WO2009083164A1 - Grating mirror for the online monitoring of a laser beam, and monitoring device comprising the same - Google Patents

Grating mirror for the online monitoring of a laser beam, and monitoring device comprising the same Download PDF

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WO2009083164A1
WO2009083164A1 PCT/EP2008/010814 EP2008010814W WO2009083164A1 WO 2009083164 A1 WO2009083164 A1 WO 2009083164A1 EP 2008010814 W EP2008010814 W EP 2008010814W WO 2009083164 A1 WO2009083164 A1 WO 2009083164A1
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WO
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laser beam
grating
mirror
diffraction order
diffracted
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Application number
PCT/EP2008/010814
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German (de)
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Inventor
Joachim Schulz
Original Assignee
Trumpf Laser- Und Systemtechnik Gmbh
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01JMEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00Optical elements other than lenses
    • G02B5/18Diffraction gratings
    • G02B5/1861Reflection gratings characterised by their structure, e.g. step profile, contours of substrate or grooves, pitch variations, materials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01SDEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S3/00Lasers, i.e. devices using stimulated emission of electromagnetic radiation in the infrared, visible or ultraviolet wave range
    • H01S3/0014Monitoring arrangements not otherwise provided for

Definitions

  • the present invention relates to a grating mirror for on-line monitoring of a laser beam, a monitoring device for on-line monitoring of a laser beam with such a grating mirror, and a laser resonator and a beam guide with such a monitoring device.
  • Monitoring devices for the online monitoring of laser beams are variously known.
  • Spiricon offers monitoring devices for CO 2 and solid-state lasers for analyzing and monitoring laser beams, in which a portion of the laser beam is coupled out of the processing laser beam via a partially transmissive beam splitter and fed to a detector device.
  • the monitoring device comprises a focusing lens, deflecting mirror, filter and a camera.
  • German Patent DE 101 58 859 of the University of Applied Sciences Hildesheim / Holzminden / Göttingen discloses a method and a device for analyzing and monitoring the intensity distribution of a laser beam over the laser beam cross section.
  • the monitoring method is based on the idea that sets in a laser mirror, which deflects a laser beam, due to the different intensities a corresponding temperature and heat distribution and, consequently, a local thermal expansion in the laser mirror, which can be detected interferometrically.
  • the monitoring device comprises a laser mirror, a measuring light source, a beam splitter, a reference plate and a camera. The measuring light beam passes without deflection through the beam splitter and passes through the reference plate on the mirror surface.
  • German patent application DE 101 49 823 describes a laser beam analyzer for detecting the intensity distribution and / or the position of a laser beam reflected by a deflection mirror. In this case, a detector arrangement intercepts scattered light coming from scattering centers in the mirror surface outside the direction of reflection in order to analyze its distribution.
  • a grating mirror having a local grating period and a local orientation of the grating lines, which are each selected such that the grating mirror focuses a deflected into a higher diffraction order laser beam to at least one focal point.
  • the diffraction in the higher diffraction order is carried out at a different diffraction angle than the zeroth order of diffraction, which corresponds to the reflected laser beam at deflecting mirrors without grating lines and is also referred to as a reflected laser beam, so that the diffracted into the higher diffraction order laser beam to a detector shown reduced or (Partially) can be focused without disturbing the beam path of the reflected laser beam.
  • Focussing the diffracted laser beam of a higher diffraction order also enables the use of detectors with a small detector area, even for laser beams with large beam cross-sections, whereby costs can be saved. Furthermore, the same optical element can be used to decouple a measurement beam and to focus the measurement beam, so that additional focusing or imaging optics can be dispensed with.
  • the intensity of the decoupled partial beam or the ratio between the intensities of the reflected and the diffracted into the higher diffraction order laser beam can in this case on the choice of the shape of the grid lines (flank angle, Duty cycle, grid depth) and the polarization of the laser beam can be adjusted.
  • the direction of the coupled-out sub-beam at each point of the grid mirror can be chosen differently.
  • the laser beam can be focused (or defocused) perpendicular to the deflection plane.
  • the laser beam can also be focused (or defocused) in the deflection plane.
  • these two foci are initially independent, so that a combination can be found in which the diffracted into the higher diffraction order laser beam is directed to a common focus point.
  • the wavelength and the angle of incidence of the laser beam and the local grating period of the grating mirror are selected such that only a diffracted into a higher diffraction order laser beam, in particular the diffracted in the minus first diffraction order laser beam occurs in addition to the reflected laser beam of zeroth diffraction order.
  • This higher diffraction order is usually the (positive or negative) first diffraction order.
  • Laser power that does not occur in the zeroth or first diffraction order reduces the power of the laser beam reflected in the zeroth diffraction order, without it being useful to use. Therefore, it is convenient to set the above parameters according to the diffraction equation such that only the zeroth and (minus) first diffraction orders exist.
  • the local grating period and the local angle of the grating lines are each chosen such that the diffracted into the minus first diffraction order laser beam is focused on the at least one focal point. Since, due to physical reasons, the intensity of the diffracted laser radiation decreases rapidly with increasing diffraction order, it is advantageous to select the lowest possible order of diffraction for decoupling. For the extraction of the minus First diffraction order can be found here a suitable local orientation of the grid lines in a particularly simple manner.
  • the grid lines are formed as circles, which are arranged concentrically around a center.
  • the grid lines can be made in a conventional mirror by etching into the substrate or into the dielectric layers of a reflection-enhancing multilayer coating.
  • the grating mirror can be made by off-axis diamond turning, which automatically creates a concentric structure. Since only a small portion of the laser beam is decoupled for online monitoring, the required structure depth is easy to produce.
  • the center of the concentrically arranged grid lines is arranged at a distance from the intersection of the optical axis of the diffracted into the higher diffraction order laser beam with the grating mirror.
  • the laser beam is aligned with its optical axis to the center of the grating lines.
  • the focusing of the laser beam diffracted into the higher diffraction order onto a focal point can be realized by the lateral offset of the optical axis.
  • a further aspect of the invention is implemented in a monitoring device for online monitoring of a laser beam, comprising: a grating mirror as described above, a detector unit for detecting the diffracted into the higher diffraction order, focused on the at least one focal point laser beam, and an evaluation unit for evaluating the detected laser beam.
  • a monitoring device for online monitoring of a laser beam, comprising: a grating mirror as described above, a detector unit for detecting the diffracted into the higher diffraction order, focused on the at least one focal point laser beam, and an evaluation unit for evaluating the detected laser beam.
  • the detector unit is arranged at a distance of less than 20% of the focal length of the grating mirror from the focal point.
  • a detector unit with a small detector surface can be selected, which on the one hand reduces costs and on the other hand, a further reduction of the size of the monitoring device can be realized.
  • the detector unit is designed as a spatially resolving detector, as a quadrant detector or as a power detector.
  • a local Detaching detector such as an array detector or an IR camera, provides the ability to monitor the intensity distribution and thus the beam shape of the laser beam online.
  • a quadrant detector only the pointing of the laser beam.
  • the use of a power detector is possible, which does not provide spatially resolved information, but only detects the total intensity of the laser beam. From the measured intensity of the diffracted into the higher diffraction order laser beam, the evaluation unit can determine the total power of the laser beam, since the division of the intensity components to the zeroth and the higher diffraction order is known.
  • Another aspect of the invention is realized in a laser resonator with a monitoring device as described above.
  • the monitoring device is typically integrated in the laser resonator.
  • One aspect of the invention is embodied in a beam guide for delivering a laser beam from a laser cavity to a laser processing head with a monitoring device as described above.
  • a deflecting mirror of the beam guide can be exchanged for the grating mirror.
  • the use of the monitoring device is not limited to the beam guidance described above, but can be used advantageously in any beam guidance for a laser beam having at least one deflection mirror.
  • 1 shows a CO.sub.2 gas laser with a folded laser resonator
  • 2 is a CG ⁇ gas laser with an external beam guide and a processing head
  • FIGS. 4a-c the design of a grid mirror in several steps
  • Fig. 5 shows a grating mirror according to the invention with concentric circular grid lines
  • Fig. 6 shows a monitoring device according to the invention with a grating mirror, which is designed as a highly reflective deflection mirror.
  • a generated in the laser resonator 1 laser beam 4 is eight deflecting mirror 5 to 12 in two superimposed , parallel planes 13, 14 folded square, with four deflecting mirrors 5 to 8 in the upper level 13 and four further deflecting mirrors 9 to 12 are arranged in the lower level 14.
  • the laser beam 4 is deflected by the end mirror 3 at the first three deflecting mirrors 5, 6 and 7 in the upper plane 13 by 90 °.
  • the other three deflection mirrors 10, 11 and 12 deflect the laser beam 4 by 90 ° in the lower level 14.
  • the laser beam 4 impinges on the partially transmitting outcoupling mirror 2, at which a part of the laser beam is coupled out of the laser resonator 1 as a coupled-out laser beam 15 and another part is reflected as a reflected laser beam 16 into the laser resonator 1.
  • the reflected laser beam 16 hits in the reverse direction to the laser beam 4 on the eight deflecting mirrors 5 to 12 and passes through all the discharge paths between the output mirror 2 and the end mirror. 3
  • the laser beam 15 coupled out from the laser resonator 1 is irradiated in an external beam guide 20 via reflecting, partially transmitting and transmitting optical elements, such as those shown in FIG. Mirror and lenses, led by the laser resonator 1 to a processing head 21, in which a focusing of the laser beam 15 takes place.
  • the decoupled laser beam 15 is spread over a beam telescope 22, which is formed in Fig. 2 as a mirror telescope with two mirrors 23, 24, to a desired beam diameter and deflection mirrors 25a, 25b, which are formed in Fig. 2 as 90 ° -Umlenkapt , deflected to the processing head 21.
  • the machining head 21 can be designed as a mirror head as shown in FIG. 2 and, in this case, comprises a focusing mirror 26 which focuses the laser beam 15 on a beam diameter required for machining. If necessary, further deflecting mirrors can be arranged in the external beam guide 20, which deflect the laser beam 15.
  • the deflection mirror is provided with grid lines which split the laser beam into a plurality of diffraction orders.
  • a provided with grid lines mirror, which is formed, for example, as a deflection mirror 5-12, 25a, 25b, Auskoppelapt 2 or end mirror 3 is referred to as a grating mirror.
  • the grating mirror is formed as a highly reflective deflection mirror.
  • a highly reflective grating mirror is understood to be a grating mirror in which the reflected laser beam has a proportion of 95% or more of the intensity of the incident laser beam.
  • a deflection mirror can replace a conventional deflection mirror in the laser resonator or in the beam guide in order to carry out an online monitoring of the laser beam.
  • the deflecting mirror causes a deflection of the laser beam by 90 °.
  • Fig. 3 shows the diffraction behavior of a grating mirror 30 with parallel grating lines 31 and a constant grating period P, which is defined as the sum of the grating line width and the distance between two grating lines. The diffraction behavior of the grating mirror 30 is determined by the generally valid diffraction equation
  • FIGS. 4a-c shows step by step how to modify a grating mirror 30 according to FIG. 3, so that a higher diffraction order can be focused onto a focal point and the laser beam can be monitored with the aid of the grating mirror.
  • FIG. 4a shows a deflection mirror 40, which initially has no grating lines, and an incident laser beam 34, which impinges on the deflection mirror 40 at an angle ⁇ relative to the surface of the deflection mirror 40 and is reflected therefrom as a reflecting laser beam 37 at the angle ⁇ .
  • the surface of the deflection mirror 40 is defined as a mirror plane 41.
