optische Elemente umfassen, wie beispielsweise eine Kollimationsoptik bzw. Kollimationslinse bzw. Kollimationslinsengruppe und/oder eine Fokussieroptik bzw. Fokussierlinse oder Fokussierlinsengruppe. Die Fokussiereinheit, bzw. zumindest eines oder mehrere Elemente oder Teile der Fokussiereinheit, kann entlang der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls verschiebbar sein. Der Laserbearbeitungskopf kann ferner eine Regeleinheit umfassen. Die Regeleinheit kann eingerichtet sein, basierend auf der durch die Vorrichtung bestimmten Fokuslage die Fokussiereinheit einzustellen oder zu verschieben. Beispielsweise kann die Regeleinheit die durch die Vorrichtung bestimmte tatsächliche Fokuslage, mit anderen Worten ein Ist-Wert der Fokuslage, mit einem Soll- Wert der Fokuslage vergleichen und basierend auf diesem Vergleich durch Einstellen der Fokussiereinheit die Fokuslage einstellen. Mit anderen Worten ist die Regeleinheit einge richtet, durch die Fokussiereinheit die Fokuslage basierend auf der durch die Vorrichtung bestimmten tatsächlichen bzw. aktuellen Fokuslage zu regeln. Dadurch kann beispielsweise ein Fokusshift oder eine unerwünschte Änderung der Fokuslage des Laserstrahls aufgrund des Phänomens der thermischen Linse ausgeglichen bzw. kompensiert werden.
Die Regeleinheit kann von der Vorrichtung einen durch die Vorrichtung bestimmten Wert der Fokuslage, d.h. einen Ist-Wert der Fokuslage, des Bearbeitungslaserstrahls empfangen und kann den bestimmten Wert der Fokuslage mit einem Soll-Wert der Fokuslage des Bear beitungslaserstrahls vergleichen. Basierend auf diesem Vergleich kann die Regeleinheit die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls einstellen bzw. regeln.
Der erfindungsgemäße Laserbearbeitungskopf ermöglicht eine automatische Regelung bzw. Nachführung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls. Durch den erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopf ist eine kontinuierliche Messung und Regelung der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls möglich. Mit anderen Worten ist eine Messung und Regelung der Fokuslage in Echtzeit möglich.
Der Laserbearbeitungskopf kann ein modularer Laserbearbeitungskopf oder ein Laserbear beitungskopf mit Autofokusfunktion, insbesondere ein Laserbearbeitungskopf mit großem Autofokusbereich von ungefähr 50 mm oder mehr, sein.
Vorzugsweise ist das optische Auskopplungselement im zum Fokus hin konvergierenden Teil des Laserstrahls angeordnet. Mit anderen Worten kann das optische Auskopplungsele- ment in Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls hinter der Fokussiereinheit im konvergenten Bereich des Strahlengangs des Laserstrahls angeordnet sein.
Die Auswerteeinheit der erfmdungsgemäßen Vorrichtung kann in der Steuereinheit der Vor richtung, im Detektor der Vorrichtung oder in der Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes angeordnet oder integriert sein. Die vorstehend beschriebene Funktion der Auswerteeinheit der Vorrichtung kann durch die Steuereinheit der Vorrichtung, durch den Detektor der Vor richtung oder durch die Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes ausgeführt werden. Bei spielsweise kann die Regeleinheit des Laserbearbeitungskopfes direkt mit der Steuereinheit des optischen Elements mit variabler Brennweite und dem Detektor verbunden sein, um die entsprechenden Signale zu empfangen. Die Funktion der Auswerteinheit kann auch durch mehrere dieser Elemente gemeinsam ausgeführt werden.
Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laser strahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf. Das Verfahren umfasst die Schritte: Auskoppeln eines Teilstrahls aus dem Laserstrahl, Einstel len einer Brennweite von zumindest einem optischen Element mit einstellbarer Brennweite und Führen des Teilstrahls durch das zumindest eine optische Element, Erfassen zumindest eines Strahlparameters des Teilstrahls entsprechend der eingestellten Brennweite, und Be stimmen der Fokuslage des Laserstrahls basierend auf dem erfassten Strahlparameter und der eingestellten Brennweite. Vorzugsweise wird die Fokuslage basierend auf einem Ext remwert, d.h. einem Minimum oder Maximum, des erfassten Strahlparameters bestimmt.
