DE102022114157B4

DE102022114157B4 - Vorrichtung und Verfahren zur Fokuslagen-Bestimmung mit Berücksichtigung von Prozessgas

Info

Publication number: DE102022114157B4
Application number: DE102022114157.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Stefan Wolf; Johannes Roßnagel; Marc Hänsel; Roman Niedrig
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2022-04-25
Filing date: 2022-06-03
Publication date: 2024-05-23
Anticipated expiration: 2042-06-04
Also published as: DE102022114157A1

Abstract

Strahlanalysevorrichtung (10) zur Bestimmung einer axialen Position eines Fokus (76), für die Bearbeitung eines Werkstücks (150), eines in einer Laserbearbeitungsoptik (100) geführten Energiestrahls (77) aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich eines Laserstrahls, anhand eines Probenstrahls (70), welcher durch Rückreflexion eines Bruchteils des Energiestrahls (77) an einer Grenzfläche (121) eines optischen Elements (120) der Laserbearbeitungsoptik (100) erzeugt ist, wobei der Probenstrahl (70) einen Zwischenfokus (71) aufweist, dessen Fokuslage mit der Position des Fokus (76) gekoppelt ist,wobei die Strahlanalysevorrichtung (10) einen Fokuslagensensor (13) und eine Auswertungseinrichtung (80) umfasst,wobei der Fokuslagensensor (13) eine Strahlformungseinrichtung (12) und einen Detektor (40) umfasst,wobei die Strahlformungseinrichtung (12)- eingerichtet ist zum Empfang eines Probenstrahls (70), und- eingerichtet ist, zur Formung einer Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) zumindest einen Teil des Probenstrahls (70) mittels der Strahlformungseinrichtung (12) auf den Detektor (40) abzubilden,wobei der Detektor (40)- einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor umfasst, welcher zur Umwandlung der auf den Detektor (40) auftreffenden Intensitätsverteilung (79) in elektrische Signale (64) eingerichtet ist,und wobei die Auswertungseinrichtung (80)- eingerichtet ist zur Verarbeitung der elektrischen Signale (64) des Detektors (40), die die Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) repräsentieren,- eingerichtet ist zur Bestimmung eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung (79),- eingerichtet ist zum Empfang eines Schneidgas-Signals (63), welches einen Druck eines Prozessgases oder eines Schneidgases repräsentiert,- eingerichtet ist zur Bestimmung eines Korrekturwertes für den Geometrie-Parameter unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals (63), und- eingerichtet ist zur Bestimmung der axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwertes, wobei die Strahlanalysevorrichtung (13) dazu eingerichtet ist, mittels des Fokuslagensensors (13) die Fokuslage des Zwischenfokus (71) zu ermitteln und daraus die damit gekoppelte Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) zu bestimmen, wobei sich bei einer Änderung einer axialen Lage des Zwischenfokus (71) die Intensitätsverteilung auf dem Detektor (40) und somit auch die Größe des Geometrie-Parameters ändern und die Auswerteeinrichtung (80) schließlich die axiale Position des Fokus (76) bzw. eine Änderung der axialen Position des Fokus (76) aus dem korrigierten Geometrie-Parameter ermittelt.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung der axialen Position eines Fokus eines Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung, der in einer Laserbearbeitungsoptik geführt wird. Der Energiestrahl kann insbesondere ein Laserstrahl sein. Die Laserbearbeitungsoptik kann insbesondere eine Schneidoptik mit einer Schneidgaseinrichtung sein. Die Erfindung stellt insbesondere Vorrichtungen und Verfahren bereit, die eine Bestimmung der Position des Strahlfokus einer Bearbeitungsoptik während eines laufenden Laserbearbeitungsprozesses ermöglichen.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Lasermaterialbearbeitung hat die Einstellung und Kontrolle der axialen Fokuslage des Laserstrahls relativ zu dem zu bearbeitenden Material oder Werkstück einen großen Einfluss auf die Qualität des Bearbeitungsprozesses.