  • As a deflection plane 42 the plane defined by the optical axis 33 of the incident laser beam 34th and the optical axis 36 of the reflected laser beam 37 is clamped.
  • the coordinate system XYZ is oriented such that the mirror plane 41 represents the XY plane and the deflection plane 42 represents the YZ plane of the coordinate system XYZ.
  • the optical axes 33, 36 of the incident laser beam 34 and the reflected laser beam 37 intersect at the coordinate origin (0, 0, 0).
  • the incident laser beam 34 has a spatial extent and consists of parallel partial beams which are arranged about the optical axis 33. All partial beams strike the deflection mirror 40 at the same angle ⁇ , but each partial beam has different coordinates (X s , Ys, 0) of an intersection point 43 with the mirror plane 41. So that the parallel partial beams of the incident laser beam 34 are focused on a common focal point 44 with the coordinates (XF, YF, ZF), the partial beams must be deflected differently.
  • the focal point 44 is arranged in the deflection plane 42, which forms the YZ plane, ie for the coordinates of the focus point 44 (0, Y F , Z F ).
  • the equations which are derived below apply to the case where the focal point 44 lies in the deflection plane 42. If the focal point is outside the deflection plane 42, the X coordinate XF of the focal point 44 must additionally be taken into account in the calculations.
  • the direction of a respective deflected sub-beam 45 is defined by a straight line between the coordinates (X s , Ys, 0) of the respective intersection point 43 with the mirror plane 41 and the coordinates (0, YF, ZF) of the common focus point 44.
  • the direction of the deflected sub-beam 45 can be described by two angles ⁇ and ⁇ , where the first angle ⁇ is the angle between the deflected sub-beam 45 and a parallel to the Y-axis and the second angle ⁇ is the angle between the deflected partial beam 45 and a parallel to the X-axis is defined.
  • the following equations result as a function of the coordinates (Xs, Ys, 0) of the intersection point 43 and the coordinates (0, YF, ZF) of the focal point 44:
  • 4b shows the deflection mirror 40 according to FIG. 4a, in which three different intersection points 43a-c of parallel partial beams of the incident laser beam 34 with the mirror plane 41 are drawn.
  • the lower intersection 43a has the coordinates (0, 0, 0), the middle intersection 43b the coordinates (X s - ⁇ , Ysi, 0) and the upper intersection 43c the coordinates (Xs 2 , Ys2, 0).
  • the different partial beams 45a-c In order for the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 to be focused on the focal point 44, the different partial beams 45a-c must be deflected in different directions.
  • the directions of the partial beams 45a-c emanating from the intersections 43a-c and intersecting at the focal point 44 are defined by different angles ⁇ and ⁇ according to the above equations.
  • a grating mirror according to FIG. 3 with linear grating lines and constant grating period splits an incident laser beam 34 into a plurality of diffraction orders, which are diffracted in different directions.
  • a grating mirror can not focus a diffracted laser beam of a higher diffraction order, for example the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39, onto a focal point.
  • a grating mirror with linear grating lines and variable grating period produces a focus line which is perpendicular to the deflection plane 42.
  • a grating mirror with curved grating lines, for example circular grating lines, and a constant grating period focuses a laser beam linearly in a plane parallel to the deflecting plane 42. Focusing the laser beam on a focal point 44 results from a combination of these two grating types, ie by curved grating lines with a variable grating period.
  • the deflection mirror 40 of Fign. 4a, b to be provided with curved grid lines such that the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 is focused on the focal point 44.
  • a grid is local, ie at one point, defined by an angle ⁇ of the grid lines and the grating period P.
  • the angle ⁇ is defined as the angle between the tangent to the respective grid line and a parallel to the Y-axis.
  • angles ⁇ and grating periods P which are the partial beams 45a-c, starting from the Distract intersections 43a-c to the focus point 44. This yields the following equation of determination for the angle ⁇ and the grating period P:
  • FIG. 4b For the three intersections 43a-c, local grid lines are shown in FIG. 4b, which are shown as linear grid lines with a constant grid period P.
  • This approximation applies to a small area around the intersections 43a-c.
  • these locally linear grating areas may result in too much rasterization and the focus on the focal point may be too coarse.
  • the object now is to find a family of curves of closed grating lines, which generates the local angles ⁇ and grating periods P shown at the intersections 43a-c.
  • a grating mirror with closed grating lines can be produced more easily when manufacturing the grating mirror by means of lithography or diamond turning than grating mirrors with locally linear grating regions.
  • FIGS. 4a, b shows the deflection mirror 40 according to FIGS. 4a, b with closed grid lines 46.
  • the grid lines 46 are represented mathematically as a family of curves fj (x), the index i indicating the individual functions of the family of curves as an integer value.
  • FIG. 5 shows a grating mirror 50, which is designed as a deflection mirror with circular grating lines 51, which are arranged concentrically around a common center 52.
  • the center 52 of the concentric grid lines 51 has the coordinates (0, Yc, 0), where the Y coordinate Yc is given by:
  • ⁇ 0 is hereby defined as the angle between the Z-axis and a straight line 53 that passes through the coordinate orientation (0, 0, 0) and the focal point 44.
  • the grid lines 51 can be generated on the surface of the grid mirror 50 so that the grid mirror 50 produces the desired focusing effect.
  • a grating mirror 50 with grating lines 51 can be used in monitoring devices for the on-line monitoring of a laser beam, of which an embodiment in FIG. 6 is shown by way of example.
  • FIG. 6 shows a monitoring device 60 according to the invention for the online monitoring of a laser beam with a highly reflecting deflecting mirror 61, which is provided with grid lines 62 and is referred to below as grid mirror 61.
  • the grating mirror 61 can be arranged both in the laser resonator 1 of FIG. 1 for monitoring the intracavity laser beam 4 and in the external beam guide 20 of FIG. 2 for monitoring the decoupled laser beam 15 and replaces one of the deflecting mirrors 5 to 12 or 25a, 25b.
  • the incident laser beam 34 falls at an angle of incidence ⁇ relative to the surface normal 63 of the grating mirror 61 or at an angle ⁇ relative to the mirror plane 41 on the grating mirror 61, at which the laser beam 34 is decomposed into a plurality of diffraction orders m diffracted in different directions ß m become.
  • the laser beam 37 reflected in the zeroth diffraction order as the processing laser beam and the laser beam 39 diffracted in the minus first diffraction order appear as a measuring beam for on-line monitoring of the laser beam.
  • the optical axis 36 of the laser beam 37 reflected in the zeroth diffraction order has a diffraction angle ⁇ 0 which corresponds to the angle of incidence ⁇ between the optical axis 33 of the incident laser beam 34 and the surface normal 63.
  • the diffracted in the minus first diffraction order laser beam is reflected at a diffraction angle ß.i, which is different from the angle of reflection ⁇ of the reflected laser beam 37.
  • the diffraction angle ⁇ -i is also measured between the optical axis 38 of the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 and the surface normal 63 of the grating mirror 61.
  • the diffracted laser beam 39 is focused onto a focal point 64.
  • a detector unit 66 is arranged, on which the focused laser beam the minus first diffraction order 39 is displayed.
  • the distance between the intersection point 65 of the optical axes 33, 36 and the focal point 64 defines the focal length f of the grating mirror 61.
  • an evaluation unit 67 the detected focused laser beam 39 is analyzed.
  • the detector unit 66 for example as a power meter, as a quadrant detector or as a spatially resolving detector, the laser power, pointing and / or the power density distribution of the laser beam 34 can be monitored.
  • the grating mirrors 40, 50, 61 In order to limit diffraction losses of the laser beam 34, the grating mirrors 40, 50, 61 according to FIGS. 4a-c, 5, 6 designed so that next to the reflected laser beam of zeroth diffraction order 37, which represents the processing laser beam, only a further diffraction order occurs, which by suitable choice of parameters in the diffraction equation (angle of incidence, grating period, wavelength of the laser beam) becomes. Laser power, which occurs in further higher diffraction orders, is the processing laser beam is not available. Rather, higher diffraction orders can lead to unwanted heating of the mirror mount and surrounding components.
  • the grating mirrors 40, 50, 61 are therefore designed so that only the part which has to be decoupled from the laser beam 34 for on-line monitoring occurs in a higher diffraction order.
  • focusing the laser beam 39 diffracted into a higher diffraction order onto a focal point allows a compact realization of a monitoring device for online monitoring, the scope of use of which is of course not limited to the monitoring device described in FIG. It is understood that the monitoring device 60 shown in FIG. 6 can be connected to units for driving the laser resonator 1 or the beam guide 20 in order to regulate the laser power of the laser beam 34 or its distribution to a desired value.

Abstract

The invention relates to a grating mirror (61) for the online monitoring of a laser beam (34). The grating mirror (61) has a variable local grating period and a variable local angle of grating lines (62) that are selected such that the grating mirror (61) focuses a laser beam (39) diffracted at a higher diffraction order (m=-1) onto at least one focal point (64). The grating mirror (61) is preferably utilized as part of a monitoring device (60) for the online monitoring of the laser beam (34).

Description

Gitterspieqel zur Online-Überwachung eines Laserstrahls und Überwachunqs- vorrichtunq damit Grid for online monitoring of a laser beam and monitoring device with it
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Gitterspiegel zur Online-Überwachung eines Laserstrahls, eine Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung eines Laserstrahls mit einem solchen Gitterspiegel, sowie einen Laserresonator und eine Strahlführung mit einer solchen Überwachungsvorrichtung. Überwachungsvorrichtungen zur Online-Überwachung von Laserstrahlen sind verschiedentlich bekannt. So bietet z.B. die Firma Spiricon Überwachungsvorrichtungen für CO2- und Festkörperlaser zur Analyse und Überwachung von Laserstrahlen an, bei denen über einen teiltransmissiven Strahlteiler ein Anteil des Laserstrahls aus dem Bearbeitungslaserstrahl ausgekoppelt und einer Detektorvorrichtung zugeführt wird. Die Überwachungsvorrichtung umfasst eine Fokussierlinse, Umlenkspiegel, Filter und eine Kamera.The present invention relates to a grating mirror for on-line monitoring of a laser beam, a monitoring device for on-line monitoring of a laser beam with such a grating mirror, and a laser resonator and a beam guide with such a monitoring device. Monitoring devices for the online monitoring of laser beams are variously known. For example, Spiricon offers monitoring devices for CO 2 and solid-state lasers for analyzing and monitoring laser beams, in which a portion of the laser beam is coupled out of the processing laser beam via a partially transmissive beam splitter and fed to a detector device. The monitoring device comprises a focusing lens, deflecting mirror, filter and a camera.
Problematisch an der Verwendung von (teil-)transmissiven Materialien wie ZnSe, Ga As, Ge, ZnS oder Si als Substrate zur Auskopplung eines Anteils des Laserstrahls ist es, dass die ausgekoppelte Laserstrahlung durch das Substratmaterial hindurch tritt, wodurch eine Kühlung des optischen Elements nicht mehr vollflächig von der Rückseite erfolgen kann und daher entlang des Umfanges erfolgen muss. Die meisten der oben genannten Materialien haben zudem eine schlechte Wärmeleitfähigkeit, aus der gemeinsam mit der veränderten Kühlung eine größere Empfindlichkeit gegenüber Zerstörung bei Verschmutzung des zur Auskopplung verwendeten optischen Elements resultiert. Ferner kann die Fokussierung oder Abbildung des ausgekoppelten Laserstrahls, falls diese erforderlich ist, in der Regel nur durch ein weiteres optisches Element erreicht werden.The problem with the use of (semi-) transmissive materials such as ZnSe, GaAs, Ge, ZnS or Si as substrates for decoupling a portion of the laser beam is that the decoupled laser radiation passes through the substrate material, whereby a cooling of the optical element not can be done over the entire surface of the back and therefore must be along the circumference. In addition, most of the above materials have poor thermal conductivity, which, together with the altered cooling, results in greater susceptibility to destruction by fouling of the optical element used for decoupling. Furthermore, the focusing or imaging of the decoupled laser beam, if this is required, usually only be achieved by a further optical element.
