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Die
Erfindung betrifft ein Messmodul zur Messung der Gesamtleistung
eines Arbeitslaserstrahls und einen Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung
eines Werkstücks
mittels eines Laserstrahls, der ein solches Messmodul umfasst.
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Mit
Hilfe eines Laserbearbeitungskopfes lässt sich ein Werkstück unter
Verwendung eines Laserstrahls bearbeiten, wobei zum Beispiel Schweiß- oder
Schneidarbeiten durchgeführt
werden können. Hierbei
ist es für
eine gezielte Steuerung des Bearbeitungsprozesses oder zum Erkennen
von auftretenden Defekten im Strahlführungssystem notwendig, die
Leistung der Laserstrahlung, die auf das Werkstück gelenkt wird, so nah wie
möglich
am Werkstück,
also in der Regel im Bearbeitungskopf zu messen, da durch eine im
Strahlführungssystem
vom Werkstück
weiter weg durchgeführte
Messung der Laserstrahlleistung Leistungsverluste, die im weiteren
Verlauf des Strahlführungssystems
auftreten, nicht erkannt werden können.
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Eine
Messung der Laserstrahlleistung im Laserbearbeitungskopf ist beispielsweise
aus der
DE 101 13
518 A1 oder der
DE
101 44 628 A1 bekannt. Bei den hier beschriebenen Laserbearbeitungsköpfen ist
ein teildurchlässiger
Umlenkspiegel in den Strahlengang vor einer Fokussierlinse eingesetzt,
die den Arbeitslaserstrahl auf das Werkstück fokussiert, um einen ausgekoppelten
Teil des Arbeitslaserstrahls auf eine Sensorfläche eines Laserstrahlleistungssensors
zu lenken. Hierbei wird jedoch nur die Laserstrahlleistung eines
inneren Querschnittsbereichs des Arbeitslaserstrahls von der Sensorfläche erfasst.
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Im
Falle der für
die Laserbearbeitung üblicherweise
eingesetzten Laser, insbesondere Faserlaser, ist jedoch die Leistungsverteilung über den Strahlquerschnitt
nicht, wie im idealen Fall, gaußförmig, sondern
besitzt aufgrund einer Mischung einer Vielzahl von angeregten Lasermoden
eine unregelmäßige Leistungsverteilung über den
Strahlquerschnitt. Ferner ist die Verteilung der Laserleistung über den
Strahlquerschnitt stark abhängig
von der Gesamtlaserleistung, wodurch die Messung lediglich eines
ausgekoppelten Ausschnitts des Arbeitslaserstrahls die Bestimmung
der Gesamtleistung des Arbeitslaserstrahls, die schließlich auf
das Werkstück trifft,
verfälscht.
Somit ist es für
die Messung der Gesamtlaserstrahlleistung des Arbeitslaserstrahls
notwendig, eine Sensorvorrichtung vorzusehen, die eine über den
gesamten Strahlquer schnitt des Arbeitslaserstrahls ausgekoppelte
Laserstrahlung erfasst und die in dem Laserstrahl enthaltende Leistung
integriert.
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Die
DE 10 2005 024 085
A1 beschreibt eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs
und einen Laserbearbeitungskopf. Hierbei weist ein Laserbearbeitungskopf
einen im Arbeitslaserstrahlengang angeordneten Teilerspiegel auf,
um Strahlung aus einem zu beobachtenden Bereich im Bereich der Wechselwirkungszone
zwischen Laserstrahl und Werkstück
auszukoppeln und in Richtung der Empfängeranordnung zu lenken. Die ausgekoppelte
Strahlung aus dem Wechselwirkungsbereich wird mittels eines teildurchlässigen Spiegels
auf einen strahlungsempfindlichen Empfänger gelenkt, wobei zwischen
dem teildurchlässigen Spiegel
und dem strahlungsempfindlichen Empfänger eine entsprechende Fokussieroptik
und wahlweise ein Filter vorgesehen ist, so dass die spektrale Charakteristik
durch die spektralen Transmissionseigenschaften des Filters und
die spektrale Empfindlichkeit des strahlungsempfindlichen Empfängers festgelegt
werden.
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Die
US 6,724,472 B2 beschreibt
eine Lichtüberwachungsvorrichtung.