Das Verfahren kann ferner den folgenden Schritt umfassen: Wiederholen der Schritte des Einstellens und des Erfassens mit zumindest einer weiteren eingestellten Brennweite des optischen Elements, wobei sich die eingestellte zweite Brennweite von der eingestellten ersten Brennweite unterscheidet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann ferner in dem vorstehend beschriebenen Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls verwendet werden.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren im Detail beschrieben. Darin ist bzw. sind Fig. 1 A und 1B schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrich tung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer Ausführungsform der vorliegen den Erfindung bei verschiedenen Fokuslagen des Bearbeitungslaser strahls;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vor richtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3A und 3B schematische Ansichten eines Ausschnitts der Vorrichtung zum Bestim men einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfin dung;
Fig. 4A und 4B schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrich tung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls des Laserbearbeitungskopfes gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
Fig. 5A ein Diagramm einer Strahlkaustik, die durch eine Vorrichtung zum Be stimmen einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde; und
Fig. 5B ein Graph einer Laserintensität, die durch eine Vorrichtung zum Be stimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
Detaillierte Beschreibung
Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Ele mente gleiche Bezugszeichen verwendet.
Fig. 1A ist eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes und ein Laserbearbeitungs kopf gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Der Laserbearbeitungskopf 101 ist eingerichtet, einen Bearbeitungslaserstrahl 102 zu erzeu gen. Der Bearbeitungslaser 102 wird auf ein Werkstück (nicht gezeigt) eingestrahlt, um das Werkstück zu bearbeiten. Der Bearbeitungslaserstrahl 102 weist eine Ausbreitungsrichtung 11 auf. Die Ausbreitungsrichtung 11 kann im Wesentlichen senkrecht zu einer Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstücks sein.
Der Laserbearbeitungskopf 101 umfasst eine Fokussiereinheit 20. Die Fokussiereinheit 20 ist eingerichtet, die Fokuslage des Bearbeitungslasers 102 einzustellen. Wie in Fig. 1A ge zeigt weist der Bearbeitungslaser 102 eine erste Fokuslage 12 auf. Die Fokussiereinheit 20 umfasst ein entlang der Ausbreitungsrichtung 11 verschiebbares Element 21, beispielsweise eine Kollimationsoptik, und ein entlang der Ausbreitungsrichtung 11 stationäres Element 22, beispielsweise eine Fokussieroptik. Bei den optischen Elementen 21 und 22 kann es sich um Linsen handeln. Durch Verschieben des verschiebbaren Elements 21 entlang der Aus breitungsrichtung 11 wird die Position des Fokus des Laserstrahls 102 bzw. seine Fokuslage eingestellt bzw. verändert.
Der Laserbearbeitungskopf 101 umfasst ferner eine Regeleinheit 31. Die Regeleinheit ist dazu eingerichtet, die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 einzustellen bzw. zu re geln. Zu diesem Zweck kann die Regeleinheit 31 mit der Fokussiereinheit 20 verbunden sein. Die Regeleinheit 31 kann mit dem verschiebbaren Element 21 der Fokussiereinheit 20 verbunden sein, um die Position des verschiebbaren Elements 21 entlang der Ausbreitungs richtung 11 des Bearbeitungslaserstrahls 102 einzustellen. Mit anderen Worten kann die Regeleinheit 31 die Fokussiereinheit 20 einstellen, um die Fokuslage des Bearbeitungslasers 102 einzustellen. Die Fokussiereinheit 20, insbesondere das verschiebbare Element 21, kann somit als Aktuator betrachtet werden.