Das deutsche Patent DE 101 58 859 der Fachhochschule Hildesheim/Holzminden/ Göttingen offenbart ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Analyse und Überwachung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls über den Laserstrahlquerschnitt. Das Überwachungsverfahren basiert auf der Idee, dass sich in einem Laserspiegel, der einen Laserstrahl umlenkt, aufgrund der unterschiedlichen Intensitäten eine entsprechende Temperatur- und Wärmeverteilung und damit einhergehend eine lokale Wärmeausdehnung im Laserspiegel einstellt, die interferometrisch erfasst werden kann. Die Überwachungsvorrichtung umfasst einen Laserspiegel, eine Messlichtquelle, einen Strahlteiler, eine Referenzplatte und eine Kamera. Der Messlichtstrahl tritt ohne Umlenkung durch den Strahlteiler hindurch und gelangt durch die Referenzplatte auf die Spiegeloberfläche. Der Messlichtstrahl wird in sich selbst reflektiert und bildet zwischen Spiegeloberfläche und einer Referenzfläche ein Interferenzmuster aus, das mit der Kamera beobachtet wird. Die deutsche Patentanmeldung DE 101 49 823 beschreibt einen Laserstrahlanalysa- tor zum Erfassen der Intensitätsverteilung und/oder der Lage eines von einem Umlenkspiegel reflektierten Laserstrahls. Eine Detektoranordnung fängt hierbei außerhalb der Reflexionsrichtung von Streuzentren in der Spiegeloberfläche kommendes Streulicht auf, um dessen Verteilung zu analysieren.German Patent DE 101 58 859 of the University of Applied Sciences Hildesheim / Holzminden / Göttingen discloses a method and a device for analyzing and monitoring the intensity distribution of a laser beam over the laser beam cross section. The monitoring method is based on the idea that sets in a laser mirror, which deflects a laser beam, due to the different intensities a corresponding temperature and heat distribution and, consequently, a local thermal expansion in the laser mirror, which can be detected interferometrically. The monitoring device comprises a laser mirror, a measuring light source, a beam splitter, a reference plate and a camera. The measuring light beam passes without deflection through the beam splitter and passes through the reference plate on the mirror surface. The measuring light beam is reflected in itself and forms an interference pattern between the mirror surface and a reference surface, which is observed with the camera. German patent application DE 101 49 823 describes a laser beam analyzer for detecting the intensity distribution and / or the position of a laser beam reflected by a deflection mirror. In this case, a detector arrangement intercepts scattered light coming from scattering centers in the mirror surface outside the direction of reflection in order to analyze its distribution.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Gitterspiegel, eine Überwachungsvorrichtung, einen Laserresonator und eine Strahlführung bereitzustellen, mit denen die Auskopplung und Fokussierung eines Laserstrahls zur Online- Überwachung mittels eines einzigen optischen Elements erfolgen kann.It is the object of the present invention to provide a grating mirror, a monitoring device, a laser resonator and a beam guide, with which the decoupling and focusing of a laser beam for on-line monitoring by means of a single optical element can be carried out.
Gegenstand der ErfindungSubject of the invention
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Gitterspiegel, der eine lokale Gitterperiode und eine lokale Ausrichtung der Gitterlinien aufweist, die jeweils derart gewählt sind, dass der Gitterspiegel einen in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl auf mindestens einen Fokuspunkt fokussiert. Die Beugung in die höhere Beugungsordnung erfolgt unter einem anderen Beugungswinkel als die nullte Beugungsordnung, die dem reflektierten Laserstrahl bei Umlenkspiegeln ohne Gitterlinien entspricht und im Weiteren auch als reflektierter Laserstrahl bezeichnet wird, so dass der in die höhere Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl auf einen Detektor verkleinert abgebildet oder (teilweise) fokussiert werden kann, ohne den Strahlverlauf des reflektierten Laserstrahls zu stören. Die Fokussierung des gebeugten Laserstrahls einer höheren Beugungsordnung ermöglicht auch bei Laserstrahlen mit großen Strahlquerschnitten die Verwendung von Detektoren mit einer kleinen Detektorfläche, wodurch Kosten eingespart werden können. Femer kann zur Auskopplung eines Messstrahls und zur Fokussierung des Messstrahls dasselbe optische Element verwendet werden, so dass auf eine zusätzliche Fokussierungs- bzw. Abbildungsoptik verzichtet werden kann. Die Intensität des ausgekoppelten Teilstrahls bzw. das Verhältnis zwischen den Intensitäten des reflektierten und des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls können hierbei über die Wahl der Form der Gitterlinien (Flankenwinkel, Tastverhältnis, Gittertiefe) und die Polarisation des Laserstrahls eingestellt werden.This object is achieved by a grating mirror having a local grating period and a local orientation of the grating lines, which are each selected such that the grating mirror focuses a deflected into a higher diffraction order laser beam to at least one focal point. The diffraction in the higher diffraction order is carried out at a different diffraction angle than the zeroth order of diffraction, which corresponds to the reflected laser beam at deflecting mirrors without grating lines and is also referred to as a reflected laser beam, so that the diffracted into the higher diffraction order laser beam to a detector shown reduced or (Partially) can be focused without disturbing the beam path of the reflected laser beam. Focussing the diffracted laser beam of a higher diffraction order also enables the use of detectors with a small detector area, even for laser beams with large beam cross-sections, whereby costs can be saved. Furthermore, the same optical element can be used to decouple a measurement beam and to focus the measurement beam, so that additional focusing or imaging optics can be dispensed with. The intensity of the decoupled partial beam or the ratio between the intensities of the reflected and the diffracted into the higher diffraction order laser beam can in this case on the choice of the shape of the grid lines (flank angle, Duty cycle, grid depth) and the polarization of the laser beam can be adjusted.
Wenn die Ausrichtung der Gitterlinien nicht parallel ist, sondern sich lokal über die Oberfläche des Gitterspiegels verändert, kann die Richtung des ausgekoppelten Teilstrahls an jeder Stelle des Gitterspiegels unterschiedlich gewählt werden. Mit einer konzentrischen Gitteranordnung (mit Zentrum in der Umlenkebene) kann der Laserstrahl senkrecht zur Umlenkebene fokussiert (oder defokussiert) werden. Bei zusätzlicher Wahl einer geeignet angepassten, lokal unterschiedlichen Gitterperiode kann der Laserstrahl auch in der Umlenkebene fokussiert (oder defokussiert) werden. Insbesondere sind diese beiden Fokussierungen zunächst unabhängig, so dass eine Kombination gefunden werden kann, bei welcher der in die höhere Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl auf einen gemeinsamen Fokuspunkt gelenkt wird. Alternativ ist es auch möglich, den Laserstrahl so astigmatisch auf zwei unterschiedliche Fokuspunkte zu fokussieren, dass der elliptisch gebeugte Laserstrahl auf eine vorgegebene Ebene kreisförmig abgebildet bzw. (teil-)fokussiert wird.If the orientation of the grid lines is not parallel, but varies locally over the surface of the grid mirror, the direction of the coupled-out sub-beam at each point of the grid mirror can be chosen differently. With a concentric grid arrangement (with center in the deflection plane), the laser beam can be focused (or defocused) perpendicular to the deflection plane. With additional choice of a suitably adapted, locally different grating period, the laser beam can also be focused (or defocused) in the deflection plane. In particular, these two foci are initially independent, so that a combination can be found in which the diffracted into the higher diffraction order laser beam is directed to a common focus point. Alternatively, it is also possible to focus the laser beam astigmatically on two different focal points in such a way that the elliptically diffracted laser beam is imaged or (partially) focused circularly onto a predetermined plane.
In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Wellenlänge und der Einfallswinkel des Laserstrahls sowie die lokale Gitterperiode des Gitterspiegels derart gewählt, dass neben dem reflektierten Laserstrahl der nullten Beugungsordnung nur ein in eine höhere Beugungsordnung gebeugter Laserstrahl, insbesondere der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl, auftritt. Diese höhere Beugungsordnung ist für gewöhnlich die (positive oder negative) erste Beugungsordnung. Laserleistung, die nicht in der nullten oder ersten Beugungsordnung auftritt, reduziert die Leistung des in die nullte Beugungsordnung reflektierten Laserstrahls, ohne dass diese sinnvoll genutzt werden kann. Daher ist es günstig, die obigen Parameter entsprechend der Beugungsgleichung derart festzulegen, dass lediglich die nullte und (minus) erste Beugungsordnung existieren.In a preferred embodiment, the wavelength and the angle of incidence of the laser beam and the local grating period of the grating mirror are selected such that only a diffracted into a higher diffraction order laser beam, in particular the diffracted in the minus first diffraction order laser beam occurs in addition to the reflected laser beam of zeroth diffraction order. This higher diffraction order is usually the (positive or negative) first diffraction order. Laser power that does not occur in the zeroth or first diffraction order reduces the power of the laser beam reflected in the zeroth diffraction order, without it being useful to use. Therefore, it is convenient to set the above parameters according to the diffraction equation such that only the zeroth and (minus) first diffraction orders exist.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform sind die lokale Gitterperiode und der lokale Winkel der Gitterlinien jeweils derart gewählt, dass der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl auf den mindestens einen Fokuspunkt fokussiert wird. Da physikalisch bedingt die Intensität der gebeugten Laserstrahlung mit zunehmender Beugungsordnung rasch abnimmt, ist es vorteilhaft, eine möglichst niedrige Beugungsordnung zur Auskopplung zu wählen. Für die Auskopplung der minus ersten Beugungsordnung lässt sich hierbei eine geeignete lokale Ausrichtung der Gitterlinien auf besonders einfache Weise auffinden.In an advantageous embodiment, the local grating period and the local angle of the grating lines are each chosen such that the diffracted into the minus first diffraction order laser beam is focused on the at least one focal point. Since, due to physical reasons, the intensity of the diffracted laser radiation decreases rapidly with increasing diffraction order, it is advantageous to select the lowest possible order of diffraction for decoupling. For the extraction of the minus First diffraction order can be found here a suitable local orientation of the grid lines in a particularly simple manner.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Gitterlinien als Kreise ausgebildet, die konzentrisch um einen Mittelpunkt angeordnet sind. In diesem Fall kann durch geeignete Variation der Gitterperiode in radialer Richtung die Fokussierung des in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf einen Fokuspunkt erfolgen. Die Verwendung eines radial symmetrischen Gitterspiegels ist besonders vorteilhaft, da dieser leicht herzustellen ist. Die Gitterlinien können hierbei in einen herkömmlichen Spiegel durch Ätzen in das Substrat oder in die dielektrischen Schichten einer reflexionsverstärkenden Mehrlagen-Beschichtung erfolgen. Insbesondere kann der Gitterspiegel durch off-axis-Diamantdrehen hergestellt werden, wodurch automatisch eine konzentrische Struktur entsteht. Da für die Online-Überwachung nur ein geringer Anteil des Laserstrahls ausgekoppelt wird, ist die erforderliche Strukturtiefe leicht herzustellen.In a preferred embodiment, the grid lines are formed as circles, which are arranged concentrically around a center. In this case, by suitable variation of the grating period in the radial direction, the focusing of the diffracted into a higher diffraction order laser beam to a focal point. The use of a radially symmetric grating mirror is particularly advantageous because it is easy to manufacture. In this case, the grid lines can be made in a conventional mirror by etching into the substrate or into the dielectric layers of a reflection-enhancing multilayer coating. In particular, the grating mirror can be made by off-axis diamond turning, which automatically creates a concentric structure. Since only a small portion of the laser beam is decoupled for online monitoring, the required structure depth is easy to produce.