Hierbei ist ein Strahlteiler so in einem Strahlengang eines Laserstrahls
angeordnet, dass ein Teil des Laserstrahls ausgekoppelt und auf
einen konkaven Spiegel reflektiert wird. Der konkave Spiegel bündelt das
Licht des ausgekoppelten Laserstrahls auf eine Eingangsöffnung einer
mit einer kugelförmigen
Ausnehmung gebildeten Strahlfalle, wobei die Intensität des in
der kugelförmigen Ausnehmung
abgeschwächten
und ausgeglichenen Lichts mittels eines Lichtsensors gemessen wird.
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Die
DE 40 24 929 A1 beschreibt
eine Ulbrichtkugel. Hierbei wird ein Laserstrahl eines Lasers von
einem Schwenkspiegel auf eine bestimmte Stelle eines Eintrittsfensters
einer Ulbrichtkugel gelenkt, wobei die Ulbrichtkugel ein im Wesentlichen
einstückiger,
durch Spritzgießen
hergestellter Acrylkörper mit
einer Optik, einem Blendenteil und einem Kugelkörper ist. Auf der Außenfläche des
Kugelkörpers
befindet sich eine weiße
Beschichtung. Die Optik erstreckt sich von einem Bereich des Lichteintrittsfensters
zu dem Blendenteil, der als Einschnürung des Acrylglaskörpers ausgebildet
ist. Direkt dem in die Eintrittsöffnung
mündenden
Blendenteil nachgeordnet ist an dem Kugelkörper ein Auskoppelkanal ausgebildet,
der von einer schwarzen Beschichtung umgeben ist, die Licht absorbierend
ist. An der Stirnseite des Auskoppelkanals ist eine Aussparung angebracht,
in welcher ein Detektor befestigt ist, der die Intensität des durch
die Beschichtung diffus gestreuten Lichts misst.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Messmodul zur Messung
der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls sowie einen dieses
Modul umfassenden Laserbearbeitungskopf zu schaffen, die eine genaue
Messung einer Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls mit einer
hohen zeitlichen Auflösung
und in einem weiten Laserstrahlleistungsbereich ermöglichen.
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Diese
Aufgabe wird durch das Messmodul nach Anspruch 1 und durch einen
Laserbearbeitungskopf nach Anspruch 13 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen
und Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen dargelegt.
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Erfindungsgemäß ist ein
Messmodul zur Messung der Gesamtleistung eines Arbeitslaserstrahls
in einem Laserbearbeitungskopf vorgesehen, das eine Strahleintrittsöffnung mit
einem Durchmesser, der im Wesentlichen gleich wie oder größer als der
Strahlquerschnitt eines im Querschnitt vollständig aus dem Arbeitslaserstrahlengang
ausgekoppelten Laserstrahls ist, einen Sensor mit einer Sensorfläche, deren
Abmessung kleiner als der Strahlquerschnitt des ausgekoppelten Laserstrahls
ist, eine Strahlbündelungsvorrichtung
zur Bündelung
des ausgekoppelten Laserstrahls auf die Sensorfläche, und eine Abschwächungseinrichtung
im Strahlengang zwischen Strahleintrittsöffnung und Sensor aufweist,
wobei die Strahlenbündelungsvorrichtung
eine reflektierende Fokussierfläche
umfasst, welche mit einer Beschichtung versehen ist, die das einfallende Licht
des ausgekoppelten Laserstrahls diffus streut.
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Es
ist also ein Messmodul vorgesehen, welches die Leistung eines aus
einem Arbeitslaserstrahl ausgekoppelten Laserstrahls misst, wobei
die Leistung des Arbeitslaserstrahls über seinen gesamten Strahlquerschnitt
gemessen wird. Das erfindungsgemäße Messmodul
weist hierbei eine Strahlbündelungsvorrichtung
auf, durch die der in das Messmodul eingekoppelte Messlaserstrahl
auf eine Sensorfläche eines
Sensors gebündelt
wird. Die Sensorfläche weist
eine geringere Fläche
als eine Querschnittsfläche
des ausgekoppelten Laserstrahls auf, wobei zusätzlich noch eine Abschwächungseinrichtung
im Strahlengang innerhalb des Messmoduls vorgesehen ist, welche
den gebündelten
Messlaserstrahl faltet und dessen Leistung proportional abschwächt.
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Für eine einfache
Ausgestaltung der Strahlbündelungsvorrichtung
ist es zweckmäßig, wenn
die Fokussierfläche
vorteilhafterweise ein Rotationsparaboloid ist, der auch durch eine
sphärische
Fläche approximiert
sein kann.