Bei Laserschneid-Prozessen ist nicht nur die Fokus-Position relativ zum Werkstück von Bedeutung, sondern auch der Abstand zwischen Werkstück und Schneiddüse, da die Strömungsdynamik des Schneidgases einen großen Einfluß auf das Resultat des Schneidprozesses hat. Zur Einhaltung eines definierten Abstandes zwischen Werkstück und Schneiddüse ist aus dem Stand der Technik beispielsweise die kapazitive Abstandsmessung und -Regelung bekannt.
Eine Kontrolle und/oder Nachführung des Abstandes zwischen Schneiddüse und Werkstück stellt jedoch nicht gleichzeitig eine definierte axiale Position des Laserstrahlfokus relativ zum Werkstück sicher, da die Fokuslage der Laserbearbeitungsoptik unabhängig davon variieren oder sich ungewollt bzw. unkontrolliert verändern kann.
Bei modernen Laserbearbeitungsanlagen kommen Laser mit einer hohen Brillanz und einer hohen Leistung, oftmals im Bereich von mehreren Kilowatt, zum Einsatz. Aufgrund der Materialeigenschaften in den optischen Elementen von Laserbearbeitungsoptiken führt die hohe Laserleistung zu einer Erwärmung der optischen Elemente. Dadurch wird ein radialer Temperaturgradient in den optischen Elementen erzeugt, der aufgrund der Temperaturabhängigkeit von Materialparametern wie z.B. der Brechzahl in eine Änderung der Brechkraft der optischen Elemente resultiert. Dieser Effekt wird thermischer Fokus-Shift genannt. Der Effekt wird verstärkt durch die bei der Lasermaterialbearbeitung entstehenden Reaktionsprodukte und Partikel verschiedenster Größe, die sich auf der Bearbeitungsoptik oder dem Schutzglas der Bearbeitungsoptik niederschlagen können und zu einer erhöhten Absorption führen. Somit tragen oftmals besonders die Schutzgläser zu einer unerwünschten und unkontrollierten Änderung der Strahlfokus-Position der Bearbeitungsoptik bei.
Darüber hinaus können Laserbearbeitungsoptiken auch Einrichtungen zur gezielten Einstellung oder Variation der axialen Fokuslage aufweisen. Beispielsweise kann ein Teil des Linsensystems der Bearbeitungsoptik, insbesondere der Kollimator oder eine Linse des Kollimator-Objektivs, axial einstellbar angeordnet sein, um die axiale Fokuslage der Optik gezielt einstellen oder auch nachführen zu können.
Es ist daher auch und insbesondere bei Laserschneidoptiken wünschenswert, die axiale Fokuslage während des laufenden Bearbeitungsprozesses messen, kontrollieren, und ggf. nachführen zu können.
Aus dem Stand der Technik sind Vorrichtungen und Bearbeitungsoptiken bekannt, bei denen ein Bruchteil des Laserstrahls aus der Optik ausgekoppelt wird und der ausgekoppelte Strahl auf eine Strahlanalyseeinrichtung gerichtet wird.
Die WO 2021/156 788 A1 offenbart beispielsweise eine Schneidoptik, bei der mittels einem vor der Schneiddüse angeordnetem optischen Element ein Teil des fokussierten Laserstrahls seitlich ausgekoppelt wird und auf einen Wellenfrontsensor gerichtet wird. Die ermittelte Wellenfront wird mit einer Referenz-Wellenfront verglichen. Zur Reduktion von Aberrationen kann die Fokuslage mittels einer verstellbaren Fokussierung geändert werden.
Aus der DE 10 2011 007 176 A1 ist ebenfalls ein Laserbearbeitungskopf bekannt, bei dem die an einem schräggestellten optischen Element, insbesondere einem Schutzglas, rückreflektierte Laserstrahlung auf einen Detektor gerichtet wird, um aus der vom Detektor erfassten Strahlung die Fokusposition zu bestimmen. Mittels einer Einrichtung zur Veränderung der Fokusposition wird weiterhin eine Regelung der Fokusposition zu ermöglicht.