In einer bevorzugten Weiterbildung ist der Mittelpunkt der konzentrisch angeordneten Gitterlinien in einem Abstand zum Schnittpunkt der optischen Achse des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls mit dem Gitterspiegel angeordnet. In der Regel wird bei einem Gitterspiegel mit konzentrischen Gitterlinien der Laserstrahl mit seiner optischen Achse auf den Mittelpunkt der Gitterlinien ausgerichtet. Im vorliegenden Fall kann durch den lateralen Versatz der optischen Achse die Fokussierung des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf einen Fokuspunkt realisiert werden.In a preferred embodiment, the center of the concentrically arranged grid lines is arranged at a distance from the intersection of the optical axis of the diffracted into the higher diffraction order laser beam with the grating mirror. As a rule, in the case of a grating mirror with concentric grating lines, the laser beam is aligned with its optical axis to the center of the grating lines. In the present case, the focusing of the laser beam diffracted into the higher diffraction order onto a focal point can be realized by the lateral offset of the optical axis.
In einer vorteilhaften Weiterbildung weicht der Abstand zwischen dem Mittelpunkt der konzentrisch angeordneten Gitterlinien und dem Schnittpunkt der optischen Achse höchstens um ±10 % von einem Abstand ab, der gegeben ist durch: Yc = m λ f / P0, wobei P0 die Gitterperiode am Schnittpunkt, f den Abstand zwischen dem Schnittpunkt und dem Fokuspunkt, λ die Wellenlänge des Laserstrahls und m die Beugungsordnung des Laserstrahls bezeichnen. Durch obige Gleichung ist der optimale Abstand zwischen Mittelpunkt und Schnittpunkt für eine Fokussierung des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf den Fokuspunkt gegeben. Geringe Abweichungen von diesem optimalen Abstand im Bereich von ca. ±10 % können jedoch toleriert werden.In an advantageous development, the distance between the center of the concentrically arranged grid lines and the intersection of the optical axis deviates by a maximum of ± 10% from a distance given by: Y c = m λ f / P 0 , where P 0 is the grating period at the intersection, f the distance between the intersection and the focal point, λ the wavelength of the laser beam and m the diffraction order of the laser beam denote. By the above equation, the optimum distance between the center point and the intersection point for focusing the laser beam diffracted into the higher diffraction order onto the focal point is given. Small deviations from this optimal distance in the range of approx. ± 10% but can be tolerated.
Bei einer alternativen Ausführungsform verlaufen die Gitterlinien entlang einer Kurvenschar fj(x) = Vj + A(yi) x2 + B(Vj) x4. Für die Bestimmung der optimalen Kurvenschar, entlang derer die Gitterlinien verlaufen sollen, müssen Lösungen ein nichtlinearen Gleichungssystems approximiert werden, was auf numerischem Wege durch eine Entwicklung um den Punkt x=0 geschieht. Hierbei hat sich gezeigt, dass bei größeren Abweichungen von diesem Punkt obiger Ansatz zur Bestimmung der Kurvenschar bessere Ergebnisse liefert als die Verwendung eines Ansatzes mit konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien. Es versteht sich, dass auch andere Ansätze zur Bestimmung der Kurvenschar der Gitterlinien zum Einsatz kommen können, wobei der jeweils am besten geeignete Ansatz von Parametern wie bspw. der Apertur des Gitterspiegels abhängig ist. Sind die auftretenden Abweichungen für einen gewählten Ansatz zu groß, wird ein anderer Ansatz gewählt, bis eine Kurvenschar mit akzeptablen Abweichungen ermittelt wurde.In an alternative embodiment, the grid lines run along a family of curves fj (x) = Vj + A (yi) x 2 + B (Vj) x 4 . For the determination of the optimal set of curves along which the grid lines should run, solutions of a nonlinear equation system must be approximated, which is done numerically by a development around the point x = 0. It has been shown that for larger deviations from this point above approach to determine the family of curves provides better results than the use of an approach concentric circular grid lines. It is understood that other approaches for determining the family of curves of the grid lines can be used, wherein the most suitable approach depends on parameters such as the aperture of the grating mirror. If the deviations that occur are too large for a selected approach, a different approach is chosen until a set of curves with acceptable deviations has been determined.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung eines Laserstrahls, umfassend: einen Gitterspiegel wie oben beschrieben, eine Detektoreinheit zur Detektion des in die höhere Beugungsordnung gebeugten, auf den mindestens einen Fokuspunkt fokussierten Laserstrahls, sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung des detektierten Laserstrahls. Eine solche Überwachungsvorrichtung kann in einer kompakten Bauform realisiert werden, da der Gitterspiegel die Fokussierung bzw. Abbildung des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls auf den Detektor übernimmt, so dass auf eine zusätzliche Fokussier- bzw. Abbildungsoptik verzichtet werden kann.A further aspect of the invention is implemented in a monitoring device for online monitoring of a laser beam, comprising: a grating mirror as described above, a detector unit for detecting the diffracted into the higher diffraction order, focused on the at least one focal point laser beam, and an evaluation unit for evaluating the detected laser beam. Such a monitoring device can be realized in a compact design, since the grating mirror takes over the focusing or imaging of the diffracted into the higher diffraction order laser beam to the detector, so that can be dispensed with an additional focusing or imaging optics.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Detektoreinheit in einem Abstand von weniger als 20 % der Brennweite des Gitterspiegels vom Fokuspunkt entfernt angeordnet. In diesem Fall kann eine Detektoreinheit mit einer kleinen Detektorfläche gewählt werden, wodurch einerseits Kosten gesenkt und andererseits eine weitere Reduzierung der Größe der Überwachungsvorrichtung realisiert werden kann.In an advantageous embodiment, the detector unit is arranged at a distance of less than 20% of the focal length of the grating mirror from the focal point. In this case, a detector unit with a small detector surface can be selected, which on the one hand reduces costs and on the other hand, a further reduction of the size of the monitoring device can be realized.
Bevorzugt ist die Detektoreinheit als ortsauflösender Detektor, als Quadrantendetektor oder als Leistungsdetektor ausgebildet. Die Verwendung eines ortsauf- lösenden Detektors, z.B. eines Array-Detektors oder einer IR-Kamera, bietet die Möglichkeit, die Intensitätsverteilung und damit die Strahlform des Laserstrahls online zu überwachen. Auch ist es alternativ möglich, mittels eines Quadrantendetektors lediglich das Pointing des Laserstrahls zu überwachen. Auch die Verwendung eines Leistungsdetektors ist möglich, der keine ortsaufgelöste Information liefert, sondern lediglich die Gesamtintensität des Laserstahls detektiert. Aus der gemessenen Intensität des in die höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls kann die Auswerteeinheit die Gesamtleistung des Laserstrahls ermitteln, da die Aufteilung der Intensitäts-Anteile auf die nullte und die höhere Beugungsordnung bekannt ist.Preferably, the detector unit is designed as a spatially resolving detector, as a quadrant detector or as a power detector. The use of a local Detaching detector, such as an array detector or an IR camera, provides the ability to monitor the intensity distribution and thus the beam shape of the laser beam online. Also, it is alternatively possible to monitor by means of a quadrant detector only the pointing of the laser beam. The use of a power detector is possible, which does not provide spatially resolved information, but only detects the total intensity of the laser beam. From the measured intensity of the diffracted into the higher diffraction order laser beam, the evaluation unit can determine the total power of the laser beam, since the division of the intensity components to the zeroth and the higher diffraction order is known.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einem Laserresonator mit einer Überwachungsvorrichtung wie oben beschrieben. Die Überwachungsvorrichtung ist hierbei typischer Weise in den Laserresonator integriert.Another aspect of the invention is realized in a laser resonator with a monitoring device as described above. The monitoring device is typically integrated in the laser resonator.
Ein Aspekt der Erfindung ist verwirklicht in einer Strahlführung zur Zuführung eines Laserstrahls von einem Laserresonator zu einem Laserbearbeitungskopf mit einer Überwachungsvorrichtung wie oben beschrieben. In diesem Fall kann ein Umlenkspiegel der Strahlführung gegen den Gitterspiegel ausgetauscht werden. Es versteht sich, dass der Einsatz der Überwachungsvorrichtung nicht nur auf die oben beschriebene Strahlführung beschränkt ist, sondern sich vorteilhaft in jeder Strahlführung für einen Laserstrahl einsetzen lässt, welche wenigstens einen Umlenkspiegel aufweist.One aspect of the invention is embodied in a beam guide for delivering a laser beam from a laser cavity to a laser processing head with a monitoring device as described above. In this case, a deflecting mirror of the beam guide can be exchanged for the grating mirror. It is understood that the use of the monitoring device is not limited to the beam guidance described above, but can be used advantageously in any beam guidance for a laser beam having at least one deflection mirror.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.Further advantages of the invention will become apparent from the description and the drawings. Likewise, the features mentioned above and the features listed further can be used individually or in combination in any combination. The embodiments shown and described are not to be understood as exhaustive enumeration, but rather have exemplary character for the description of the invention.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen CO≥-Gaslaser mit einem gefalteten Laserresonator, Fig. 2 einen CG^-Gaslaser mit einer externen Strahlführung und einem Bearbeitungskopf,1 shows a CO.sub.2 gas laser with a folded laser resonator, 2 is a CG ^ gas laser with an external beam guide and a processing head,
Fig. 3 das Beugungsverhalten eines Gitterspiegels mit parallelen Gitterlinien,3 shows the diffraction behavior of a grating mirror with parallel grating lines,
Fign. 4a-c die Auslegung eines Gitterspiegels in mehreren Schritten,FIGS. 4a-c the design of a grid mirror in several steps,
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Gitterspiegel mit konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien undFig. 5 shows a grating mirror according to the invention with concentric circular grid lines and
Fig. 6 eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung mit einem Gitterspiegel, der als hochreflektierender Umlenkspiegel ausgebildet ist.Fig. 6 shows a monitoring device according to the invention with a grating mirror, which is designed as a highly reflective deflection mirror.