Die Vorrichtung 81 zur Bestimmung einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 des Laserbearbeitungskopfs 101 umfasst ein optisches Auskopplungselement 814. Das optische Auskopplungselement 814 ist dazu eingerichtet, einen Teilstrahl 51 aus dem Bearbeitungs laserstrahl 102 auszukoppeln. Das optische Auskopplungselement 814 ist gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungsform ein halbtransparentes optisches Element. In diesem Beispiel wird der Teil des auf das optische Auskopplungselement 814 auftreffenden Laserlichts als Teilstrahl 51 ausgekoppelt.
Gemäß der in Fig. 1A gezeigten Ausführungsform ist das optische Auskopplungselement 814 eines oder das letzte transparente optische Element entlang der Ausbreitungsrichtung 11 des Bearbeitungslaserstrahls 102, bevor der Bearbeitungslaserstrahl 102 auf das zu bearbei tende Werkstück trifft. Das optische Auskopplungselement 814 kann beispielsweise ein Schutzglas des Laserbearbeitungskopfes 101 sein. Vorzugsweise ist das optische Auskopp lungselement 814 entlang der Ausbreitungsrichtung 11 hinter der Fokussiereinheit 20, d.h. im fokussierten Bereich des Strahlengangs des Bearbeitungslaserstrahls 102 angeordnet.
Wie gezeigt ist das optische Auskopplungselement 814 zur Ausbreitungsrichtung 11 oder optischen Achse des Bearbeitungslaserstrahls 102 geneigt angeordnet, um den Teilstrahl 51 aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls 102 auszukoppeln. Dies bedeutet, dass der Bearbeitungslaserstrahl 102 mit einem Winkel auf eine Fläche des optischen Auskopp lungselements 814 auftrifft, der ungleich 90 Grad ist.
Der ausgekoppelte Teilstrahl 51 wird gemäß der in Fig. 1A gezeigten Ausführungsform durch ein Umlenkelement 815 umgelenkt oder gefaltet. Dies hat den Vorteil, dass eine räumlich kompakte Strahlführung des Teilstrahls 51 ermöglicht wird, bzw. dass ein räum lich kompakter Strahlengang des Teilstrahls 51 geschaffen wird, sodass die Vorrichtung 81 räumlich kompakt ausgebildet werden kann. Das Umlenkelement 815 kann beispielsweise als Spiegel ausgebildet sein. Das Umlenkelement 815 ist jedoch nicht erforderlich.
Die Vorrichtung 81 umfasst ferner ein optisches Element 812 mit einstellbarer bzw. variab ler Brennweite. Das optische Element 812 ist im Strahlengang des Teilstrahls 51 angeord net. Mit anderen Worten wird der Teilstrahl 51 durch das optische Element 812 gebrochen bzw. fokussiert. Das optische Element 812 kann also mittels der einstellbaren Brennweite eine Fokuslage des Teilstrahls 51 verändern. Gemäß der in Fig. 1 gezeigten Ausführungs form weist das optische Element 812 eine kontinuierlich einstellbare Brennweite auf und ist als deformierbare Linse, beispielsweise eine Flüssig- oder Polymerlinse, ausgebildet. Durch die Deformation des optischen Elements 812 kann die Brennweite eingestellt werden. Das optische Element 812 kann aber ebenso mehrere Moire-Linsen umfassen, wovon zumindest eine drehbar gelagert ist. Hier wird durch Verdrehen der Linsen gegeneinander die Brenn weite des optischen Elements 812 eingestellt.
