DE102010026443B4 - Device for measuring the power of a laser beam and laser processing head with such a device - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls (10) mit – einem Spiegel (11) mit einem für den Laserstrahl (10) transparenten Substrat (12), das zumindest auf der dem einfallenden Laserstrahl (10) zugewandten Fläche (13) eine reflektierende Schicht (14) aufweist, durch die ein Teil des Laserstrahls (10) in das Substrat (12) eindringt, und – einer an einer Umfangsfläche des Substrats (12) angeordneten Fotoempfängeranordnung, die ein der zu messenden Laserstrahlleistung entsprechendes Ausgangssignal liefert und in Richtung des an der reflektierenden Schicht (14) reflektierten Laserstrahls (10') liegt.Device for measuring the power of a laser beam (10), having - a mirror (11) with a substrate (12) transparent to the laser beam (10), which at least on the surface (13) facing the incident laser beam (10) forms a reflective layer (11) 14), through which a part of the laser beam (10) penetrates into the substrate (12), and - a photoreceiver arrangement arranged on a circumferential surface of the substrate (12) which delivers an output signal corresponding to the laser beam power to be measured and in the direction of the light source reflective layer (14) of reflected laser beam (10 ') is located.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls sowie einen Laserbearbeitungskopf, der mit einer derartigen Vorrichtung ausgerüstet ist.The invention relates to a device for measuring the power of a laser beam and a laser processing head, which is equipped with such a device.

Bei der Bearbeitung von Werkstücken mittels Laserstrahlung, wie z. B. Laserschneiden, Laserschweißen oder -löten oder Pulverbeschichtung mittels Laserstrahlung wird die Laserstrahlleistung üblicherweise im Laserbearbeitungskopf gemessen, also kurz bevor der Laserstrahl auf das Werkstück trifft, um die Laserleistung und/oder den Laserbearbeitungsvorgang überwachen und/oder regeln zu können, und um auch eventuelle Störungen im Übertragungsweg für die Laserstrahlung von der Laserquelle zum Laserbearbeitungskopf feststellen zu können.When machining workpieces by means of laser radiation, such. As laser cutting, laser welding or soldering or powder coating by means of laser radiation, the laser beam power is usually measured in the laser processing head, so just before the laser beam strikes the workpiece to monitor the laser power and / or the laser processing operation and / or can regulate, and also eventual Disturbances in the transmission path for the laser radiation from the laser source to the laser processing head to determine.

Aus der DE 10 2008 028 347 A1 ist bereits ein Modul für die Laserleistungsmessung bekannt, bei dem mit Hilfe eines Teilerspiegels ein bestimmter Anteil des Laserstrahls aus dem Arbeitsstrahlengang ausgekoppelt und auf eine Eingangsöffnung des Messmoduls gelenkt wird, das seitlich am Laserbearbeitungskopf angebracht ist.From the DE 10 2008 028 347 A1 A module for laser power measurement is already known, in which a certain portion of the laser beam is coupled out of the working beam path with the aid of a divider mirror and directed to an input opening of the measuring module, which is mounted laterally on the laser processing head.

Aus der DE 100 60 176 A1 ist ein weiterer Laserbearbeitungskopf mit einer Vorrichtung zur Messung der Leistung des Laserstrahls bekannt, bei dem im Arbeitsstrahlengang ein Teilerspiegel angeordnet ist, der von dem einfallenden Arbeitslaserstrahl einen geringen Prozentsatz in Richtung auf ein Sensormodul umlenkt. Vor dem Sensormodul ist ein Abschirmelement angeordnet, dass dieses gegen die Laserstrahlung bis auf einen Durchlassbereicht abschirmt, der einem im Sensormodul vorgesehenen Sensor zur Strahlleistungsmessung zugeordnet ist. Das Sensormodul ist dabei am Laserbearbeitungskopf oder in dessen Seitenwandbereich angeordnet.From the DE 100 60 176 A1 a further laser processing head with a device for measuring the power of the laser beam is known, in which a divider mirror is arranged in the working beam path, which deflects a small percentage of the incident working laser beam in the direction of a sensor module. In front of the sensor module, a shielding element is arranged, which shields it against the laser radiation up to a passage region which is assigned to a sensor provided in the sensor module for beam power measurement. The sensor module is arranged on the laser processing head or in its side wall region.

Aus der DE 101 13 518 A1 ist eine weitere Vorrichtung bekannt, mit der die Intensität eines Laserstrahls in einem Laserbearbeitungskopf gemessen werden kann. Diese Vorrichtung umfasst einen teildurchlässigen Spiegel, der Licht aus dem Arbeitsstrahlengang auskoppelt und auf einen Strahlungsdetektor lenkt, der in einer Öffnung in einer Seitenwand des Gehäuses des Laserbearbeitungskopfes angeordnet ist.From the DE 101 13 518 A1 Another device is known with which the intensity of a laser beam in a laser processing head can be measured. This device comprises a partially transmissive mirror which decouples light from the working beam path and directs it to a radiation detector which is arranged in an opening in a side wall of the housing of the laser processing head.

Ferner zeigt diese Druckschrift zur Messung eines Verschmutzungsgrades eines Schutzglases des Laserbearbeitungskopfes einen Temperaturdetektor, der am Umfangsrand des Schutzglases angeordnet ist.Furthermore, this document shows for measuring a degree of contamination of a protective glass of the laser processing head, a temperature detector which is arranged at the peripheral edge of the protective glass.

Die DE 94 03 822 U1 betrifft eine Überwachungsvorrichtung für Laserstrahlung, bei der Streustrahlung in einem für Laserstrahlung transparenten optischen Bauteil, z. B. in einer Linse oder einem Schutzglas als Maß für die einfallende Lichtmenge herangezogen wird. Die Streustrahlung wird dabei entweder direkt mit einem am Rand des zu überwachenden Bauteils angeordneten Detektors erfasst oder in eine am Rand des Bauteils angeordnete Glasfaser eingekoppelt und von dieser zum Detektor geführt.The DE 94 03 822 U1 relates to a monitoring device for laser radiation, in the scattered radiation in an optical component transparent to laser radiation, for. B. is used in a lens or a protective glass as a measure of the amount of incident light. The scattered radiation is detected either directly with a detector arranged on the edge of the component to be monitored or coupled into a glass fiber arranged on the edge of the component and guided by the latter to the detector.