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Damit
die Messung der Laserleistung mittels einer kleinen Sensorfläche des
Sensors, auf welche der ausgekoppelte Laserstrahl fokussiert wird,
möglichst
unempfindlich gegen eine Variation der Eintrittsrichtung des ausgekoppelten
Laserstrahls in die Eintrittsöffnung
ist, ist es besonders von Vorteil, wenn die Fokussierfläche mit
einer Beschichtung versehen ist, die das einfallende Licht des ausgekoppelten
Laserstrahls diffus streut, wobei hier zweckmäßigerweise die Fokussierfläche als
harteloxierte Fläche
auf einer Aluminiumplatte ausgebildet ist.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Abschwächungseinrichtung eine
Eintrittsplatte, die derart angeordnet ist, dass das von der Strahleintrittsöffnung kommende
Licht die Eintrittsplatte durchdringt, von der Strahlbündelungsvorrichtung
auf eine Rückseite
der Eintrittsplatte gelenkt und von der Rückseite der Eintrittsplatte
in einen Seitenbereich neben der Strahlbündelungsvorrichtung reflektiert
wird, der von dem Sensor beobachtbar ist. Hierbei ist es von Vorteil,
wenn die Abschwächungseinrichtung
ferner eine Umlenkplatte umfasst, die in dem Seitenbereich neben
der Strahlbündelungsvorrichtung
derart angeordnet ist, dass der von der Eintrittsplatte reflektierte
Strahl auf eine Sensorfläche
des Sensors gelenkt und auf diese fokussiert wird.
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Für eine im
Wesentlichen von der Leistungsdichteverteilung über einen Strahlquerschnitt
des Arbeitslaserstrahls unabhängige
proportionale Abschwächung
durch die Abschwächungseinrichtung ist
es besonders zweckmäßig, wenn
die Eintrittsplatte und die Umlenkplatte so aufeinanderfolgend angeordnet
sind, dass die optische Achse des von der Strahlbündelungsvorrichtung
gebündelten
Laserstrahls jeweils um einen Winkel von 45° durch die Eintrittsplatte und
die Umlenkplatte umgelenkt wird, wobei die Eintrittsplatte und die
Umlenkplatte unbeschichtete Glasplatten sind.
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Weiter
ist es zweckmäßig, wenn
die Umlenkplatte an ihrer rückseitigen
Fläche
mit einem absorbierenden Material beschichtet ist. Es ist jedoch
auch vorstellbar, dass die Umlenkplatte in einer Halterung aufgenommen
ist, welche mit einem absorbierenden Material beschichtet ist.
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Um
die durch die Absorption der Laserstrahlung erzeugte Wärme aus
dem Messmodul abzuführen,
ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Kühlvorrichtung an der Umlenkplatte
und/oder der Strahlbündelungsvorrichtung
vorgesehen ist.
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Für die Messung
von schnellen Leistungsänderungen
des Arbeitslaserstrahls ist es besonders zweckmäßig, wenn der Sensor ein optischer
Halbleitersensor wie eine Photodiode ist.
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Erfindungsgemäß ist weiter
ein Laserbearbeitungskopf zur Bearbeitung eines Werkstücks mittels
eines Laserstrahls vorgesehen, mit einem Gehäuse, durch das ein Arbeitslaserstrahl
geführt
wird, einer Fokussieroptik zum Fokussieren des Arbeitslaserstrahls
auf das Werkstück,
einem in Strahlrichtung vor der Fokussieroptik angeordneten teildurchlässigen Umlenkspiegel,
welcher einen Teil des Arbeitslaserstrahls über dessen gesamten Querschnittsbereich
auskoppelt und zu einer seitlichen Gehäuseöffnung lenkt, und welcher ein
erfindungsgemäßes Messmodul
aufweist, das an dem Gehäuse
montiert ist und dessen Strahleintrittsöffnung der seitlichen Gehäuseöffnung des
Gehäuses
gegenüberliegt.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung
näher erläutert. Es
zeigen:
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1 eine
stark vereinfachte schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Laserbearbeitungskopfes,
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2 eine
schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Messmoduls, und
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3 eine
nicht maßstabsgetreue
schematische Ansicht einer reflektierenden Fokussierfläche gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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In
den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende
Bauelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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In 1 ist
eine stark vereinfachte Ansicht eines Laserbearbeitungskopfes 10 gezeigt,
wie er mit Laserbearbeitungsmaschinen oder -anlagen verwendet wird.