Nach dem Auskoppeln aus dem Laserstrahl 102 wird der Teilstrahl 51 also gegebenenfalls durch eine Umlenkeinheit 815 umgelenkt und wird anschließend durch das optische Ele ment 812 mit einstellbarer Brennweite geführt bzw. durchläuft das optische Element 812. Danach trifft der Teilstrahl 51 auf einen Detektor 811, der entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 hinter dem optischen Element 812 angeordnet ist. Die Vorrichtung 81 kann derart ausgestaltet sein, dass wenn die Brennweite des optischen Elements 812 auf unendlich eingestellt ist (d.h. wenn das optische Element 812 den Teil strahl 51 nicht bricht), eine optische Wegstrecke des Bearbeitungslaserstrahls zwischen der Fokussiereinheit 20 (z.B. dem stationären Element 22 der Fokussiereinheit 20) und der Soll- Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gleich einer optischen Wegstrecke des Teilstrahls 51 zwischen der Fokussiereinheit 20 (z.B. dem stationären Element 22 der Fokussiereinheit 20) und dem Detektor 811 ist. In diesem Fall ist der Detektor im Fokus des Teilstrahls 51 ange ordnet. Eine Abweichung des Bearbeitungslaserstrahls von der Soll-Fokuslage kann durch eine entsprechende Veränderung des vom Detektor 811 erfassten Strahlparameters erkannt werden.
Der Detektor 811 ist gemäß der in Fig. 1A gezeigten Ausführungsform ein Detektor, der dazu eingerichtet ist, eine Laserintensität oder Laserleistungsdichte des auftreffenden Teil strahls 51 zu erfassen. Beispielsweise ist der Detektor 811 als Photodiode oder als ein be- strahlungsstärkeempfindlicher Photodetektor ausgebildet. Der Detektor 811 kann ebenfalls dazu eingerichtet sein, einen Durchmesser des auftreffenden Teilstrahls 51 zu erfassen. In diesem Fall kann der Detektor 811 als ortsauflösender Detektor, beispielsweise als CCD- Kamera oder als Photodioden-Array, ausgebildet sein.
Sowohl das optische Element 812 mit variabler Brennweite als auch der Detektor 811 sind bezüglich der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 stationär ausgebildet. Dies ermöglicht eine kompakte Bauweise der Vorrichtung 81, da keine entlang der Ausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 beweglichen oder verschiebbaren Elemente erforderlich sind.
Die Vorrichtung 81 umfasst ferner eine Auswerteeinheit 813. Die Auswerteeinheit 813 ist mit dem optischen Element 812 und dem Detektor 811 verbunden.
Die Auswerteeinheit 813 ist dazu eingerichtet, verschiedene Brennweiten des optischen Elements 812 einzustellen. Diese Funktion kann auch durch eine separate Steuereinheit (nicht gezeigt) ausgeführt werden. Ferner ist die Auswerteeinheit 813 dazu eingerichtet, für jeweils eingestellte Brennweiten des optischen Elements 812 die vom Detektor 811 gemes sene Laserintensität bzw. den gemessenen Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 auszuwer ten. Insbesondere kann die Auswerteeinheit 813 dazu eingerichtet sein, basierend auf den verschiedenen, jeweils eingestellten Brennweiten des optischen Elements 812 und den ent sprechenden, durch den Detektor 812 erfassten Werten für die Laserintensität bzw. den Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Wert für die eingestellte Brennweite des opti schen Elements 812 zu bestimmen, bei der die Laserintensität einen Maximalwert bzw. der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Minimalwert annimmt. Zudem kann die Aus werteeinheit 813 eine Strahlkaustik des Teilstrahls 51 bestimmen. Die Auswerteeinheit 813 ist dazu eingerichtet, die vorstehend genannte Bestimmung des Werts der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812 entsprechend einem Maximalwert der Laserintensi tät bzw. einem Minimalwert des Strahldurchmessers des Teilstrahls 51 kontinuierlich und/oder in Echtzeit während einer Lasermaterialbearbeitung durch den Bearbeitungslaser strahl 102 des Laserbearbeitungskopfes 101 durchzuführen.
Die Auswerteeinheit 813 kann anhand des Werts der eingestellten Brennweite, bei der die Laserintensität einen Maximalwert bzw. der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 einen Minimalwert annimmt, und basierend auf einem Abstand zwischen dem optischen Aus kopplungselement 814 und dem Detektor 811 entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 in Echtzeit bzw. kontinuierlich die aktuelle Fokuslage des Bearbeitungslaser strahls 102 bestimmen. Der Abstand zwischen dem optischen Auskopplungselement 814 und dem Detektor 811 entlang der Strahlausbreitungsrichtung des Teilstrahls 51 kann als optische Wegstrecken des Teilstrahls 51 betrachtet werden.