Die WO 2003/023 337 A2 zeigt eine Strahlungsmessvorrichtung mit einem kreiszylindrischen Stab aus einem für eine Strahlung transparenten Material, dessen Umfangsfläche mit einem reflektierenden Material beschichtet ist. An einer Stirnfläche des Stabes, der als Strahlungsleiter (Lichtleiter) dient, ist eine Sensoreinheit mit einem fotoempfindlichem Element angeordnet. Um die Strahlung in den Stab einkoppeln zu können, ist an der Umfangsfläche des Stabes ein Messfenster vorgesehen. Dazu ist im Bereich des Messfensters die reflektierenden Schicht durch Freischleifen oder dergleichen entfernt. Außerdem ist die Oberfläche des Stabes im Bereich des Messfensters aufgeraut, um eine diffuse gleichmäßige Einkoppelung zu erreichen. Senkrecht zur Längserstreckung des Stabes einfallende Strahlung, die durch das Messfenster in den Stab eingekoppelt wird, wird im Stab durch Totalreflektion in dessen Längsrichtung zu der Sensoreinheit weitergeleitet.The WO 2003/023 337 A2 shows a radiation measuring device with a circular cylindrical rod of a radiation-transparent material whose peripheral surface is coated with a reflective material. On an end surface of the rod serving as a radiation conductor (optical fiber), a sensor unit having a photosensitive member is disposed. In order to be able to couple the radiation into the rod, a measuring window is provided on the peripheral surface of the rod. For this purpose, the reflective layer is removed by free grinding or the like in the area of the measuring window. In addition, the surface of the rod is roughened in the region of the measuring window in order to achieve a diffuse uniform coupling. Radiation incident to the longitudinal extent of the rod, which is coupled into the rod through the measuring window, is forwarded to the sensor unit in the rod by total reflection in its longitudinal direction.

Die DE 32 05 507 A1 beschreibt einen Laserbearbeitungskopf für chirurgische Zwecke, in dessen Strahlengang ein teilweise reflektierender Spiegel mit einem Reflektionsfaktor von ca. 99% angeordnet ist. Zur Messung der Leistung eines Laserstrahls ist eine an der Rückseite des Spiegels angeordnete Wärmesenke vorgesehen, mit der ein Thermoelement verbunden ist. Der Anteil des einfallenden Laserstrahls, der durch den teilweise reflektierenden Spiegel durchgelassen wird, fällt in die Wärmesenke ein. Die Energie des Laserstrahls wird von der Wärmesenke in Wärmeenergie umgewandelt und dann mittels des thermoelektrischen Elements, z. B. mittels eines Thermoelements, gemessen, das an der Rückseite der Wärmesenke angeordnet ist.The DE 32 05 507 A1 describes a laser processing head for surgical purposes, in the beam path, a partially reflecting mirror is arranged with a reflection factor of about 99%. In order to measure the power of a laser beam, a heat sink arranged on the rear side of the mirror is provided, to which a thermocouple is connected. The portion of the incident laser beam transmitted through the partially reflecting mirror enters the heat sink. The energy of the laser beam is converted by the heat sink into heat energy and then by means of the thermoelectric element, for. Example by means of a thermocouple, which is arranged on the back of the heat sink.

Die DE 26 54 465 C3 zeigt einen weiteren, innen verspiegelten Lichtleiterstab, an dessen Stirnseite eine Mischkammer mit einem fotoempfindlicher Empfänger aufgeschoben ist. Im Wesentlichen senkrecht zur Längserstreckung des Lichtleiterstabes einfallende Strahlung wird durch Brechung und Streuung in den Lichtleiterstab eingekoppelt und im Lichtleiterstab durch Totalreflektion in dessen Längsrichtung zur Stirnseite und zur Mischkammer weitergeleitet.The DE 26 54 465 C3 shows a further, internally mirrored light guide rod, on the front side of a mixing chamber is pushed with a photosensitive receiver. Radiation incident substantially perpendicular to the longitudinal extent of the optical fiber rod is coupled into the optical fiber rod by refraction and scattering and forwarded in the optical fiber rod by total reflection in its longitudinal direction to the end face and to the mixing chamber.

Die EP 0 244 092 B1 zeigt eine Vorrichtung zur Aufnahme von Strahlung, bei der an einer Endfläche eines Lichtleiters (Prisma) eine Sensoranordnung vorgesehen ist.The EP 0 244 092 B1 shows a device for receiving radiation, in which a End face of a light guide (prism), a sensor arrangement is provided.

Davon ausgehend liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine weitere Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls und einen damit ausgerüsteten Laserbearbeitungskopf bereitzustellen, die mit minimalem Platzaufwand realisiert werden kann, um eine möglichst schlanke Kontur eines Laserbearbeitungskopfes zu ermöglichen.Based on this, the invention has for its object to provide a further device for measuring the power of a laser beam and a laser processing head equipped therewith, which can be realized with minimal space requirements to allow the most streamlined contour of a laser processing head.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Vorrichtung nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.This object is achieved by the device according to claim 1. Advantageous embodiments and further developments of the invention are described in the subclaims.

Erfindungsgemäß wird also am Rand eines Spiegels, der im Strahlengang eines Laserstrahls, dessen Leistung erfasst werden soll, angeordnet ist, eine für die Strahlung des zu überwachenden Laserstrahls empfindliche Fotoempfängeranordnung vorgesehen, die die trotz Reflexionsschicht des Spiegels in dessen transparentes Substrat eindringende und durch Vielfach-Reflexion zum Rand des Substrats geleitete Strahlung detektiert und ein der zu messenden Laserstrahlleistung entsprechendes Ausgangssignal liefert.According to the invention, therefore, a photoreceiver arrangement which is sensitive to the radiation of the laser beam to be monitored is provided on the edge of a mirror which is arranged in the beam path of a laser beam whose power is to be detected and which penetrates the reflection substrate of the mirror into its transparent substrate and by multiples. Reflection detected radiation to the edge of the substrate detected and one of the laser beam power to be measured delivers corresponding output signal.