Hierbei wird ein von der Laserbearbeitungsmaschine kommender Arbeitslaserstrahl 12 durch ein
Gehäuse 13 des
Laserbearbeitungskopfs 10 hindurch auf ein Werkstück 14 gelenkt
und mittels einer Optik 16 auf das Werkstück 14 fokussiert,
wie durch die optische Achse L angedeutet wird. Der Arbeitslaserstrahl 12 kann
bei einer Zuführung
zu dem Bearbeitungskopf 10 mittels einer Lichtleitfaser
aufgrund der Auskopplung des Laserstrahls aus der Lichtleitfaser
durch eine Kollimatoroptik aufgeweitet sein.
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In
dem Laserbearbeitungskopf 10 ist ein teildurchlässiger Umlenkspiegel 18 angeordnet,
der einen Teillaserstrahl 20 aus dem Arbeitslaserstrahl 12 auskoppelt,
welcher eine proportional verringerte Gesamtlaserleistung mit einem
entsprechend leistungsmäßig geringeren
Laserleistungsverteilungsprofil über
den gleich großen
Strahlquerschnitt wie der Arbeitslaserstrahlquerschnitt aufweist.
Das Reflexions-/Transmissionsverhältnis des teildurchlässigen Umlenkspiegels 18 liegt
bei etwa 0,2% und ist im Wesentlichen unabhängig von der Leistung und der Leistungsverteilung
des Arbeitslaserstrahls 12. Der ausgekoppelte Laserstrahl 20 wird
durch den teildurchlässigen
Umlenkspiegel 18 zu einer seitlichen Gehäuseöffnung gelenkt
und tritt in ein Messmodul 22 ein, in welchem die Gesamtleistung
des ausgekoppelten Laserstrahls 20 und damit des Arbeitslaserstrahls 12 gemessen
wird.
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Eine
detaillierte Ansicht des erfindungsgemäßen Messmoduls 22 ist
in 2 gezeigt. Das Messmodul 22 ist, wie
in 1 gezeigt, so an dem Laserbearbeitungskopf 10 angebracht,
dass der ausgekoppelte Laserstrahl 20 in eine Strahleintrittsöffnung 24 (2)
in einem Modulgehäuse 25 des Messmoduls 22 eintritt,
durch eine Eintrittsplatte 26 hindurchgeht und auf eine
Lichtbündelungsplatte 28 mit
einer Fokussierfläche 30 trifft,
an welcher der Laserstrahl 20 gebündelt und in Richtung der Eintrittsplatte 26 reflektiert
wird. Der reflektierte Laserstrahl 20 wird dann durch die
Eintrittsplatte 26 durch die reflektierende Fläche 32 in
Richtung einer Umlenkplatte 34 gelenkt, von der schließlich das
gebündelte Licht
in Richtung eines Sensors 36 mit einer Sensorfläche 38 gelenkt
und auf die Sensorfläche 38 fokussiert
wird.
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In
diesem Aufbau haben die Eintrittsplatte 26 und die Umlenkplatte 34 die
Funktion, den einfallenden Laserstrahl 20 um einen vorbestimmten
Faktor, welcher unabhängig
von der Laserstrahlleistung oder dem Laserstrahlleistungsverteilungsprofil
des Laserstrahls 20 sein soll, abzuschwächen sowie den von der Lichtbündelungsplatte 28 gebündelten
Lichtstrahl zu falten und auf den Sensor 36 zu lenken.
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Die
Lichtbündelungsplatte 28 kann
wie das Modulgehäuse 25 aus
Metall, vorzugsweise Aluminium gefertigt sein. Die Lichtbündelungsplatte 28 weist einen
zylinderförmigen
Abschnitt 40 und einen Flanschabschnitt 42 auf,
wobei die Lichtbündelungsplatte 28 in
eine der Eintrittsöffnung 24 gegenüberliegende Öffnung des
Modulgehäuses 25 eingesetzt
ist. Hierbei ist der Flanschabschnitt 42 in eine kreisrunde Ausnehmung 44 in
der Außenwand
des Modulgehäuses 25 bündig eingesetzt
und stößt an diese
an. An der der Außenwand
des Modulgehäuses 25 zugewandten
Stirnfläche
des Flanschabschnitts 42 der Lichtbündelungsplatte 28 ist
ferner eine Ringnut 46 vorgesehen, in welcher ein Dichtungsring 48 angeordnet
ist, der im eingesetzten Zustand der Lichtbündelungsplatte 28 ein
Eindringen von Schmutz oder Staub in das Modulgehäuse 25 verhindert.