Dadurch ist es möglich, stets den Ist-Wert der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 in Echtzeit zu bestimmen bzw. zu ermitteln. Somit ist es möglich, die Fokuslage des Bear beitungslaserstrahls 102 in Echtzeit und präzise zu regeln.
Zu diesem Zweck kann die Auswerteeinheit 813 mit der Regeleinheit 31 verbunden sein. Die Regel einheit 31 empfängt von der Auswerteeinheit 813 den Ist-Wert bzw. den bestimm ten Wert der tatsächlichen Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102 und vergleicht den empfangenen Ist-Wert mit dem eingestellten Wert bzw. dem Soll-Wert für die Fokuslage. Ergibt der Vergleich, dass der eingestellte Soll-Wert vom Ist-Wert abweicht, beispielsweise wegen einer Fokuslagenverschiebung aufgrund einer thermischen Linse, steuert die Re geleinheit 31 die Fokussiereinheit 20 derart, dass der Fokus bzw. die Fokuslage des Bear beitungslaserstrahls 102 nachgeführt bzw. dass die Abweichung kompensiert wird.
Fig. 1B zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf 101 gemäß der in Fig. 1A gezeigten Ausführungsform bei einer eingestellten zweiten Fokuslage 13 des Bearbeitungs laserstrahls 102.
Fig. 2 zeigt eine schematische Ansicht eines Laserbearbeitungskopfs mit einer Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gemäß einer anderen Ausfüh rungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der vorlie- genden Erfindung entspricht der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
Das optische Auskopplungselement 814 der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform unter scheidet sich vom optischen Auskopplungselement 814 der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform dadurch, dass das optische Auskopplungselement einen Spiegel umfasst. Der Spiegel ist semitransparent bzw. halbdurchlässig. Der Spiegel reflektiert einen Teil des auftreffenden Laserlichts als den Bearbeitungslaserstrahl 102. Der nicht reflektierte Teil des auftreffenden Laserlichts wird als Teilstrahl 51 ausgekoppelt. Mit anderen Worten ist hier der ausgekoppelte Teilstrahl 51 der transmittierte Teil des auf den Spiegel auftreffenden Laserlichts und der Bearbeitungsstrahl 102 wird vom Spiegel reflektiert und auf ein zu be arbeitendes Werkstück gerichtet. Gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung 81 kein Umlenkelement. Es ist jedoch möglich, auch in der Vorrichtung gemäß der in Fig. 2 gezeigten Ausführungsform ein Umlenkelement 815 wie in Fig. 1A und 1B gezeigt vorzusehen.
Fig. 3A und 3B zeigen jeweils eine schematische Ansicht eines Ausschnitts der Vorrichtung von Fig. 1A und 1B. Fig. 3A und 3B zeigen jeweils die Umlenkeinheit 815, das optische Element 812 und den Detektor 811, die nacheinander im Strahlengang des Teilstrahls 51 angeordnet sind. Das optische Element 812 weist in dem in Fig. 3A gezeigten Zustand eine andere eingestellte Brennweite als in dem in Fig. 3B gezeigten Zustand auf. Die jeweils eingestellten Brennweiten des optischen Elements 812 führen dazu, dass der Teil strahl 51 am Detektor einen minimalen Strahldurchmesser aufweist. Somit kann der Teilstrahl 51 mit Hilfe des optischen Elements 812 mit einstellbarer Brennweite auf den Detektor 811 fokus siert werden, unabhängig von der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls 102. Entscheidend ist hier der (bekannte) Abstand des Auskopplungselements 814 zum Detektor 811 im Ver gleich zum Abstand des Auskopplungselements 814 zur Fokuslage 12 des Bearbeitungsla serstrahls. Der Strahldurchmesser des Teilstrahls 51 bzw. die Laserintensität des Teilstrahls 51, der bzw. die vom Detektor 811 erfasst wird, ist einerseits abhängig von der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812, andererseits von der Einstellung der Fokussierein heit 20 des Laserbearbeitungskopfes 101 und dem Phänomen der thermischen Linse, wel ches beispielsweise bei der Fokussiereinheit 20 auftreten kann. Deshalb weist der von dem optischen Auskopplungselement ausgekoppelte Teilstrahl 51 in Fig. 3A und 3B auch ver schiedene Strahl durchmesser auf. Die Fokuslage 12 wird allerdings basierend auf dem mi nimalen Strahldurchmesser bzw. der maximalen Intensität bestimmt. Fig. 4A und 4B sind schematische Ansichten eines Laserbearbeitungskopfes mit einer Vor richtung zum Bestimmen einer Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls gemäß einer weite ren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Die in Fig. 4A und 4B gezeigte weitere Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform bis auf die im Folgenden beschriebenen Unterschiede.