Erfindungsgemäß lässt sich somit eine Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls schaffen, die einen im Laserstrahlengang vorhandenen Spiegel ausnutzt, so dass nur Platz am Rand des Spiegels für die Empfängeranordnung vorhanden zu sein braucht oder vorgesehen werden muss, und somit die Außenabmessungen des Laserbearbeitungskopfes für die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht verändert zu werden brauchen. According to the invention can thus provide a device for measuring the power of a laser beam, which exploits existing in the laser beam path mirror so that only space at the edge of the mirror for the receiver assembly needs to be present or must be provided, and thus the outer dimensions of the laser processing head for the Device according to the invention need not be changed.

Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat des Spiegels auch auf seiner rückseitigen Fläche eine reflektierende Schicht mit vorzugsweise dem gleichen Reflexionsgrad aufweist, wie die reflektierende Schicht auf der dem einfallenden Laserstrahl zugewandten Fläche. Hierdurch wird erreicht, dass die durch die reflektierende Schicht auf der Lichteinfallseite des Spiegels in dessen Substrat eindringende Strahlung im Substrat zwischen den beiden reflektierenden Schichten wie in einem Lichtwellenleiter in Lichteinfallsrichtung weiter zum Umfang des Spiegels geleitet wird.In a particularly preferred embodiment of the invention it is provided that the substrate of the mirror also on its rear surface has a reflective layer with preferably the same reflectance as the reflective layer on the surface facing the incident laser beam. This ensures that the radiation penetrating through the reflective layer on the light incidence side of the mirror into its substrate in the substrate between the two reflective layers as in an optical waveguide in the light incident direction is passed on to the periphery of the mirror.

Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Substrat eine planparallele Platte ist, deren Außenumfang von einer Zylinderfläche gebildet wird, deren Zylinderachse mit der optischen Achse des einfallenden oder ausfallenden Laserstrahls parallel ist. Hierdurch lässt sich zum einen die Einbaugröße des Spiegels in den Laserbearbeitungskopf optimieren, ohne dadurch die wirksame Spiegelfläche zu verringern, und zum anderen lässt sich der Übergang der Strahlung vom Substrat zur Fotoempfängeranordnung durch die Umfangsfläche optimieren.In an advantageous embodiment of the invention it is provided that the substrate is a plane-parallel plate whose outer periphery is formed by a cylindrical surface whose cylinder axis is parallel to the optical axis of the incident or failing laser beam. In this way, on the one hand, the installation size of the mirror in the laser processing head can be optimized without thereby reducing the effective mirror surface, and, on the other hand, the transition of the radiation from the substrate to the photoreceptor arrangement can be optimized by the peripheral surface.

Vorzugsweise weist die Fotoempfängeranordnung einen oder mehrere Fotoempfänger, insbesondere eine oder mehrere Fotodioden auf, wobei die mehreren Fotoempfänger, insbesondere Fotodioden umfangsmäßig verteilt an der Umfangsfläche des Substrats angeordnet sind. Durch die umfangsmäßig verteilte Anordnung mehrerer Fotoempfänger, insbesondere mehrerer Fotodioden lässt sich die Laserleistung über die gesamte Querschnittsfläche des zu überwachenden Laserstrahls erfassen, was eine erhöhte Präzision der Messung ermöglicht.The photoreceiver arrangement preferably has one or more photoreceivers, in particular one or more photodiodes, wherein the plurality of photoreceivers, in particular photodiodes, are arranged circumferentially distributed on the peripheral surface of the substrate. Due to the circumferentially distributed arrangement of a plurality of photoreceivers, in particular a plurality of photodiodes, the laser power can be detected over the entire cross-sectional area of the laser beam to be monitored, which allows increased precision of the measurement.

Da die durch die Reflexionsschicht in das Substrat eindringende Laserstrahlung im Wesentlichen in der selben Richtung innerhalb des Substrats des Spiegels weitergeleitet wird, ist es zweckmäßig, wenn ein oder mehrere erste, sowie ein oder mehrere zweite Fotoempfänger vorgesehen sind, wobei der oder die ersten Fotoempfänger in einem Umfangsbereich angeordnet sind, der in Richtung des an der reflektierenden Schicht reflektierten Laserstrahls liegt, um die Leistung des einfallenden Laserstrahls zu messen, während der oder die zweiten Fotoempfänger entgegengesetzt dazu angeordnet sind. Der oder die zweiten Fotoempfänger erfassen somit nicht die Laserstrahlung des zu überwachenden Laserstrahls, sondern Strahlung, die entgegengesetzt zum überwachenden Laserstrahl einfällt also bei einem Laserbearbeitungskopf insbesondere die am Werkstück reflektierte Strahlung des Arbeitslaserstrahls, den sogenannten Rückreflex, dessen Licht im Substrat des Spiegels entgegengesetzt zu der Strahlung des zu überwachenden Strahls weitergeleitet wird.Since the laser radiation penetrating through the reflection layer into the substrate is transmitted substantially in the same direction within the substrate of the mirror, it is expedient if one or more first and one or more second photoreceivers are provided, wherein the first photoreceiver or photoreceivers in FIG a circumferential region which is in the direction of the laser beam reflected on the reflective layer in order to measure the power of the incident laser beam while the second photoreceptor (s) are arranged opposite thereto. Thus, the second photoreceiver (s) do not detect the laser radiation of the laser beam to be monitored, but radiation which is incident to the monitoring laser beam, in particular the radiation of the working laser beam reflected at the workpiece, the so-called back reflection whose light in the substrate of the mirror is opposite to that of the laser beam Radiation of the monitored beam is forwarded.