In der der reflektierenden Fokussierfläche 30 entgegengesetzten
Seite der Lichtbündelungsplatte 28 ist
weiter ein mit einem Gewinde versehendes Bohrloch 50 vorgesehen,
an welchem eine Kühlvorrichtung
(nicht gezeigt) montiert werden kann, um die Lichtbündelungsplatte 28 zu
kühlen.
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Die
Lichtbündelungsplatte 28 ist
an ihrer reflektierenden Fokussierfläche 30 derart ausgehöhlt, dass
die reflektierende Fokussierfläche 30 die
Form eines Rotationsparaboloids aufweist, wobei die Rotationsachse
dieses Paraboloids im eingesetzten Zustand der Lichtbündelungsplatte 28 in
das Modulgehäuse 25 mit
der optischen Achse L' des
ausgekoppelten Laserstrahls 20 zusammenfällt.
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Die
Ausbildung der reflektierenden Fokussierfläche 30 in Form eines
Rotationsparaboloids ist zwar rein theoretisch für eine Abbildung eines parallelen
Strahlenbündels
in einen Punkt ideal, aus Sicht der technischen Verwirklichung der
reflektierenden Fokussierfläche 30 ist
es jedoch bevorzugt, die Fläche
des Rotationsparaboloids aufgrund ihrer Flachheit als sphärische Fläche zu approximieren,
da hierdurch die Fläche
wesentlich einfacher hergestellt werden kann und der Näherungsfehler
im Wesentlichen vernachlässigbar
ist.
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Die
reflektierende Fokussierfläche 30 kann hierbei
mit einer Beschichtung versehen sein, die das einfallende Licht
des Laserstrahls 20 diffus streut und entsprechend abschwächt. In 3 ist
das Prinzip eines streuenden Fokussierers, wie er durch die reflektierende
Fokussierfläche 30 verwirklicht
ist, illustriert, wobei darauf hingewiesen wird, dass die Krümmung der
in der in 3 dargestellten reflektierenden
Fokussierfläche 30 stark überhöht ist,
um das Funktionsprinzip der reflektierenden Fokussierfläche 30 veranschaulichen
zu können.
Das entlang der optischen Achse L' auf die reflektierende Fokussierfläche 30 auftreffende
Licht wird an Streuzentren 30' auf der reflektierenden Fokussierfläche 30 gestreut,
wobei die winkelabhängige
Streuintensität
schematisch durch die Streukeulen 30'' angezeigt
wird. Durch die Krümmung
der reflektierenden Fokussierfläche 30, welche
exakt oder angenähert
ein Rotationsparaboloid ist, wird das Licht des parallel entlang
der optischen Achse L' einlaufenden
Strahlenbündels
von der reflektierenden Fokussierfläche 30 so gestreut, dass
die Mittelachsen der Streukeulen 30' auf einen Punkt 30''' gerichtet
werden. Bei dieser Ausgestaltung ist eine Beschichtung mit Harteloxal
besonders geeignet. Neben der Abschwächung des einfallenden Lichts
ist ein weiterer Vorteil, dass aufgrund der diffusen Reflexion die
auf den in 2 gezeigten Sensor 36 gebündelte Lichtintensität nicht
in dem Maße
von einer Einfallsrichtung des ausgekoppelten Laserstrahls 20 abhängig ist,
wie dies bei einer spekulären
Reflexion der Fall wäre,
wodurch das Messmodul hinsichtlich einer Justage des Laserstrahls aufgrund
der nur teilweise reflektierenden Fokussierfläche 30 im Wesentlichen
unempfindlich ist.