Im Unterschied zum transmissiven optischen Element 812 mit einstellbarer Brennweite ge mäß der in Fig. 1A und 1B gezeigten Ausführungsform umfasst das optische Element 812 mit einstellbarer Brennweite gemäß der in Fig. 4A und 4B gezeigten Ausführungsform ein reflektives optisches Element, wie etwa einen deformierbaren Spiegel. Der deformierbare Spiegel kann beispielsweise ein piezoelektrisch verformbarer Spiegel oder ein MEMS („microoptoeletromechanical adaptive“) -basierter Spiegel sein. Der deformierbare Spiegel kann auch ein Spiegel mit einem auf Druck variablen Radius sein. Durch die Verformung bzw. Deformation des optischen Elements 812 kann die Brennweite des optischen Elements 812 eingestellt werden.
Fig. 4A zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf bei einer eingestellten ers ten Fokuslage 12. Fig. 4B zeigt die Vorrichtung 81 und den Laserbearbeitungskopf 101 ge mäß der in Fig. 4A gezeigten Ausführungsform bei einer eingestellten zweiten Fokuslage 13, die länger ist als die erste Fokuslage 12.
Fig. 5A ist ein Diagramm einer Strahlkaustik, die durch eine Vorrichtung 81 zum Bestim men einer Fokuslage gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde. Fig. 5B ist ein Graph der Laserintensität des Teilstrahls 51 entlang seiner Strahlaus breitungsrichtung, der durch eine Vorrichtung 81 zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
Die Änderung des Strahldurchmessers wird in Abhängigkeit von der Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls bzw. des Teilstrahls mathematisch mit der sogenannten Strahlkaustik be schrieben. Fig. 5A ist eine Veranschaulichung einer solchen Strahlkaustik des Teilstrahls 51, die durch eine Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laserstrahls gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bestimmt wurde.
Erfindungsgemäß kann auch die Strahlkaustik des Teilstrahls 51 erhalten werden, indem mittels der Vorrichtung 81 bei verschiedenen Werten für die eingestellte Brennweite des optischen Elements 812 mittels des Detektors 811 die jeweiligen Werte für den Strahl durchmesser des Teilstrahls 51 erfasst bzw. gemessen werden (entsprechend den Kreisen in Figur 5A). Mit Hilfe der ermittelten Strahldurchmesser und eines mathematischen Modells kann die Strahlkaustik als Einhüllende in Fig. 5A bestimmt werden, um den Teilstrahl 51 zu charakterisieren. Allerdings ist eine Auswertung basierend auf dem Extremwert des Strahl parameters einfacher und schneller.
Entsprechend kann erfindungsgemäß, wie in Fig. 5B gezeigt, vom Detektor 811 die Laserin tensität des Teilstrahls 51 in Abhängigkeit von der eingestellten Brennweite des optischen Elements 812 bestimmt werden. Die Laserintensität erreicht ein Maximum für eine Brenn weite des optischen Elements 812, bei der der Durchmesser des Teilstrahls 51 minimal ist.