Die Erfindung nutzt somit die unterschiedliche Ausbreitung von Laserstrahlstrahlung und Rückreflexstrahlung im Substrat des Spiegels aus, um die Strahlung an räumlich getrennten Orten unabhängig voneinander auf einfache Weise mit entsprechenden Fotoempfängeranordnungen zu erfassen.The invention thus exploits the different propagation of laser beam radiation and back-reflection radiation in the substrate of the mirror in order to detect the radiation at spatially separated locations independently of each other in a simple manner with corresponding photoreceiver arrangements.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass zwischen der Umfangsfläche des Substrats und den Fotoempfängern Streu- oder Sammelelemente für Laserstrahlung aus dem Substrat angeordnet sind. Hierdurch lässt sich die aus dem Substrat zu den Fotoempfängern gelangende Strahlungsmenge an die Empfindlichkeit der Fotoempfänger anpassen.Another advantageous embodiment of the invention is characterized in that scattering or collecting elements for laser radiation are arranged from the substrate between the peripheral surface of the substrate and the photoreceivers. As a result, the amount of radiation reaching from the substrate to the photoreceptors can be adapted to the sensitivity of the photoreceptor.

Um Streulicht oder Störlichteinflüsse zu unterdrücken, ist es zweckmäßig, wenn zwischen der Umfangsfläche des Substrats und den Fotoempfängern Filter angeordnet sind, die die zu messende Strahlung zu den Fotoempfängern durchlassen. Zweckmäßigerweise können dabei Bandpassfilter eingesetzt werden, deren Durchlassband auf die spektrale Empfindlichkeitskurve der Fotoempfänger abgestimmt ist. Es können aber auch entsprechende Kurz- oder Langpassfilter eingesetzt werden. Durch geeignete Abstimmung der spektralen Durchlasskurve der Filter mit der spektralen Empfindlichkeit der Fotoempfänger lässt sich auch die auf den Fotoempfänger einfallende Menge der zu messenden Strahlung gegebenenfalls reduzieren, so dass der Fotoempfänger in einem linearen Bereich seiner Kennlinie arbeitet und somit Schwankungen in der einfallenden Strahlungsmenge zuverlässig detektieren kann.In order to suppress stray light or interfering light influences, it is expedient if filters are arranged between the peripheral surface of the substrate and the photoreceivers and transmit the radiation to be measured to the photoreceptors let through. Expediently, bandpass filters may be used, whose passband is tuned to the spectral sensitivity curve of the photoreceptor. However, corresponding short- or long-pass filters can also be used. By suitable tuning of the spectral transmission curve of the filter with the spectral sensitivity of the photoreceiver, the amount of radiation to be measured on the photoreceptor can optionally be reduced, so that the photoreceiver operates in a linear region of its characteristic and thus reliably detect fluctuations in the incident radiation quantity can.

Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spiegel ein Strahlumlenkspiegel ist, dessen reflektierende Schicht oder Schichten einen Reflexionsgrad von mehr als 95%, insbesondere mehr als 99%, vorzugsweise von mehr als 99,5% aufweisen.In another embodiment of the invention, it is provided that the mirror is a beam deflecting mirror whose reflective layer or layers have a reflectance of more than 95%, in particular more than 99%, preferably more than 99.5%.

Es ist jedoch auch möglich, dass der Spiegel ein Strahlteilerspiegel ist, dessen reflektierende Schicht oder Schichten einen Reflexionsgrad im Bereich von 10 bis 90% aufweisen.However, it is also possible that the mirror is a beam splitter mirror whose reflective layer or layers have a reflectance in the range of 10 to 90%.

Erfindungsgemäß ist ein Laserbearbeitungskopf, der ein Gehäuse und eine einen Arbeitsstrahlengang für einen Laserstrahl festlegende Optik aufweist, durch die der Laserstrahl auf ein Werkstück fokussiert wird, mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Leistung des Laserstrahls ausgerüstet, wobei deren Spiegel im Arbeitsstrahlengang als Strahlumlenkspiegel oder Strahlteilerspiegel angeordnet ist.According to the invention, a laser processing head, which has a housing and a working beam path for a laser beam defining optics, by which the laser beam is focused on a workpiece equipped with a device according to the invention for measuring the power of the laser beam, wherein the mirror in the working beam path as a beam deflecting mirror or beam splitter mirror is arranged.

Die Erfindung wird im Folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:The invention will be explained in more detail below, for example, with reference to the drawing. Show it:

1a und 1b schematische Schnittdarstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Veranschaulichung der Strahlführung in Vorwärts-(Arbeitslaserstrahl) und Rückwärts-(Rückreflex)Richtung; 1a and 1b schematic sectional views of the device according to the invention for illustrating the beam guidance in the forward (working laser beam) and backward (backward) direction;

2 eine Draufsicht auf die wirksame Spiegelfläche der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Leistung; und 2 a plan view of the effective mirror surface of the device according to the invention for measuring the power; and

3 eine vereinfachte schematische Darstellung eines Laserbearbeitungskopfes mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls. 3 a simplified schematic representation of a laser processing head with a device according to the invention for measuring the power of a laser beam.

In den verschiedenen Figuren der Zeichnung sind einander entsprechende Bauteile und Strahlengangelemente mit gleichen Bezugszeichen versehen.In the various figures of the drawing corresponding components and beam path elements are provided with the same reference numerals.