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Die
Eintrittsplatte 26 ist für eine einfache Montage in
dem Modulgehäuse 25 wie
die Lichtbündelungsplatte 28 kreisrund
ausgebildet. Die Eintrittsplatte 26 liegt hierbei in montiertem
Zustand auf einem Schulterabschnitt 52 auf, welcher sich
in einer sich von der Strahleintrittsöffnung 24 in das Gehäuseinnere
erstreckenden Ausnehmung in dem Modulgehäuse 25 befindet. Die
Eintrittsplatte 26 wird durch einen Haltering 54,
der mit einem Außengewinde 56 in
ein Innengewinde 58 in dem Modulgehäuse 25 eingreift,
fest gegen den Schulterabschnitt 52 gedrückt und
somit in der sich in das Gehäuseinnere
erstreckenden Ausnehmung befestigt.
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Die
Eintrittsplatte 26 ist so in dem Modulgehäuse 25 eingesetzt,
dass die optische Achse L' des ausgekoppelten
Laserstrahls 20 durch das Zentrum der kreisrunden Eintrittsplatte 26 hindurchgeht.
Ferner ist die Eintrittsplatte 26 schräg hinsichtlich der optischen
Achse L' angeordnet,
um das von der reflektierenden Fokussierfläche 30 der Lichtbündelungsplatte 28 zurückgeworfene
Licht in einen Seitenbereich zu reflektieren, der sich neben der
Lichtbündelungsplatte 28 befindet.
Vorzugsweise ist dabei der Winkel zwischen einer auf der Reflexionsebene
der Eintrittsplatte 26 stehenden Senkrechten und der optischen
Achse L' des einfallenden
Laserstrahls 20 gleich 22,5°, wie später noch ausführlich erläutert wird.
Die Eintrittsplatte 26 ist vorzugsweise als planparallele
Glasplatte ausgebildet, wobei hierfür Glas mit einer hohen Temperaturwiderstandsfähigkeit
von Vorteil ist, wie beispielsweise Borofloat-Glas.
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Die
Umlenkplatte 34 ist auf einer Halterung 60 montiert,
welche in ein in einer Montageöffnung des
Modulgehäuses 25 befindliches
Innengewinde 62 mit einem Außengewinde 64 eingeschraubt
ist. An der Rückseite
der Halterung 60 sind Bohrlöcher 66 vorgesehen,
um eine Kühlvorrichtung
zur Kühlung der
Halterung 60 zu montieren. In einer Ausführungsform
ist die Halterung 60 an der der Umlenkplatte 34 gegenüberliegenden
Seite mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung versehen. Es ist
jedoch auch denkbar, die Umlenkplatte 34 selbst an ihrer
der reflektierenden Fläche
entgegengesetzten Fläche
mit einer lichtabsorbierenden Beschichtung zu versehen. Die Umlenkplatte 34 ist
wie die Eintrittsplatte 26 als kreisrunde planparallele
Glasplatte ausgebildet, wobei auch hier ein Glas mit hoher Temperaturwiderstandfähigkeit
von Vorteil ist. Wie bei der Eintrittsplatte 26 ist auch
die Umlenkplatte 34 so schräg in dem Modulgehäuse 25 eingesetzt,
dass die Senkrechte auf der Reflexionsebene der Umlenkplatte 34 mit
der von der Eintrittsplatte 26 reflektierten optischen
Achse L'' einen Winkel von
22,5° einschließt, wobei
die optische Achse L'' die kreisrunde Umlenkplatte 34 zentral
trifft. Das von der Eintrittsplatte 26 kommende gebündelte Licht
wird an der Umlenkplatte 34 reflektiert und entlang der
optischen Achse L''' auf eine Sensorfläche 38 des Sensors 36 gelenkt.