Fig. 1 zeigt einen quadratisch gefalteten Laserresonator 1 eines CCVGaslasers mit acht Entladungsstrecken. Ein teiltransmittierender Auskoppelspiegel 2, der bspw. einen Reflexionsgrad von 70 % und einen Transmissionsgrad von 30 % aufweist, und ein hoch reflektierender Endspiegel 3 begrenzen den Laserresonator 1. Ein im Laserresonator 1 erzeugter Laserstrahl 4 wird über acht Umlenkspiegel 5 bis 12 in zwei übereinander liegenden, parallelen Ebenen 13, 14 quadratisch gefaltet, wobei vier Umlenkspiegel 5 bis 8 in der oberen Ebene 13 und vier weitere Umlenkspiegel 9 bis 12 in der unteren Ebene 14 angeordnet sind. Der Laserstrahl 4 wird vom Endspiegel 3 kommend an den ersten drei Umlenkspiegeln 5, 6 und 7 in der oberen Ebene 13 um jeweils 90° umgelenkt. Der Laserstrahl 4, der vom dritten Umlenkspiegel 7 auf den vierten Umlenkspiegel 8 in der oberen Ebene 13 umgelenkt wird, wird von diesem und anschließend vom ersten Umlenkspiegel 9 in der unteren Ebene 14 ebenfalls um 90° umgelenkt, allerdings in einer zu den Ebenen 13, 14 senkrechten Richtung, und gelangt von der oberen Ebene 13 in die untere Ebene 14. Die weiteren drei Umlenkspiegel 10, 11 und 12 lenken den Laserstrahl 4 um jeweils 90° in der unteren Ebene 14 um. Vom vierten Umlenkspiegel 12 der unteren Ebene 14 kommend trifft der Laserstrahl 4 auf den teiltransmittierenden Auskoppelspiegel 2, an dem ein Teil des Laserstrahls als ausgekoppelter Laserstrahl 15 aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelt und ein anderer Teil als reflektierter Laserstrahl 16 in den Laserresonator 1 reflektiert wird. Der reflektierte Laserstrahl 16 trifft in umgekehrter Richtung zum Laserstrahl 4 auf die acht Umlenkspiegel 5 bis 12 und durchquert sämtliche Entladungsstrecken zwischen dem Auskoppelspiegel 2 und dem Endspiegel 3.1 shows a square folded laser resonator 1 of a CCV gas laser with eight discharge paths. A partially transmitting outcoupling mirror 2, for example, having a reflectance of 70% and a transmittance of 30%, and a highly reflective end mirror 3 define the laser resonator 1. A generated in the laser resonator 1 laser beam 4 is eight deflecting mirror 5 to 12 in two superimposed , parallel planes 13, 14 folded square, with four deflecting mirrors 5 to 8 in the upper level 13 and four further deflecting mirrors 9 to 12 are arranged in the lower level 14. The laser beam 4 is deflected by the end mirror 3 at the first three deflecting mirrors 5, 6 and 7 in the upper plane 13 by 90 °. The laser beam 4, which is deflected from the third deflection mirror 7 to the fourth deflection mirror 8 in the upper plane 13, is also deflected by this and then by the first deflection mirror 9 in the lower plane 14 by 90 °, but in one of the planes 13, 14, and passes from the upper level 13 into the lower level 14. The other three deflection mirrors 10, 11 and 12 deflect the laser beam 4 by 90 ° in the lower level 14. Coming from the fourth deflecting mirror 12 of the lower level 14, the laser beam 4 impinges on the partially transmitting outcoupling mirror 2, at which a part of the laser beam is coupled out of the laser resonator 1 as a coupled-out laser beam 15 and another part is reflected as a reflected laser beam 16 into the laser resonator 1. The reflected laser beam 16 hits in the reverse direction to the laser beam 4 on the eight deflecting mirrors 5 to 12 and passes through all the discharge paths between the output mirror 2 and the end mirror. 3
Damit der aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelte Laserstrahl 15 als Bearbeitungswerkzeug eingesetzt werden kann, wird der Laserstrahl 15 wie in Fig. 2 gezeigt in einer externen Strahlführung 20 über reflektierende, teiltransmittierende und trans- mittierende optische Elemente, wie z.B. Spiegel und Linsen, vom Laserresonator 1 zu einem Bearbeitungskopf 21 geführt, in welchem eine Fokussierung des Laserstrahls 15 erfolgt. Der ausgekoppelte Laserstrahl 15 wird über ein Strahlteleskop 22, das in Fig. 2 als Spiegelteleskop mit zwei Spiegeln 23, 24 ausgebildet ist, auf einen gewünschten Strahldurchmesser aufgeweitet und über Umlenkspiegel 25a, 25b, die in Fig. 2 als 90°-Umlenkspiegel ausgebildet sind, zum Bearbeitungskopf 21 umgelenkt. Der Bearbeitungskopf 21 kann wie in Fig. 2 gezeigt als Spiegelkopf ausgebildet sein und umfasst in diesem Fall einen Fokussierspiegel 26, der den Laserstrahl 15 auf einen für die Bearbeitung geforderten Strahldurchmesser fokussiert. Bei Bedarf können weitere Umlenkspiegel in der externen Strahlführung 20 angeordnet sein, die den Laserstrahl 15 umlenken.In order for the laser beam 15 coupled out from the laser resonator 1 to be used as a machining tool, the laser beam 15 is irradiated in an external beam guide 20 via reflecting, partially transmitting and transmitting optical elements, such as those shown in FIG. Mirror and lenses, led by the laser resonator 1 to a processing head 21, in which a focusing of the laser beam 15 takes place. The decoupled laser beam 15 is spread over a beam telescope 22, which is formed in Fig. 2 as a mirror telescope with two mirrors 23, 24, to a desired beam diameter and deflection mirrors 25a, 25b, which are formed in Fig. 2 as 90 ° -Umlenkspiegel , deflected to the processing head 21. The machining head 21 can be designed as a mirror head as shown in FIG. 2 and, in this case, comprises a focusing mirror 26 which focuses the laser beam 15 on a beam diameter required for machining. If necessary, further deflecting mirrors can be arranged in the external beam guide 20, which deflect the laser beam 15.
Um den Laserstrahl 4 im Laserresonator 1 oder den aus dem Laserresonator 1 ausgekoppelten Laserstrahl 15 mit Hilfe eines resonatorinternen Umlenkspiegels 5 bis 12 oder eines resonatorexternen Umlenkspiegels 25a, 25b zu überwachen, wird der Umlenkspiegel mit Gitterlinien versehen, die den Laserstrahl in mehrere Beugungsordnungen aufspalten. Ein mit Gitterlinien versehener Spiegel, der bspw. als Umlenkspiegel 5-12, 25a, 25b, Auskoppelspiegel 2 oder Endspiegel 3 ausgebildet ist, wird als Gitterspiegel bezeichnet. Bevorzugt ist der Gitterspiegel als hochreflektierender Umlenkspiegel ausgebildet. Unter einem hochreflektierenden Gitterspiegel wird im Sinne dieser Anmeldung ein Gitterspiegel verstanden, bei dem der reflektierte Laserstrahl einen Anteil von 95 % oder mehr der Intensität des einfallenden Laserstrahls aufweist. Ein solcher Umlenkspiegel kann einen herkömmlichen Umlenkspiegel im Laserresonator oder in der Strahlführung ersetzen, um eine Online- Überwachung des Laserstrahls vorzunehmen. In der Regel bewirkt der Umlenkspiegel hierbei eine Umlenkung des Laserstrahls um 90°. Fig. 3 zeigt das Beugungsverhalten eines Gitterspiegels 30 mit parallelen Gitterlinien 31 und einer konstanten Gitterperiode P, die als Summe aus der Gitterlinienbreite und dem Abstand zwischen zwei Gitterlinien definiert ist. Das Beugungsverhalten des Gitterspiegels 30 wird durch die allgemein gültige BeugungsgleichungIn order to monitor the laser beam 4 in the laser resonator 1 or the laser beam 15 coupled out of the laser resonator 1 with the aid of a resonator-internal deflection mirror 5 to 12 or a resonator mirror 25a, 25b external to the resonator, the deflection mirror is provided with grid lines which split the laser beam into a plurality of diffraction orders. A provided with grid lines mirror, which is formed, for example, as a deflection mirror 5-12, 25a, 25b, Auskoppelspiegel 2 or end mirror 3 is referred to as a grating mirror. Preferably, the grating mirror is formed as a highly reflective deflection mirror. For the purposes of this application, a highly reflective grating mirror is understood to be a grating mirror in which the reflected laser beam has a proportion of 95% or more of the intensity of the incident laser beam. Such a deflection mirror can replace a conventional deflection mirror in the laser resonator or in the beam guide in order to carry out an online monitoring of the laser beam. As a rule, the deflecting mirror causes a deflection of the laser beam by 90 °. Fig. 3 shows the diffraction behavior of a grating mirror 30 with parallel grating lines 31 and a constant grating period P, which is defined as the sum of the grating line width and the distance between two grating lines. The diffraction behavior of the grating mirror 30 is determined by the generally valid diffraction equation
P [sin(ßm) - sin(Θ)] = m λP [sin (β m ) - sin (Θ)] = m λ
beschrieben, die besagt, dass bei einer gewählten Gitterperiode P und gegebenen Wellenlänge λ des Laserstrahls nur eine begrenzte Zahl von Beugungsordnungen m auftritt (m=0, ±1 , ±2, ...), die sich im Raum unter verschiedenen Beugungswinkeln ßm ausbreiten. Dabei sind der Winkel zwischen der Flächennormale 32 des Gitterspiegels 30 und der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 als Einfallswinkel Θ und der Winkel zwischen der Oberfläche 35 des Gitterspiegels 30 und der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 als Winkel γ definiert.described, which states that at a selected grating period P and given wavelength λ of the laser beam only a limited number of diffraction orders m occurs (m = 0, ± 1, ± 2, ...), which in space at different diffraction angles ß m spread. The angle between the surface normal 32 of the grating mirror 30 and the optical axis 33 of the incident laser beam 34 as the angle of incidence Θ and the angle between the surface 35 of the grating mirror 30 and the optical axis 33 of the incident laser beam 34 are defined as the angle γ.
Die optische Achse 36 des gebeugten Laserstrahls der nullten Beugungsordnung (m=0), der im Folgenden als reflektierter Laserstrahl 37 bezeichnet wird, verläuft unter einem Beugungs- oder Ausfallswinkel ßo, der dem Einfallswinkel Θ entspricht. Die optische Achse 38 des gebeugten Laserstrahls der minus ersten Beugungsordnung (m=-1) 39 verläuft unter einem Beugungswinkel ß.i = aresin [-λ / P + sin(Θ)], der vom Beugungswinkel ß0 des reflektierten Laserstrahls 37 verschieden ist.The optical axis 36 of the zero-order diffracted laser beam (m = 0), hereinafter referred to as the reflected laser beam 37, is at a diffraction angle βo corresponding to the incident angle θ. The optical axis 38 of the diffracted laser beam of the minus first diffraction order (m = -1) 39 extends at a diffraction angle β.i = aresin [-λ / P + sin (Θ)], which differs from the diffraction angle β 0 of the reflected laser beam 37 ,
Im Folgenden wird anhand der Fign. 4a-c schrittweise dargestellt, wie ein Gitterspiegel 30 gemäß Fig. 3 zu modifizieren ist, damit eine höhere Beugungsordnung auf einen Fokuspunkt fokussiert und der Laserstrahl mit Hilfe des Gitterspiegels überwacht werden kann.In the following, with reference to FIGS. 4a-c shows step by step how to modify a grating mirror 30 according to FIG. 3, so that a higher diffraction order can be focused onto a focal point and the laser beam can be monitored with the aid of the grating mirror.