Wie in 1a und 1b dargestellt, umfasst die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls 10 einen Spiegel 11 mit einem Substrat 12, das für den Laserstrahl transparent ist. Auf der dem einfallenden Laserstrahl 10 zugewandten Fläche 13 ist eine reflektierende Schicht 14 aufgebracht, deren Reflexionsvermögen in Abhängigkeit davon gewählt ist, welche Funktion der Spiegel 11 im Strahlengang eines Laserstrahls zu erfüllen hat, dessen Leistung gemessen werden soll. Soll der Spiegel 11 als reiner Umlenkspiegel zur Strahlführung dienen, so wird eine reflektierende Schicht 14 mit für das zu reflektierende Laserlicht hohem Reflexionsvermögen vorgesehen. Das Reflexionsvermögen liegt dabei vorzugsweise in einem Bereich von mehr als 95%, insbesondere von mehr als 99%, und besonders bevorzugt von mehr als 99,5%.As in 1a and 1b illustrated, the inventive device comprises for measuring the power of a laser beam 10 a mirror 11 with a substrate 12 which is transparent to the laser beam. On the incident laser beam 10 facing surface 13 is a reflective layer 14 whose reflectivity is chosen depending on which function the mirror 11 has to meet in the beam path of a laser beam whose power is to be measured. Should the mirror 11 serve as a pure deflecting mirror for beam guidance, so is a reflective layer 14 provided with high reflectivity for the laser light to be reflected. The reflectivity is preferably in a range of more than 95%, in particular more than 99%, and particularly preferably more than 99.5%.

Ist der Spiegel 11 jedoch als Teilerspiegel vorgesehen, so liegt das Reflexionsvermögen der reflektierenden Schicht 14 je nach dem gewünschten Teilerverhältnis im Bereich von etwa 10% bis 80%.Is the mirror 11 however, provided as a divider mirror, so is the reflectivity of the reflective layer 14 depending on the desired divider ratio in the range of about 10% to 80%.

Obwohl es grundsätzlich möglich ist, für die Weiterleitung von in das Substrat eingedrungenem Laserlicht 15 das natürliche Reflexionsvermögen der rückseitigen Fläche 16 des Substrats zu nutzen, ist vorteilhafter Weise auch auf der rückseitigen Fläche 16 des Substrats 12 eine reflektierende Schicht 17 vorgesehen, die zweckmäßigerweise das gleiche Reflexionsvermögen für das zu messende Laserlicht aufweist, wie die reflektierende Schicht 14 auf der vorderen Fläche 13 des Substrats 12.Although it is basically possible for the propagation of penetrated into the substrate laser light 15 the natural reflectivity of the back surface 16 of the substrate is advantageously also on the back surface 16 of the substrate 12 a reflective layer 17 provided, which expediently has the same reflectivity for the laser light to be measured as the reflective layer 14 on the front surface 13 of the substrate 12 ,

Je nach Einbauweise des Spiegels 11 in den Strahlengang des Laserstrahls kann der Umfang des Substrats 12, also seine Umfangsfläche 18 eine Zylinderfläche sein, deren Zylinderachse mit der optischen Achse 19 des einfallenden Laserstrahls 10 oder mit der reflektierten optischen Achse 19' des ausfallenden Laserstrahls 10' parallel ist. In 1a und 1b ist die erste Alternative dargestellt.Depending on how the mirror is installed 11 In the beam path of the laser beam, the circumference of the substrate 12 So its peripheral surface 18 be a cylindrical surface whose cylinder axis with the optical axis 19 of the incident laser beam 10 or with the reflected optical axis 19 ' the failing laser beam 10 ' is parallel. In 1a and 1b is the first alternative shown.

Auf der Umfangsfläche 18 sind, wie in 1a, 1b und 2 gezeigt ist, erste und zweite Fotoempfänger 21, 22 angeordnet, die umfangsmäßig verteilt sind. Zwischen den Fotoempfängern 21, 22 sind vorzugsweise Streu- oder Sammelelemente 23 für Laserstrahlung aus dem Substrat 12 angeordnet. Anstelle oder zusätzlich dazu können auch Filter 23' zwischen der Umfangsfläche 18 des Substrats 12 und den Fotoempfängern 21, 22 vorgesehen sein.On the peripheral surface 18 are, as in 1a . 1b and 2 shown is first and second photoreceivers 21 . 22 arranged, which are distributed circumferentially. Between the photoreceptors 21 . 22 are preferably scattering or collecting elements 23 for laser radiation from the substrate 12 arranged. Instead of or in addition to this, filters can also be used 23 ' between the peripheral surface 18 of the substrate 12 and the photoreceptors 21 . 22 be provided.

Der Einsatz von Streu- oder Sammelelementen 23 und/oder Filter 23' hängt von der Menge der in das Substrat eindringenden Strahlung 15, von der spektralen Empfindlichkeit der Fotoempfänger, sowie von deren Kennlinie ab.The use of scattering or collecting elements 23 and / or filters 23 ' depends on the amount of radiation entering the substrate 15 , from the spectral sensitivity of the photoreceiver, as well as from their characteristic curve.

Wie in 1a dargestellt ist, dringt bei der Reflexion eines Laserstrahls 10 an der reflektierenden Schicht 14 des Spiegels 11 ein Teil von dessen Strahlung in das Substrat 12 ein. Die in das Substrat eingedrungene Laserstrahlung 15 wird dann im Substrat 12 durch Mehrfachreflexionen wie in einem Wellenleiter zu der Umfangsfläche 18 des Substrats geführt. Dabei läuft, wie in 2 angedeutet ist, die in das Substrat 12 eingedrungene Laserstrahlung 15 im Wesentlichen in der gleichen Richtung weiter, wie der reflektierte Laserstrahl 10'. Demzufolge sind die ersten Fotoempfänger 21 zum Messen der Leistung des einfallenden Laserstrahls 10 in dem Umfangsbereich des Substrats angeordnet, der in Richtung des einfallenden bzw. reflektierten Laserstrahls 10, 10' liegt, wie besonders deutlich in 2 veranschaulicht ist. As in 1a is shown, penetrates the reflection of a laser beam 10 at the reflective layer 14 of the mirror 11 a part of its radiation into the substrate 12 one. The laser radiation penetrated into the substrate 15 is then in the substrate 12 by multiple reflections as in a waveguide to the peripheral surface 18 of the substrate. It runs, as in 2 indicated in the substrate 12 penetrated laser radiation 15 essentially in the same direction as the reflected laser beam 10 ' , As a result, the first photoreceivers 21 for measuring the power of the incident laser beam 10 arranged in the peripheral region of the substrate, in the direction of the incident or reflected laser beam 10 . 10 ' lies, as particularly evident in 2 is illustrated.