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Der
Sensor 36 ist in dem Modulgehäuse 25 an einer der
Umlenkplatte 34 gegenüberliegenden Seite
in einer kreisrunden Ausnehmung 68 eingesetzt und darin
montiert. Der Sensor 36 ist ein optischer Sensor wie beispielsweise
eine Fotodiode, wobei die Art der Fotodiode an die verwendete Laserstrahlung
und deren Wellenlängenbereich
angepasst ist. Die Sensorfläche 38 kann,
da die gesamte Laserleistung auf die Fläche 38 gebündelt wird,
geringe Abmessungen im Millimeterbereich aufweisen. Hinsichtlich
der räumlichen
Anordnung der Sensorfläche 38 in
Bezug auf das aus der reflektierenden Fokussierfläche 30,
der Eintrittsplatte 26 und der Umlenkplatte 34 gebildeten
optischen System ist zu beachten, dass sowohl an der planparallelen
Eintrittsplatte 26 als auch an der planparallelen Umlenkplatte 34 das
von der reflektierenden Fokussierfläche 30 kommende Licht
sowohl an der Vorderseite als auch an der Rückseite der jeweiligen planparellen
Platten 26, 34 reflektiert wird, wodurch Mehrfachfoki
in dem Bereich des in 2 dargestellten Sensors 36 ausgebildet
werden. Hierbei ist es bevorzugt, die Sensorfläche 38 des Sensors 36 an
die Position eines ”mittleren
Fokus” zu
setzen, welcher den geometrischen Schwerpunkt zwischen den mehreren
Foki bildet. In dem in 2 gezeigten Beispiel werden
im Bereich des Sensors 36 vier in einem Parallelogramm
angeordnete Fokuspunkte aufgrund der zweifachen Reflektion an den
planparallelen Glasplatten 26 und 34 ausgebildet,
wobei der Mittelpunkt dieses Parallelogramms (der mittlere Fokus)
vorzugsweise einem zentralen Punkt der Sensorfläche 38 entspricht.
Weiter ist in dem Modulgehäuse 25 ein
hinter dem Sensor 36 angeordneter Hohlraum 70 vorgesehen,
welcher durch einen Deckel 72 verschlossen und durch Dichtungsringe 74 abgedichtet
wird, um eine Auswerteelektronik für den Sensor 36 aufzunehmen.
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Durch
die erfindungsgemäße Anordnung
der Eintrittsplatte 32 und der Umlenkplatte 34 ist
es auch bei einer unregelmäßigen Leistungsdichteverteilung des
zu messenden ausgekoppelten Laserstrahls 20 möglich, die
Gesamtintensität
des Laserstrahls 20 um einen vorbestimmten leistungsunabhängigen Proportionalitätsfaktor
abzuschwächen,
wie im Folgenden erläutert
werden soll.
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Das
durch die Eingangsöffnung 24 eintretende
Licht mit einer vorgegebenen Leistungsdichteverteilung über den
Querschnitt des Laserstrahls 20 trifft auf die reflektierenden
Fokussierfläche 30 der
Lichtbündelungsplatte 28 und
wird von dieser zurückgeworfen
und gebündelt.
Hierbei trifft das zurückgeworfene
Strahlenbündel
unter unterschiedlichen Winkeln auf die reflektierende Fläche 32 der
Eintrittsplattes 26, wobei die Einfallswinkel des Strahlenbündels symmetrisch
um den Einfallswinkel der reflektierten optischen Achse L' gleich 22,5° variiert
sind. Aufgrund der Winkelabhängigkeit
des Reflexions-/Transmissions-Verhältnisses (gemäß den Fresnelschen Gleichungen)
bei einem Übergang
zwischen verschiedenen optischen Medien, wie hier zwischen Luft und
Glas, ist also der Reflexionsgrad abhängig von der Lage im Strahlquer schnitt
des Laserstrahls 20. Diese Abweichung des Reflexions/Transmissionsverhältnisses
wird jedoch durch die Anordnung der Umlenkplatte 34, welche
ebenfalls eine planparallele Glasplatte ist, kompensiert, da nun
Teile des Lichtbündels,
die zunächst
unter steilem Winkel auf die Eintrittsplatte 26 getroffen
sind, nun unter flachem Winkel von der Umlenkplatte 34 reflektiert
werden und umgekehrt. Somit ist der Reflexionsgrad im Wesentlichen
unabhängig
von der Entfernung eines Lichtstrahlanteils von der optischen Achse
L' im ausgekoppelten
Laserstrahl 20, wodurch eine fehlerfreie Integration über die
Gesamtintensität
des Laserstrahls 20 auch bei einer unregelmäßigen Leistungsdichteverteilung über den
Laserstrahlquerschnitt möglich
wird.
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Somit
ist also eine genaue Messung der Gesamtleistung des ausgekoppelten
Laserstrahls 20 und damit der Gesamtleistung des Arbeitslaserstrahls 12 möglich. Darüber hinaus
ist es aufgrund des Einsatzes eines einfachen Halbleitersensors oder
eines vergleichbaren optischen Sensors möglich, schnelle Leistungsänderungen
in der Gesamtleitung des Arbeitslaserstrahls zu messen, wie beispielsweise
bei gepulsten Lasern, bei denen die Pulslänge mit dieser Art von Aufbau
bestimmt werden kann.