Erfindungsgemäß verwendet die Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Laser strahls, insbesondere eines Bearbeitungslaserstrahls eines Laserbearbeitungskopfes, ein op tisches Element mit einstellbarer Brennweite und einen Detektor, die nacheinander in Aus breitungsrichtung eines Teilstrahls, der aus dem Laserstrahl ausgekoppelt wird, angeordnet sind. Der Detektor ist dazu eingerichtet, einen Strahlparameter, wie eine Laserintensität und/oder einen Strahldurchmesser, des Teilstrahls zu erfassen. Eine Auswerteeinheit kann ferner vorgesehen sein, um eine eingestellte Brennweite des optischen Elements zu bestim men, bei der die Laserintensität einen Maximalwert, bzw. bei der der Strahldurchmesser einen Minimalwert annimmt. Basierend auf der eingestellten Brennweite des optischen Elements ist es möglich, eine Fokuslage des Laserstrahls zu bestimmen. Da zur Bestim mung der Fokuslage keine Elemente verschoben werden müssen, wird eine einfache und kompakte Bauweise der Vorrichtung ermöglicht. Ferner wird eine präzise Echtzeit- Bestimmung der Fokuslage ermöglicht und die Bestimmung der Fokuslage ist unabhängig von Abbildungsfehlern, die durch eine Veränderung einer Strahlkaustik des Laserstrahls oder des Teilstrahls, insbesondere eines Fokusdurchmessers, aufgrund des Phänomens der thermischen Linse hervorgerufen werden.
Bezugszeichenliste
11 Ausbreitungsrichtung des Bearbeitungslaserstrahls
12 erste Fokuslage
13 zweite Fokuslage
101 Laserbearbeitungskopf
102 Bearbeitungslaserstrahl
20 Fokussiereinheit
21 verschiebbares Element
22 stationäres Element 31 Regeleinheit
51 ausgekoppelter Teil strahl
81 Vorrichtung zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls
811 Detektor
812 optisches Element mit einstellbarer Brennweite
813 Auswerteeinheit
814 optisches Auskopplungselement
815 Umlenkelement

Claims

Ansprüche
1. Vorrichtung (81) zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls (102) eines Laserbearbeitungskopfes (101), die Vorrichtung (81) umfassend:
ein optisches Auskopplungselement (814) zum Auskoppeln eines Teilstrahls (51) aus einem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102),
einen Detektor (811) zum Erfassen von zumindest einem Strahlparameter des Teil strahls (51), und
zumindest ein optisches Element (812) mit einstellbarer Brennweite, welches in ei nem Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (51) zwischen dem optischen Auskopp lungselement (814) und dem Detektor (811) angeordnet ist.
2. Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 1, ferner umfassend eine Auswerteeinheit (813), die eingerichtet ist, basierend auf verschiedenen eingestellten Brennweiten des optischen Elements (812) und den entsprechenden Werten des zumindest einen Strahlparameters des Teilstrahls (51) die Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) zu bestimmen.
3. Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 2, wobei der Detektor (811) eingerichtet ist, Wer te des zumindest einen Strahlparameters bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Elements (812) zu erfassen, und wobei die Auswerteeinheit (813) eingerichtet ist, einen Wert der eingestellten Brennweite des optischen Elements (812) entsprechend einem Extremwert des zumindest einen Strahlparameters zu bestimmen.
4. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der zumindest eine Strahlparameter des Teilstrahls (51) eine Laserintensität und/oder einen Strahldurch messer des Teilstrahls (51) umfasst.
5. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite ein deformierbares optisches Ele ment, eine deformierbare Linse, einen deformierbaren Spiegel, einen MEMS-basierten de formierbaren Spiegel, einen piezoelektrisch deformierbaren Spiegel, einen druckbasierten deformierbaren Spiegeln, mehrere gegeneinander verdrehbare optische Elemente und/oder ein Moire-Linsenpaar umfasst.
6. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite stationär bezüglich der Ausbrei tungsrichtung des Teilstrahls (51) angeordnet ist. 7. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Steuereinheit, die eingerichtet ist, verschiedene Brennweiten des optischen Elements (812) einzustellen.