Handelt es sich bei dem Laserstrahl, dessen Leistung zu messen ist, um einen durch einen Laserbearbeitungskopf zu einem Werkstück 31 geführten Laserstrahl zur Bearbeitung des Werkstücks 31, so tritt am Werkstück 31 eine Reflexion des Laserstrahls 10, 10' auf. Das zurückreflektierte Licht, das als Rückreflex 32, 32' bezeichnet wird, trifft dann ebenfalls auf den Spiegel 11 auf, wobei wiederum ein Anteil der Laserstrahlung des Rückreflexes 32, 32' in das Substrat 12 des Spiegels 11 eintritt und wiederum von den reflektierenden Schichten wie von einem Wellenleiter zur Umfangsfläche 18 des Substrats 12 geführt wird, wo zweite Fotoempfänger 22 zur Messung der Leistung der Rückreflexstrahlung angeordnet sind.Is it the laser beam whose power is to be measured by a laser machining head to a workpiece 31 guided laser beam for machining the workpiece 31 , so occurs on the workpiece 31 a reflection of the laser beam 10 . 10 ' on. The reflected back light, the back reflex 32 . 32 ' is called, then also applies to the mirror 11 on, in turn, a proportion of the laser radiation of the back reflection 32 . 32 ' in the substrate 12 of the mirror 11 and again from the reflective layers as from a waveguide to the peripheral surface 18 of the substrate 12 is guided where second photoreceptor 22 are arranged to measure the power of the back-reflection radiation.

Wie in 3 dargestellt ist, lässt sich die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls vorteilhafter Weise in einem Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse 30 einsetzen, in dem eine Optik aus einem Kollimator 33 und einer Fokussieroptik 34 den Arbeitsstrahlengang für den Laserstrahl 10 festlegt, der durch den Spiegel 11 der erfindungsgemäßen Messvorrichtung umgelenkt wird. Die Laserstrahlung zur Bearbeitung des Werkstücks 31 wird über eine Lichtleitfaser 35 von einer nicht gezeigten Laserquelle geliefert und von Kollimator 33 Spiegel 11 und Fokussieroptik 34 in den Arbeitsbrennpunkt 36 auf dem Werkstück 31 geführt. Die Laserstrahlung kann aber auch auf jede andere geeignete Weise zum Laserbearbeitungskopf geführt werden.As in 3 is shown, the inventive device for measuring the power of a laser beam advantageously in a laser processing head with a housing 30 Insert in which an optic from a collimator 33 and a focusing optics 34 the working beam path for the laser beam 10 that fixes by the mirror 11 the measuring device according to the invention is deflected. The laser radiation for machining the workpiece 31 is via an optical fiber 35 supplied by a laser source, not shown, and collimator 33 mirror 11 and focusing optics 34 in the working focal point 36 on the workpiece 31 guided. The laser radiation can also be performed in any other suitable manner to the laser processing head.

Bei der Bearbeitung eines Werkstücks 31 tritt von dem Laserstrahl 10 also ein Teil durch die reflektierende Schicht 14 in das Substrat 12 (siehe 1a) des Spiegels 11 ein und wird in Richtung des einfallenden bzw. reflektierten Laserstrahls 10, 10', in der Zeichnung nach links unten, zu den dort angeordneten ersten Fotoempfängern geführt, mit deren Hilfe die Intensität der in das Substrat 12 eintretenden Strahlung gemessen wird, die ein Maß für die Gesamtleistung des Laserstrahls 10 darstellt.When machining a workpiece 31 occurs from the laser beam 10 So a part of the reflective layer 14 in the substrate 12 (please refer 1a ) of the mirror 11 and is in the direction of the incident or reflected laser beam 10 . 10 ' , in the drawing to the bottom left, led to the first photoreceivers arranged there, with the help of which the intensity of the in the substrate 12 Incoming radiation is measured, which is a measure of the total power of the laser beam 10 represents.

In entsprechender Weise wird das am Werkstück 31 reflektierte Laserlicht, also der Rückreflex 32 durch die Fokussieroptik 34 auf den Spiegel 11 gelenkt, wo wiederum ein Teil der Strahlung des Rückreflex 32 in das Substrat 12 des Spiegels 11 eintritt und in der Richtung des Rückreflex, also in der Zeichnung nach rechts oben zu den dort angeordneten zweiten Fotoempfängern 22 für die Rückreflexstrahlung geführt. Die Intensität der in das Substrat 12 eindringenden Strahlung 15' des Rückreflexlichtes 32 stellt in entsprechender Weise ein Maß für die Leistung oder Intensität des Rückreflexes 32 dar.In a similar way, this will happen on the workpiece 31 reflected laser light, so the back reflex 32 through the focusing optics 34 on the mirror 11 directed, where in turn part of the radiation of the back reflex 32 in the substrate 12 of the mirror 11 enters and in the direction of the back reflex, so in the drawing to the top right to the arranged there second photoreceptors 22 led for the back reflection radiation. The intensity of in the substrate 12 penetrating radiation 15 ' of the back reflection light 32 similarly provides a measure of the power or intensity of the back-reflection 32 represents.

Besonders zuverlässige Messergebnisse für die Leistung des Arbeitslaserstrahls bzw. des Rückreflexes werden erhalten, wenn die Fotoempfänger 21, 22 bezüglich spektraler Empfindlichkeit und Kennlinie im Hinblick auf die verwendete Laserstrahlung und den für die Bearbeitung erforderlichen Leistungsbereich abgestimmt sind. Hierbei können, wie erwähnt, zusätzlich Streu- und Sammelelemente eingesetzt werden. Außerdem ist es zweckmäßig zur Vermeidung von Stör- und Streulichteinflüssen Filter vorzusehen.Particularly reliable measurement results for the power of the working laser beam or the back reflection are obtained when the photoreceivers 21 . 22 with regard to the spectral sensitivity and characteristic with regard to the laser radiation used and the power range required for the machining are tuned. Here, as mentioned, in addition scattering and collecting elements are used. In addition, it is expedient to provide filter to avoid interference and stray light influences.