Fig. 4a zeigt einen Umlenkspiegel 40, der zunächst keine Gitterlinien aufweist, sowie einen einfallenden Laserstrahl 34, der unter einem Winkel γ relativ zur Oberfläche des Umlenkspiegels 40 auf den Umlenkspiegel 40 auftrifft und von dort als reflektierender Laserstrahl 37 unter dem Winkel γ reflektiert wird. Die Oberfläche des Umlenkspiegels 40 ist als Spiegelebene 41 definiert. Als Umlenkebene 42 ist die Ebene definiert, die durch die optische Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 und die optische Achse 36 des reflektierten Laserstrahls 37 aufgespannt ist. Das Koordinatensystem XYZ ist so ausgerichtet, dass die Spiegelebene 41 die XY-Ebene und die Umlenkebene 42 die YZ-Ebene des Koordinatensystems XYZ darstellen. Die optischen Achsen 33, 36 des einfallenden Laserstrahls 34 und des reflektierten Laserstrahls 37 schneiden sich im Koordinatenursprung (0, 0, 0).4a shows a deflection mirror 40, which initially has no grating lines, and an incident laser beam 34, which impinges on the deflection mirror 40 at an angle γ relative to the surface of the deflection mirror 40 and is reflected therefrom as a reflecting laser beam 37 at the angle γ. The surface of the deflection mirror 40 is defined as a mirror plane 41. As a deflection plane 42, the plane defined by the optical axis 33 of the incident laser beam 34th and the optical axis 36 of the reflected laser beam 37 is clamped. The coordinate system XYZ is oriented such that the mirror plane 41 represents the XY plane and the deflection plane 42 represents the YZ plane of the coordinate system XYZ. The optical axes 33, 36 of the incident laser beam 34 and the reflected laser beam 37 intersect at the coordinate origin (0, 0, 0).
Der einfallende Laserstrahl 34 weist eine räumliche Ausdehnung auf und besteht aus parallelen Teilstrahlen, die um die optische Achse 33 angeordnet sind. Alle Teilstrahlen treffen unter dem gleichen Winkel γ auf den Umlenkspiegel 40, allerdings weist jeder Teilstrahl unterschiedliche Koordinaten (Xs, Ys, 0) eines Schnittpunkts 43 mit der Spiegelebene 41 auf. Damit die parallelen Teilstrahlen des einfallenden Laserstrahls 34 auf einen gemeinsamen Fokuspunkt 44 mit den Koordinaten (XF, YF, ZF) fokussiert werden, müssen die Teilstrahlen unterschiedlich abgelenkt werden. In Fig. 4a ist der Fokuspunkt 44 in der Umlenkebene 42, welche die YZ-Ebene bildet, angeordnet, d.h. für die Koordinaten des Fokuspunkts 44 gilt (0, YF, ZF). Die Gleichungen, die im Folgenden hergeleitet werden, gelten für den Fall, dass der Fokuspunkt 44 in der Umlenkebene 42 liegt. Soll der Fokuspunkt außerhalb der Umlenkebene 42 liegen, muss bei den Berechnungen zusätzlich die X-Koordinate XF des Fokuspunkts 44 berücksichtigt werden.The incident laser beam 34 has a spatial extent and consists of parallel partial beams which are arranged about the optical axis 33. All partial beams strike the deflection mirror 40 at the same angle γ, but each partial beam has different coordinates (X s , Ys, 0) of an intersection point 43 with the mirror plane 41. So that the parallel partial beams of the incident laser beam 34 are focused on a common focal point 44 with the coordinates (XF, YF, ZF), the partial beams must be deflected differently. In FIG. 4a, the focal point 44 is arranged in the deflection plane 42, which forms the YZ plane, ie for the coordinates of the focus point 44 (0, Y F , Z F ). The equations which are derived below apply to the case where the focal point 44 lies in the deflection plane 42. If the focal point is outside the deflection plane 42, the X coordinate XF of the focal point 44 must additionally be taken into account in the calculations.
Die Richtung eines jeweiligen abgelenkten Teilstrahls 45 ist durch eine Gerade zwischen den Koordinaten (Xs, Ys, 0) des jeweiligen Schnittpunkts 43 mit der Spiegelebene 41 und den Koordinaten (0, YF, ZF) des gemeinsamen Fokuspunkts 44 festgelegt. Ausgehend vom Schnittpunkt 43 kann die Richtung des abgelenkten Teilstrahls 45 durch zwei Winkel ω und τ beschrieben werden, wobei der erste Winkel ω als der Winkel zwischen dem abgelenkten Teilstrahl 45 und einer Parallelen zur Y- Achse und der zweite Winkel τ als der Winkel zwischen dem abgelenkten Teilstrahl 45 und einer Parallelen zur X-Achse definiert ist. Für die Winkel ω und τ ergeben sich folgende Gleichungen in Abhängigkeit von den Koordinaten (Xs, Ys, 0) des Schnittpunkts 43 und den Koordinaten (0, YF, ZF) des Fokuspunkts 44:The direction of a respective deflected sub-beam 45 is defined by a straight line between the coordinates (X s , Ys, 0) of the respective intersection point 43 with the mirror plane 41 and the coordinates (0, YF, ZF) of the common focus point 44. Starting from the intersection 43, the direction of the deflected sub-beam 45 can be described by two angles ω and τ, where the first angle ω is the angle between the deflected sub-beam 45 and a parallel to the Y-axis and the second angle τ is the angle between the deflected partial beam 45 and a parallel to the X-axis is defined. For the angles ω and τ, the following equations result as a function of the coordinates (Xs, Ys, 0) of the intersection point 43 and the coordinates (0, YF, ZF) of the focal point 44:
cos (180° - ω) = - cos (ω) = |YF - Ys| / V [Xs2 + (YF - Ys)2 + ZF 2]cos (180 ° - ω) = - cos (ω) = | Y F - Y s | / V [Xs 2 + (YF - Ys) 2 + Z F 2 ]
cos (180° - τ) = - cos (τ) = Xs / V [Xs2 + (YF - Ys)2 + ZF 2]. Fig. 4b zeigt den Umlenkspiegel 40 gemäß Fig. 4a, bei dem drei verschiedene Schnittpunkte 43a-c von parallelen Teilstrahlen des einfallenden Laserstrahls 34 mit der Spiegelebene 41 eingezeichnet sind. Der untere Schnittpunkt 43a weist die Koordinaten (0, 0, 0) auf, der mittlere Schnittpunkt 43b die Koordinaten (Xs-ι, Ysi, 0) und der obere Schnittpunkt 43c die Koordinaten (Xs2, Ys2, 0). Damit der gebeugte Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39 auf den Fokuspunkt 44 fokussiert wird, müssen die verschiedenen Teilstrahlen 45a -c in unterschiedliche Richtungen abgelenkt werden. Die Richtungen der Teilstrahlen 45a-c, die von den Schnittpunkten 43a-c ausgehen und sich im Fokuspunkt 44 schneiden, sind durch unterschiedliche Winkel ω und τ gemäß den obigen Gleichungen definiert.cos (180 ° - τ) = - cos (τ) = X s / V [Xs 2 + (YF - Ys) 2 + Z F 2]. 4b shows the deflection mirror 40 according to FIG. 4a, in which three different intersection points 43a-c of parallel partial beams of the incident laser beam 34 with the mirror plane 41 are drawn. The lower intersection 43a has the coordinates (0, 0, 0), the middle intersection 43b the coordinates (X s -ι, Ysi, 0) and the upper intersection 43c the coordinates (Xs 2 , Ys2, 0). In order for the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 to be focused on the focal point 44, the different partial beams 45a-c must be deflected in different directions. The directions of the partial beams 45a-c emanating from the intersections 43a-c and intersecting at the focal point 44 are defined by different angles ω and τ according to the above equations.
Ein Gitterspiegel gemäß Fig. 3 mit linearen Gitterlinien und konstanter Gitterperiode zerlegt einen einfallenden Laserstrahl 34 in mehrere Beugungsordnungen, die in unterschiedliche Richtungen gebeugt werden. Allerdings kann ein solcher Gitterspiegel einen gebeugten Laserstrahl einer höheren Beugungsordnung, bspw. den gebeugten Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39, nicht auf einen Fokuspunkt fokussieren.A grating mirror according to FIG. 3 with linear grating lines and constant grating period splits an incident laser beam 34 into a plurality of diffraction orders, which are diffracted in different directions. However, such a grating mirror can not focus a diffracted laser beam of a higher diffraction order, for example the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39, onto a focal point.
Ein Gitterspiegel mit linearen Gitterlinien und variabler Gitterperiode erzeugt eine Fokuslinie, die senkrecht zur Umlenkebene 42 verläuft. Ein Gitterspiegel mit gekrümmten Gitterlinien, bspw. kreisförmigen Gitterlinien, und konstanter Gitterperiode fokussiert einen Laserstrahl linienförmig in einer Ebene parallel zur Umlenkebene 42. Eine Fokussierung des Laserstrahls auf einen Fokuspunkt 44 ergibt sich durch Kombination dieser beiden Gittertypen, also durch gekrümmte Gitterlinien mit variabler Gitterperiode. Aufgabe ist es nun, den Umlenkspiegel 40 von Fign. 4a,b derart mit gekrümmten Gitterlinien zu versehen, dass der gebeugte Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39 auf den Fokuspunkt 44 fokussiert wird.A grating mirror with linear grating lines and variable grating period produces a focus line which is perpendicular to the deflection plane 42. A grating mirror with curved grating lines, for example circular grating lines, and a constant grating period focuses a laser beam linearly in a plane parallel to the deflecting plane 42. Focusing the laser beam on a focal point 44 results from a combination of these two grating types, ie by curved grating lines with a variable grating period. The task is now, the deflection mirror 40 of Fign. 4a, b to be provided with curved grid lines such that the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 is focused on the focal point 44.
Ein Gitter ist lokal, d.h. an einem Punkt, durch einen Winkel α der Gitterlinien und die Gitterperiode P festgelegt. Dabei ist der Winkel α definiert als der Winkel zwischen der Tangente an die jeweiligen Gitterlinie und einer Parallelen zur Y-Achse. Gesucht sind Winkel α und Gitterperioden P, die die Teilstrahlen 45a-c ausgehend von den Schnittpunkten 43a-c auf den Fokuspunkt 44 ablenken. Damit ergeben sich die folgenden Bestimmungsgleichungen für den Winkel α und die Gitterperiode P:A grid is local, ie at one point, defined by an angle α of the grid lines and the grating period P. The angle α is defined as the angle between the tangent to the respective grid line and a parallel to the Y-axis. Wanted are angles α and grating periods P, which are the partial beams 45a-c, starting from the Distract intersections 43a-c to the focus point 44. This yields the following equation of determination for the angle α and the grating period P:
cos (ω) = cos (γ) - m λ sin (α) / P cos (τ) = m λ cos (α) / Pcos (ω) = cos (γ) - m λ sin (α) / P cos (τ) = m λ cos (α) / P
Für die drei Schnittpunkte 43a-c sind in Fig. 4b lokale Gitterlinien eingezeichnet, die als lineare Gitterlinien mit konstanter Gitterperiode P dargestellt sind. Diese Näherung (lineare Gitterlinien, konstante Gitterperiode) gilt für einen kleinen Bereich um die Schnittpunkte 43a-c. In der Praxis können diese lokal linearen Gitterbereiche zu einer zu starken Rasterung führen und die Fokussierung auf den Fokuspunkt kann zu grob sein. Um die Auflösung des Gitterspiegels zu erhöhen, ist die Aufgabe nun, eine Kurvenschar von geschlossenen Gitterlinien zu finden, welche die gezeigten lokalen Winkel α und Gitterperioden P an den Schnittpunkten 43a-c erzeugt. Ein Gitterspiegel mit geschlossenen Gitterlinien lässt sich zudem bei einer Herstellung des Gitterspiegels mittels Lithographie oder Diamantdrehen einfacher herstellen als Gitterspiegel mit lokal linearen Gitterbereichen.For the three intersections 43a-c, local grid lines are shown in FIG. 4b, which are shown as linear grid lines with a constant grid period P. This approximation (linear grid lines, constant grid period) applies to a small area around the intersections 43a-c. In practice, these locally linear grating areas may result in too much rasterization and the focus on the focal point may be too coarse. In order to increase the resolution of the grating mirror, the object now is to find a family of curves of closed grating lines, which generates the local angles α and grating periods P shown at the intersections 43a-c. In addition, a grating mirror with closed grating lines can be produced more easily when manufacturing the grating mirror by means of lithography or diamond turning than grating mirrors with locally linear grating regions.