8. Vorrichtung (81) gemäß Anspruch 7,
wobei das zumindest eine optische Element (812) mit einstellbarer Brennweite ein erstes optisches Element mit einstellbarer Brennweite und ein zweites optisches Element mit einstellbarer Brennweite umfasst, und
wobei die Steuereinheit eingerichtet ist, die Brennweite des ersten optischen Ele ments basierend auf einer Soll-Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) einzustellen und die Brennweite des zweiten optischen Elements zu variieren.
9. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das optische Auskopplungselement (814) eingerichtet ist, den Teilstrahl (51) mittels Teilreflexion aus dem Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) auszukoppeln, und/oder wobei das optische Auskopplungselement (814) ein Schutzglas und/oder einen Spiegel umfasst.
10. Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Detektor
(811) einen nicht-ortsauflösenden Sensor, einen Einzelpixel-Sensor, einen bestrahlungsstär keempfindlichen Photodetektor, ein Photodiodenarray, oder eine CCD-Kamera umfasst, und/oder wobei eine Blende zwischen dem Detektor (811) und dem optischen Element
(812) mit einstellbarer Brennweite angeordnet ist.
11. Laserbearbeitungskopf (101) zum Bearbeiten eines Werkstücks mittels eines Bear beitungslaserstrahls (102), umfassend:
eine Fokussiereinheit (20) zum Einstellen einer Fokuslage des Bearbeitungslaser strahls (102); und
eine Vorrichtung (81) gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das opti sche Auskopplungselement (814) im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) ange ordnet ist.
12. Laserbearbeitungskopf (101) gemäß Anspruch 11, ferner umfassend:
eine Regeleinheit (31), die eingerichtet ist, mittels der Fokussiereinheit (20) basie rend auf der durch die Vorrichtung (81) bestimmten Fokuslage die Fokuslage des Bearbei tungslaserstrahls (102) bezüglich des Werkstücks zu regeln. 13. Laserbearbeitungskopf (101) gemäß Anspruch 11 oder 12, wobei das optische Aus kopplungselement (814) im zum Fokus hin konvergierenden Teil des Bearbeitungslaser strahls (102) und/oder zwischen der Fokussiereinheit (20) und dem Werkstück und/oder als letztes optisches Element im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) vor dem Werkstück und/oder nach allen abbildenden oder strahlformenden optischen Elementen im Strahlengang des Bearbeitungslaserstrahls (102) angeordnet ist.
14. Verfahren zum Bestimmen einer Fokuslage eines Bearbeitungslaserstrahls (102) eines Laserbearbeitungskopfes (101), das Verfahren umfassend die Schritte:
Auskoppeln eines Teilstrahls (51) aus dem Bearbeitungslaserstrahl (102),
Einstellen einer Brennweite von zumindest einem optischen Element (812) mit ein stellbarer Brennweite, das im Strahlengang des ausgekoppelten Teilstrahls (51) angeordnet ist,
Erfassen zumindest eines Strahlparameters des Teilstrahls (51) entsprechend der eingestellten Brennweite nach Durchlaufen des zumindest einen optischen Elements (812) mit einstellbarer Brennweite, und
Bestimmen der Fokuslage des Bearbeitungslaserstrahls (102) basierend auf dem er fassten Strahlparameter und der eingestellten Brennweite.
15. Verfahren gemäß Anspruch 14, ferner umfassend den folgenden Schritt:
Wiederholen der Schritte des Einstellens und des Erfassens mit zumindest einer wei teren eingestellten Brennweite des optischen Elements (812), wobei die eingestellten Brennweiten voneinander verschieden sind.
16. Verfahren gemäß Anspruch 14 oder 15, wobei Werte des zumindest einen Strahlpa rameters bei verschiedenen eingestellten Brennweiten des zumindest einen optischen Ele ments (812) erfasst werden, und ein Wert der eingestellten Brennweite des optischen Ele ments (812) entsprechend einem Extremwert des zumindest einen Strahlparameters be stimmt wird, um darauf basierend die Fokuslage zu bestimmen.
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