Je nach Wellenlänge des verwendeten Laserstrahlung kann ein entsprechendes schmalbandiges Filter vor den Fotoempfängern 21, 22 angeordnet sein. Wird beispielsweise ein Festkörperlaser zum Beispiel ein Nd:YAG Laser mit einer Wellenlänge von λ = 1064 nm für die Bearbeitung eingesetzt, so ist es zweckmäßig für die Leistungserfassung eine entsprechende Fotodiode, zum Beispiel eine Germaniumfotodiode einzusetzen, die für einen Wellenlängenbereich von 800 bis 1800 nm ausgelegt ist. Derartige Fotodioden sind auf dem Markt erhältlich (zum Beispiel von der Firma Judson Technologies LLC, Montgomeryville, PA 18936, USA). Eine derartige Fotodiode kann dann vorteilhafter Weise mit einem Filter kombiniert werden, das auf die Wellenlänge des verwendeten Laserlichts, im angeführten Beispiel also auf die Wellenlänge λ = 1064 nun abgestimmt ist. Insbesondere sind hierbei als Bandpassfilter ausgelegte dielektrische Indifferenzfilter zweckmäßig. Beispielsweise kann ein Bandpassfilter eingesetzt werden, dessen Transparenz für eine Wellenlänge im Bereich von 1064 ± 3 nm bei über 75% liegt und dessen Halbwärtsbreite ungefähr 17 nm ist. Sollen andere Laserwellenlängen bei der Bearbeitung eingesetzt werden, so sind die Filter und die Fotodioden in ihren spektralem Durchlass- beziehungsweise Empfindlichkeitsbereichen entsprechend an die eingesetzte Laserwellenlänge anzupassen.Depending on the wavelength of the laser radiation used, a corresponding narrow-band filter can be used in front of the photoreceivers 21 . 22 be arranged. If, for example, a solid-state laser, for example a Nd: YAG laser with a wavelength of λ = 1064 nm, is used for processing, then it is expedient for the power detection to use a corresponding photodiode, for example a germanium photodiode, which covers a wavelength range from 800 to 1800 nm is designed. Such photodiodes are available on the market (for example, from Judson Technologies LLC, Montgomeryville, PA 18936, USA). Such a photodiode can then be advantageously combined with a filter which is tuned to the wavelength of the laser light used, in the example given, ie to the wavelength λ = 1064. In particular, dielectric indifference filters designed as bandpass filters are expedient in this case. For example, a bandpass filter can be used whose transparency is over 75% for a wavelength in the range of 1064 ± 3 nm and whose half width is about 17 nm. If other laser wavelengths are to be used during processing, the filters and the photodiodes in their spectral transmission or sensitivity ranges must be adapted correspondingly to the laser wavelength used.

Der Einsatz von Langpass- oder Kurzpassfiltern mit Fotodioden, deren spektrale Empfindlichkeit in einem gewünschten Wellenlängenbereich liegt, ermöglicht es, eine erfindungsgemäße Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Laserstrahls bereitzustellen, die gleichzeitig zur Überwachung von Laserstrahlung verschiedener Wellenlängen aus einem entsprechenden Wellenlängenbereich geeignet ist.The use of long-pass or short-pass filters with photodiodes, whose spectral sensitivity is in a desired wavelength range, makes it possible to provide a device according to the invention for measuring the power of a laser beam, which is also suitable for monitoring laser radiation of different wavelengths from a corresponding wavelength range.

Die vorliegende Erfindung liefert eine einfach aufgebaute Vorrichtung zur Messung der Leistung eines an einem Spiegel reflektierten Lichtlaserstrahls, die platzsparend ohne aufwendige, zusätzliche optische Elemente in einen entsprechenden Strahlengang eingebaut werden kann, so dass keine oder nur geringfügige Modifikationen eines bestehenden Aufbaus erforderlich sind.The present invention provides a device of simple construction for measuring the power of a light laser beam reflected on a mirror, which can be installed in a corresponding beam path to save space without complex, additional optical elements, so that no or only minor modifications of an existing structure are required.

Obwohl die vorstehende Vorrichtung zur Messung der Leistung von Strahlung anhand von Laserstrahlung detailliert erläutert wurde, kann diese Vorrichtung auch dort eingesetzt werden, wo bei der Reflexion von Licht oder anderer optischer Strahlung ein Teil dieser Strahlung in den entsprechenden Spiegel eindringt und in diesem wie in einem Lichtwellenleiter zum Rand des Spiegels geführt wird. Hierbei müssen dann selbstverständlich die entsprechenden Fotoempfänger an de jeweiligen Wellenlängen des Lichtes bzw. der optischen Strahlung angepasst werden.Although the above apparatus for measuring the power of radiation has been explained in detail by means of laser radiation, this device can also be used where, during the reflection of light or other optical radiation, a part of this radiation penetrates into the corresponding mirror and in this as in a Optical fiber is guided to the edge of the mirror. Of course, then the corresponding photoreceptor must be adapted to de respective wavelengths of light or optical radiation.

Claims (11)