Fig. 4c zeigt den Umlenkspiegel 40 gemäß Fign. 4a, b mit geschlossenen Gitterlinien 46. Die Gitterlinien 46 werden mathematisch als Kurvenschar fj(x) dargestellt, wobei der Index i als ganzzahliger Wert die einzelnen Funktionen der Kurvenschar angibt. Für die Kurvenschar fj(x) gilt die Bedingung f, (x) = tan (90°-α). Durch Auflösung der obigen Gleichungen cos (ω) = ... und cos (τ) = ... nach dem Winkel α und der Gitterperiode P ergibt sich nachfolgendes Gleichungssystem für f-,(x) in Abhängigkeit von den Winkeln γ, ω und τ:4c shows the deflection mirror 40 according to FIGS. 4a, b with closed grid lines 46. The grid lines 46 are represented mathematically as a family of curves fj (x), the index i indicating the individual functions of the family of curves as an integer value. For the family of curves fj (x) the condition f, (x) = tan (90 ° -α) holds. By solving the above equations cos (ω) = ... and cos (τ) = ... according to the angle α and the grating period P, we obtain the following system of equations for f -, (x) as a function of the angles γ, ω and τ:
f, (x) = tan (90°-α) sin (α) = V [1 - P2 cos (τ)2 / (m2 λ2)]f, (x) = tan (90 ° -α) sin (α) = V [1-P 2 cos (τ) 2 / (m 2 λ 2 )]
P = - m λ / V [cos (τ)2 + (cos (ω) - cos (γ))2]P = - m λ / V [cos (τ) 2 + (cos (ω) - cos (γ)) 2 ]
Dieses Gleichungssystem lässt sich im Allgemeinen analytisch nicht exakt lösen, sondern muss mit Hilfe numerischer Rechenmethoden gelöst werden. Dazu werden die Lösungen des Gleichungssystems um den Punkt x = 0 entwickelt. Als Lösung für die Gitterlinien 46 können konzentrische, kreisförmige Gitterlinien approximiert werden. Allerdings zeigt sich, dass die Abweichungen mit zunehmendem Abstand vom Punkt x=0 anwachsen. Sind die Abweichungen bei konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien zu groß, kann bspw. der Ansatz fj(x) = y-, + Ax2 + Bx4 gewählt werden, wobei die Parameter
Figure imgf000016_0001
und
Figure imgf000016_0002
jeweils vom Parameter V1, der den Schnittpunkt von fj(x=O) mit der Y-Achse darstellt, abhängen. Es versteht sich, dass der gewählte Ansatz für die Kurvenschar f,(x) von verschiedenen Parametern, wie bspw. der Apertur des Gitterspiegels, abhängt. Bei Bedarf, d.h. wenn die auftretenden Abweichungen für einen gewählten Ansatz zu groß sind, wird ein anderer Ansatz gewählt. Es handelt sich um einen iterativen Prozess, bei dem der Ansatz für die Kurvenschar fj(x) variiert und die auftretenden Abweichungen berechnet werden, bis eine Kurvenschar mit akzeptablen Abweichungen ermittelt wurde.
This system of equations can generally not be solved analytically, but must be solved by numerical calculation methods. For this, the solutions of the system of equations are developed around the point x = 0. As a solution to the grid lines 46 concentric circular grid lines can be approximated become. However, it turns out that the deviations increase with increasing distance from the point x = 0. If the deviations are too large for concentric circular grid lines, for example, the approach fj (x) = y-, + Ax 2 + Bx 4 can be selected, the parameters
Figure imgf000016_0001
and
Figure imgf000016_0002
depend on the parameter V 1 , which represents the intersection of fj (x = 0) with the y-axis. It is understood that the chosen approach for the set of curves f, (x) depends on various parameters, such as the aperture of the grating mirror. If necessary, ie if the deviations occurring are too large for a chosen approach, a different approach is chosen. It is an iterative process in which the approach to the family of curves fj (x) varies and the occurring deviations are calculated until a set of curves with acceptable deviations has been determined.
Fig. 5 zeigt einen Gitterspiegel 50, der als Umlenkspiegel mit kreisförmigen Gitterlinien 51 ausgebildet ist, die konzentrisch um einen gemeinsamen Mittelpunkt 52 angeordnet sind. Der Mittelpunkt 52 der konzentrischen Gitterlinien 51 weist die Koordinaten (0, Yc, 0) auf, wobei die Y-Koordinate Yc gegeben ist durch:FIG. 5 shows a grating mirror 50, which is designed as a deflection mirror with circular grating lines 51, which are arranged concentrically around a common center 52. The center 52 of the concentric grid lines 51 has the coordinates (0, Yc, 0), where the Y coordinate Yc is given by:
Yc = m λ f / P0,Yc = m λ f / P 0,
wobei P0 = P(X=O, Y=O, 0) die Gitterperiode im Koordinatenursprung und f =V [YF2 + ZF2] den Abstand zwischen dem Koordinatenursprung (0, 0, 0) und dem Fokuspunkt 44 mit den Koordinaten (0, YF, ZF) angeben.where P 0 = P (X = O, Y = 0, 0) the grating period at the origin of coordinates and f = V [YF 2 + ZF 2 ] the distance between the origin of coordinates (0, 0, 0) and the focus point 44 with the coordinates (0, YF, ZF).
Für die Gitterperiode P der konzentrischen, kreisförmigen Gitterlinien 51 gilt aufgrund der Beugungsgleichung für die minus erste Beugungsordnung (m = -1) der Zusammenhang:For the grating period P of the concentric circular grating lines 51, the following applies due to the diffraction equation for the minus first diffraction order (m = -1):
P = -λ / [sin (ß.-i) - cos (γ)],P = -λ / [sin (β.i) -cos (γ)],
mit ß.-i = arctan [tan (δ0) - Yi / (f cos (δ0))] und δ0 = arctan(-YF / ZF).with ß.-i = arctan [tan (δ 0 ) - Yi / (f cos (δ 0 ))] and δ 0 = arctan (-Y F / Z F ).
δ0 ist hierbei definiert als der Winkel zwischen der Z-Achse und einer Geraden 53, die durch den Koordinatenursorung (0, 0, 0) und den Fokuspunkt 44 verläuft. Y1 ist definiert als Schnittpunkt der i-ten Gitterlinie mit der Y-Achse, d.h. als Abstand der i- ten Gitterlinie vom Koordinatenursprung an der Position x = 0.δ 0 is hereby defined as the angle between the Z-axis and a straight line 53 that passes through the coordinate orientation (0, 0, 0) and the focal point 44. Y is 1 defined as the intersection of the i-th grid line with the y-axis, ie as the distance of the ith grid line from the coordinate origin at the position x = 0.
An der Oberfläche des Gitterspiegels 50 können bspw. durch off-axis-Diamantdrehen die Gitterlinien 51 erzeugt werden, so dass der Gitterspiegel 50 die gewünschte fokussierende Wirkung erzeugt. Ein solcher Gitterspiegel 50 mit Gitterlinien 51 kann in Überwachungsvorrichtungen zur Online-Überwachung eines Laserstrahls eingesetzt werden, von denen beispielhaft eine Ausführungsform in Fig. 6 dargestellt ist.For example, by off-axis diamond turning, the grid lines 51 can be generated on the surface of the grid mirror 50 so that the grid mirror 50 produces the desired focusing effect. Such a grating mirror 50 with grating lines 51 can be used in monitoring devices for the on-line monitoring of a laser beam, of which an embodiment in FIG. 6 is shown by way of example.
Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Überwachungsvorrichtung 60 zur Online- Überwachung eines Laserstrahls mit einem hochreflektierenden Umlenkspiegel 61, der mit Gitterlinien 62 versehen ist und im Folgenden als Gitterspiegel 61 bezeichnet wird. Der Gitterspiegel 61 kann sowohl im Laserresonator 1 von Fig. 1 zur Überwachung des resonatorintemen Laserstrahls 4 als auch in der externen Strahlführung 20 von Fig. 2 zur Überwachung des ausgekoppelten Laserstrahls 15 angeordnet sein und ersetzt einen der Umlenkspiegel 5 bis 12 oder 25a, 25b. Der einfallende Laserstrahl 34 fällt unter einem Einfallswinkel Θ relativ zur Flächennormale 63 des Gitterspiegels 61 bzw. unter einem Winkel γ relativ zur Spiegelebene 41 auf den Gitterspiegel 61 , an dem der Laserstrahl 34 in mehrere Beugungsordnungen m zerlegt wird, die in unterschiedliche Richtungen ßm gebeugt werden.6 shows a monitoring device 60 according to the invention for the online monitoring of a laser beam with a highly reflecting deflecting mirror 61, which is provided with grid lines 62 and is referred to below as grid mirror 61. The grating mirror 61 can be arranged both in the laser resonator 1 of FIG. 1 for monitoring the intracavity laser beam 4 and in the external beam guide 20 of FIG. 2 for monitoring the decoupled laser beam 15 and replaces one of the deflecting mirrors 5 to 12 or 25a, 25b. The incident laser beam 34 falls at an angle of incidence Θ relative to the surface normal 63 of the grating mirror 61 or at an angle γ relative to the mirror plane 41 on the grating mirror 61, at which the laser beam 34 is decomposed into a plurality of diffraction orders m diffracted in different directions ß m become.
In Fig. 6 treten der in die nullte Beugungsordnung reflektierte Laserstrahl 37 als Bearbeitungslaserstrahl und der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl 39 als Messstrahl zur Online-Überwachung des Laserstrahls auf. Die optische Achse 36 des in die nullte Beugungsordnung reflektierten Laserstrahls 37 weist bezüglich der Flächennormalen 63 des Gitterspiegels 61 einen Beugungs- oder Ausfallswinkel ß0 auf, der dem Einfallswinkel Θ zwischen der optischen Achse 33 des einfallenden Laserstrahls 34 und der Flächennormalen 63 entspricht. Der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl wird unter einem Beugungswinkel ß.i reflektiert, der vom Ausfallswinkel Θ des reflektierten Laserstrahls 37 verschieden ist. Der Beugungswinkel ß-i wird ebenfalls zwischen der optischen Achse 38 des gebeugten Laserstrahls der minus ersten Beugungsordnung 39 und der Flächennormalen 63 des Gitterspiegels 61 gemessen. Zur Überwachung des Laserstrahls wird der gebeugte Laserstrahl 39 auf einen Fokuspunkt 64 fokussiert. Im Bereich des Fokuspunktes 64, d.h. in einem Abstand von weniger als 20% der Distanz zwischen Fokuspunkt 64 und dem Schnittpunkt 65 der optischen Achsen 33, 36 des einfallenden Laserstrahls 34 und des reflektierten Laserstrahls 37 ist eine Detektoreinheit 66 angeordnet, auf die der fokussierte Laserstrahl der minus ersten Beugungsordnung 39 abgebildet wird. Der Abstand zwischen dem Schnittpunkt 65 der optischen Achsen 33, 36 und dem Fokuspunkt 64 definiert die Brennweite f des Gitterspiegels 61. In einer Auswerteeinheit 67 erfolgt die Analyse des detektierten fokussierten Laserstrahls 39. Abhängig von der Ausgestaltung der Detektoreinheit 66 z.B. als Leistungsmesser, als Quadrantendetektor oder als ortsauflösender Detektor können die Laserleistung, Pointing und/oder die Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls 34 überwacht werden.In Fig. 6, the laser beam 37 reflected in the zeroth diffraction order as the processing laser beam and the laser beam 39 diffracted in the minus first diffraction order appear as a measuring beam for on-line monitoring of the laser beam. With respect to the surface normal 63 of the grating mirror 61, the optical axis 36 of the laser beam 37 reflected in the zeroth diffraction order has a diffraction angle β 0 which corresponds to the angle of incidence Θ between the optical axis 33 of the incident laser beam 34 and the surface normal 63. The diffracted in the minus first diffraction order laser beam is reflected at a diffraction angle ß.i, which is different from the angle of reflection Θ of the reflected laser beam 37. The diffraction angle β-i is also measured between the optical axis 38 of the diffracted laser beam of the minus first diffraction order 39 and the surface normal 63 of the grating mirror 61. For monitoring the laser beam, the diffracted laser beam 39 is focused onto a focal point 64. In the region of the focal point 64, ie at a distance of less than 20% of the distance between the focal point 64 and the intersection 65 of the optical axes 33, 36 of the incident laser beam 34 and the reflected laser beam 37, a detector unit 66 is arranged, on which the focused laser beam the minus first diffraction order 39 is displayed. The distance between the intersection point 65 of the optical axes 33, 36 and the focal point 64 defines the focal length f of the grating mirror 61. In an evaluation unit 67, the detected focused laser beam 39 is analyzed. Depending on the design of the detector unit 66, for example as a power meter, as a quadrant detector or as a spatially resolving detector, the laser power, pointing and / or the power density distribution of the laser beam 34 can be monitored.
Um Beugungsverluste des Laserstrahls 34 zu begrenzen, sind die Gitterspiegel 40, 50, 61 gemäß Fign. 4a-c, 5, 6 so ausgelegt, dass neben dem reflektierten Laserstrahl der nullten Beugungsordnung 37, der den Bearbeitungslaserstrahl darstellt, nur eine weitere Beugungsordnung auftritt, was durch geeignete Wahl der Parameter in der Beugungsgleichung (Einfallswinkel, Gitterperiode, Wellenlänge des Laserstrahls) erreicht wird. Laserleistung, die in weiteren höheren Beugungsordnungen auftritt, steht dem Bearbeitungslaserstrahl nicht zur Verfügung. Vielmehr können höhere Beugungsordnungen zu einer unerwünschten Erwärmung der Spiegelhalterung und umgebender Komponenten führen. Die Gitterspiegel 40, 50, 61 werden daher so ausgelegt, dass nur der Teil, der für eine Online-Überwachung aus dem Laserstrahl 34 ausgekoppelt werden muss, in einer höheren Beugungsordnung auftritt.In order to limit diffraction losses of the laser beam 34, the grating mirrors 40, 50, 61 according to FIGS. 4a-c, 5, 6 designed so that next to the reflected laser beam of zeroth diffraction order 37, which represents the processing laser beam, only a further diffraction order occurs, which by suitable choice of parameters in the diffraction equation (angle of incidence, grating period, wavelength of the laser beam) becomes. Laser power, which occurs in further higher diffraction orders, is the processing laser beam is not available. Rather, higher diffraction orders can lead to unwanted heating of the mirror mount and surrounding components. The grating mirrors 40, 50, 61 are therefore designed so that only the part which has to be decoupled from the laser beam 34 for on-line monitoring occurs in a higher diffraction order.
Zusammenfassend gesagt erlaubt die Fokussierung des in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls 39 auf einen Fokuspunkt eine kompakte Realisierung einer Überwachungsvorrichtung zur Online-Überwachung, deren Einsatzbereich selbstverständlich nicht auf die in Fig. 6 beschriebene Überwachungsvorrichtung beschränkt ist. Es versteht sich, dass die in Fig. 6 gezeigte Überwachungs- vorrichtung 60 mit Einheiten zur Ansteuerung des Laserresonators 1 bzw. der Strahlführung 20 verbunden sein kann, um die Laserleistung des Laserstrahls 34 bzw. deren Verteilung auf einen Sollwert zu regeln. In summary, focusing the laser beam 39 diffracted into a higher diffraction order onto a focal point allows a compact realization of a monitoring device for online monitoring, the scope of use of which is of course not limited to the monitoring device described in FIG. It is understood that the monitoring device 60 shown in FIG. 6 can be connected to units for driving the laser resonator 1 or the beam guide 20 in order to regulate the laser power of the laser beam 34 or its distribution to a desired value.

Claims

Patentansprüche claims
1. Gitterspiegel (40, 50, 61) zur Online-Überwachung eines Laserstrahls (34), dadurch gekennzeichnet, dass der Gitterspiegel (40, 50, 61) eine lokale Gitterperiode (P) und einen lokalen Winkel (α) der Gitterlinien (46, 51 , 62) aufweist, die jeweils derart gewählt sind, dass der Gitterspiegel (40, 50, 61) einen in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahl (39) auf mindestens einen Fokuspunkt (44, 64) fokussiert.A grating mirror (40, 50, 61) for on-line monitoring of a laser beam (34), characterized in that the grating mirror (40, 50, 61) has a local grating period (P) and a local angle (α) of the grating lines (46 , 51, 62) which are each selected such that the grating mirror (40, 50, 61) focuses a laser beam (39) diffracted into a higher diffraction order onto at least one focal point (44, 64).
2. Gitterspiegel nach Anspruch 1 , bei dem die Wellenlänge (λ) und der Einfallswinkel (Θ) des Laserstrahls (34) sowie die lokale Gitterperiode (P) des Gitterspiegels (40, 50, 61) derart gewählt sind, dass neben dem reflektierten Laserstrahl der nullten Beugungsordnung (37) nur ein in eine höhere Beugungsordnung gebeugter Laserstrahl, insbesondere der in die minus erste Beugungsordnung (m=-1) gebeugte Laserstrahl (39), auftritt.2. grating mirror according to claim 1, wherein the wavelength (λ) and the angle of incidence (Θ) of the laser beam (34) and the local grating period (P) of the grating mirror (40, 50, 61) are selected such that in addition to the reflected laser beam the zero order of diffraction (37) only a laser beam diffracted into a higher diffraction order, in particular of the laser beam (39) diffracted in the minus first diffraction order (m = -1) occurs.
3. Gitterspiegel nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die lokale Gitterperiode (P) und der lokale Winkel (α) der Gitterlinien (46, 51 , 62) jeweils derart gewählt sind, dass der in die minus erste Beugungsordnung gebeugte Laserstrahl (39) auf den mindestens einen Fokuspunkt (44, 64) fokussiert wird.3. grating mirror according to claim 1 or 2, wherein the local grating period (P) and the local angle (α) of the grid lines (46, 51, 62) are each selected such that the diffracted into the minus first diffraction order laser beam (39) is focused on the at least one focal point (44, 64).
4. Gitterspiegel nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Gitterlinien (51) als konzentrische Kreise um einen Mittelpunkt (52) angeordnet sind.4. Grid mirror according to one of the preceding claims, wherein the grid lines (51) are arranged as concentric circles about a center (52).
5. Gitterspiegel nach Anspruch 4, bei dem der Mittelpunkt (52) der konzentrisch angeordneten Gitterlinien (51) in einem Abstand zum Schnittpunkt (65) der optischen Achse (38) des in eine höhere Beugungsordnung gebeugten Laserstrahls (39) mit dem Gitterspiegel (50) angeordnet ist. 5. grating mirror according to claim 4, wherein the center (52) of the concentrically arranged grid lines (51) at a distance from the intersection (65) of the optical axis (38) of the diffracted into a higher diffraction order laser beam (39) with the grating mirror (50 ) is arranged.
6. Gitterspiegel nach Anspruch 5, bei dem der Abstand zwischen dem Mittelpunkt (52) der konzentrisch angeordneten Gitterlinien (51) und dem Schnittpunkt (65) höchstens um ±10 % von einem Abstand (Yc) abweicht, der gegeben ist durch: Yc = m λ f / Po , wobei P0 die Gitterperiode am Schnittpunkt (65), f den Abstand zwischen dem Schnittpunkt (65) und dem Fokuspunkt (44), λ die Wellenlänge des Laserstrahls (39) und m die Beugungsordnung des Laserstrahls (39) bezeichnen.A grating mirror according to claim 5, wherein the distance between the center (52) of the concentrically arranged grating lines (51) and the intersection (65) deviates by at most ± 10% from a distance (Yc) given by: Y c = m λ f / Po, where P 0 is the grating period at the intersection (65), f is the distance between the intersection (65) and the focal point (44), λ is the wavelength of the laser beam (39) and m is the diffraction order of the laser beam (39 ) describe.
7. Gitterspiegel nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem die Gitterlinien (46) entlang einer Kurvenschar fj(x) = yi + A(Vj) x2 + B(yι) x4 verlaufen.7. grating mirror according to one of claims 1 to 3, wherein the grid lines (46) along a family of curves fj (x) = yi + A (Vj) x 2 + B (yι) x 4 run.
8. Überwachungsvorrichtung (60) zur Online-Überwachung eines Laserstrahls (34), umfassend: einen Gitterspiegel (40, 50, 61) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, eine Detektoreinheit (66) zur Detektion des in die höhere Beugungsordnung gebeugten, auf den mindestens einen Fokuspunkt (44, 64) fokussierten Laserstrahls (39), sowie eine Auswerteeinheit (67) zur Auswertung des detektierten, fokussierten Laserstrahls (39).8. A monitoring device (60) for online monitoring of a laser beam (34), comprising: a grating mirror (40, 50, 61) according to any one of the preceding claims, a detector unit (66) for detecting the diffracted in the higher diffraction order, the at least a focal point (44, 64) focused laser beam (39), and an evaluation unit (67) for evaluating the detected, focused laser beam (39).
9. Überwachungsvorrichtung nach Anspruch 8, bei der die Detektoreinheit (66) in einem Abstand von weniger als 20 % der Brennweite (f) des Gitterspiegels (40, 50, 61) vom Fokuspunkt (44, 64) angeordnet ist.9. Monitoring device according to claim 8, wherein the detector unit (66) at a distance of less than 20% of the focal length (f) of the grating mirror (40, 50, 61) from the focal point (44, 64) is arranged.
10. Überwachungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, bei der die Detektoreinheit (66) als ortsauflösender Detektor, als Quadrantendetektor oder als Leistungsdetektor ausgebildet ist.10. Monitoring device according to one of claims 8 or 9, wherein the detector unit (66) is designed as a spatially resolving detector, as a quadrant detector or as a power detector.
11. Laserresonator (1) mit einer Überwachungsvorrichtung (60) nach einem der Ansprüche 8 bis 10.11. Laser resonator (1) with a monitoring device (60) according to one of claims 8 to 10.
12. Strahlführung (20) zur Zuführung eines Laserstrahls (15) von einem Laserresonator (1 ) zu einem Bearbeitungskopf (21) mit einer Überwachungsvorrichtung (60) nach einem der Ansprüche 8 bis 10. 12. beam guide (20) for supplying a laser beam (15) from a laser resonator (1) to a machining head (21) with a monitoring device (60) according to any one of claims 8 to 10.
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