Vorrichtung zur Messung der Leistung eines Laserstrahls (10) mit – einem Spiegel (11) mit einem für den Laserstrahl (10) transparenten Substrat (12), das zumindest auf der dem einfallenden Laserstrahl (10) zugewandten Fläche (13) eine reflektierende Schicht (14) aufweist, durch die ein Teil des Laserstrahls (10) in das Substrat (12) eindringt, und – einer an einer Umfangsfläche des Substrats (12) angeordneten Fotoempfängeranordnung, die ein der zu messenden Laserstrahlleistung entsprechendes Ausgangssignal liefert und in Richtung des an der reflektierenden Schicht (14) reflektierten Laserstrahls (10') liegt.Device for measuring the power of a laser beam ( 10 ) with - a mirror ( 11 ) with one for the laser beam ( 10 ) transparent substrate ( 12 ), at least on the incident laser beam ( 10 ) facing surface ( 13 ) a reflective layer ( 14 ), through which a part of the laser beam ( 10 ) in the substrate ( 12 ), and - one on a peripheral surface of the substrate ( 12 ) arranged photoreceiver arrangement which provides an output signal corresponding to the laser beam power to be measured and in the direction of the at the reflective layer ( 14 ) reflected laser beam ( 10 ' ) lies. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) auf seiner rückseitigen Fläche (16) eine reflektierende Schicht (17) aufweist, die insbesondere den gleichen Reflexionsgrad aufweist, wie die reflektierende Schicht (14) auf der dem einfallenden Laserstrahl (10) zugewandten Fläche (13).Device according to claim 1, characterized in that the substrate ( 12 ) on its back surface ( 16 ) a reflective layer ( 17 ), which in particular has the same degree of reflection as the reflective layer ( 14 ) on the incident laser beam ( 10 ) facing surface ( 13 ). Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (12) eine planparallele Platte ist.Device according to claim 1 or 2, characterized in that the substrate ( 12 ) is a plane-parallel plate. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass eine Umfangsfläche (18) des Substrats eine Zylinderfläche ist, deren Zylinderachse mit der optischen Achse (19, 19') des einfallenden oder ausfallenden Laserstrahls (10, 10') parallel ist.Apparatus according to claim 3, characterized in that a peripheral surface ( 18 ) of the substrate is a cylindrical surface whose cylinder axis is aligned with the optical axis ( 19 . 19 ' ) of the incident or failing laser beam ( 10 . 10 ' ) is parallel. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fotoempfängeranordnung einen oder mehrere Fotoempfänger (21, 22), insbesondere eine oder mehrere Fotodioden aufweist, wobei die mehreren Fotoempfänger (21, 22), insbesondere Fotodioden, umfangsmäßig verteilt an der Umfangsfläche (18) des Substrats (12) angeordnet sind.Device according to one of claims 1 to 4, characterized in that the photoreceptor arrangement one or more photoreceivers ( 21 . 22 ), in particular one or more photodiodes, wherein the plurality of photoreceivers ( 21 . 22 ), in particular photodiodes, circumferentially distributed on the peripheral surface ( 18 ) of the substrate ( 12 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein oder mehrere erste sowie ein oder mehrere zweite Fotoempfänger (21 bzw. 22) vorgesehen sind, wobei der oder die ersten Fotoempfänger (21) in einem Umfangsbereich angeordnet sind, der in Richtung des an der reflektierenden Schicht (14) reflektierten Laserstrahls (10') liegt, um die Leistung des einfallenden Laserstrahls (10) zu messen, während der oder die zweiten Fotoempfänger (22) entgegengesetzt dazu angeordnet sind, um die Leistung von Strahlung zu messen, die entgegen der Richtung des an der reflektierenden Schicht (14) reflektierten Laserstrahls (10') einfällt.Apparatus according to claim 5, characterized in that one or more first and one or more second photoreceivers ( 21 respectively. 22 ) are provided, wherein the one or more photoreceivers ( 21 ) are arranged in a peripheral region, which in the direction of the at the reflective layer ( 14 ) reflected laser beam ( 10 ' ) to determine the power of the incident laser beam ( 10 ) while the second photoreceiver (s) ( 22 ) are arranged opposite one another in order to measure the power of radiation which, contrary to the direction of the reflection at the reflective layer ( 14 ) reflected laser beam ( 10 ' ). Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umfangsfläche (18) des Substrats (12) und den Fotoempfängern (21, 22) Streu- oder Sammelelemente (23) für Laserstrahlung aus dem Substrat (12) angeordnet sind.Apparatus according to claim 5 or 6, characterized in that between the peripheral surface ( 18 ) of the substrate ( 12 ) and the photoreceptors ( 21 . 22 ) Scattering or collecting elements ( 23 ) for laser radiation from the substrate ( 12 ) are arranged. Vorrichtung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Umfangsfläche (18) des Substrats (12) und den Fotoempfängern (21, 22) Filter (23') angeordnet sind, die die zu messende Strahlung zu den Fotoempfängern (21, 22) durchlassen.Apparatus according to claim 5, 6 or 7, characterized in that between the peripheral surface ( 18 ) of the substrate ( 12 ) and the photoreceptors ( 21 . 22 ) Filters ( 23 ' ) are arranged, the radiation to be measured to the photoreceptors ( 21 . 22 ). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (11) ein Strahlumlenkspiegel ist, dessen reflektierende Schicht oder Schichten (14, 17) einen Reflexionsgrad von mehr als 95%, insbesondere mehr als 99%, vorzugsweise von mehr als 99,5% aufweisen.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the mirror ( 11 ) is a beam deflecting mirror whose reflective layer or layers ( 14 . 17 ) have a reflectance of more than 95%, in particular more than 99%, preferably more than 99.5%. Vorrichtung einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Spiegel (11) ein Strahlteilerspiegel ist, dessen reflektierende Schicht oder Schichten (14, 17) einen Reflexionsgrad im Bereich von 10 bis 90% aufweisen.Device according to one of claims 1 to 8, characterized in that the mirror ( 11 ) is a beam splitter mirror whose reflective layer or layers ( 14 . 17 ) have a reflectance in the range of 10 to 90%. Laserbearbeitungskopf mit einem Gehäuse (30), einer einen Arbeitsstrahlengang für einen Laserstrahl festlegenden Optik (33, 34), durch die der Laserstrahl (10, 10') auf ein Werkstück (31) fokussiert wird, und mit einer Vorrichtung zur Messung der Leistung des Laserstrahls (10) nach einem der vorstehenden Ansprüche, deren Spiegel (11) im Arbeitsstrahlengang als Umlenkspiegel oder Strahlteilerspiegel angeordnet ist.Laser processing head with a housing ( 30 ), a lens defining a working beam path for a laser beam ( 33 . 34 ), through which the laser beam ( 10 . 10 ' ) on a workpiece ( 31 ) and with a device for measuring the power of the laser beam ( 10 ) according to one of the preceding claims, whose mirror ( 11 ) is arranged in the working beam path as a deflection mirror or beam splitter mirror.

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