Im Dokument DE 10 2017 131 224 A1 wird eine Erfassung der Strahleigenschaften anhand der Vermessung des ausgekoppelten Reflex an mindestens zwei entlang der Ausbreitungsrichtung zueinander versetzten Orten vorgeschlagen. Aus den ermittelten Strahleigenschaften kann u.a. die Fokuslage bestimmt werden. Zur Erzeugung eines ausgekoppelten Reflexes wird auch hier ein zur Strahlachse geneigtes Schutzglas eingesetzt.
Bei den bekannten Vorrichtungen, bei denen ein Strahlanteil mittels eines schräggestellten optischen Elements im fokussierten Strahl ausgekoppelt wird, ist zu beachten, dass wegen des schräggestellten optischen Elements Aberrationen, beispielsweise Astigmatismus, im fokussierten Strahl erzeugt werden können, was sich ungünstig auf die Qualität des Strahlfokus auswirken kann.
Es ist aus diesem Grund auch vorgeschlagen worden, den vom optischen Element teilreflektierten Strahlanteil zunächst koaxial in das optische System zurück zu reflektieren und den Strahlanteil dann mittels einer zweiten, innerhalb des optischen Systems angeordneten Auskopplungseinrichtung aus dem Strahlengang der Optik auszukoppeln. Das den Rückreflex erzeugende teilreflektierende Element, beispielsweise das Schutzglas, kann dazu folglich senkrecht im fokussierten Strahl angeordnet werden, so das keine Aberrationen im fokussierten Strahl erzeugt werden. Eine derartige Anordnung zur Strahlanalyse ist beispielsweise in der DE 10 2007 053 632 B4 offenbart.
Es sind Laserschneidverfahren bekannt, bei denen im Verlauf des Bearbeitungsprozesses gezielt der Druck eines Prozessgases bzw. Schneidgases sowie zusätzlich oder alternativ die axiale Fokuslage verändert werden. Beispielsweise offenbart die JP H03- 23 091 A die Verwendung eines geringen Drucks des Prozessgases beim Einstechvorgang, während anschließend beim Schneiden ein Prozessgas unter hohem Druck zugeführt wird.
Als Einflüsse auf die Fokuslage einer Bearbeitungsoptik sind somit einerseits insbesondere der thermische Fokus-Shift, und andererseits auch die gezielte Beeinflussung der Fokuslage durch verstellbare optische Elemente bekannt.
Andere wesentliche Einflüsse auf die Fokuslage sind im zuvor genannten Stand der Technik bisher nicht diskutiert oder berücksichtigt worden.
DE 10 2019 004 337 A1 beschreibt ein weiteres System zur Fokuslagen-Kontrolle.
In DE 10 2015 001 421 A1 wird ein Laserstrahl von einem optischen System einer Scanner-Optik für die Materialbearbeitung fokussiert und weist einen LaserstrahlFokus in einem Bearbeitungsbereich für Werkstücke auf. In einen Strahlengang des fokussierten Laserstrahls ist zwischen dem optischen System und dem Bearbeitungsbereich ein Reflektor-Element einbringbar, um mindestens einen Teil des fokussierten Laserstrahls zurück in das optische System zu reflektieren. Dazu weist das Reflektor-Element eine gekrümmte (teil-)reflektierende erste Fläche auf, deren Krümmung gleich einer mittleren Krümmung einer Wellenfront des vom optischen System in einem Positionier-Bereich des Reflektor-Elements ist. Ein Teil dieser zurückreflektierten Strahlung wird durch eine Auskoppeleinrichtung aus dem Hauptstrahlengang des optischen Systems ausgekoppelt und zu einer Strahldiagnose-Einrichtung geleitet, dort fokussiert und formt auf einem ortsaufgelösten Sensor ein Bild des Laserstahl-Fokus. Gemäß einer Ausführungsform kann das Reflektor-Element mittels einer Positionier-Vorrichtung passend zu einer Position des Laserstrahl-Fokus und zur Lage des fokussierten Laserstrahls, welche von der Scanner-Optik eingestellt werden, ausgerichtet werden.
Die bekannten Fokuslagensensoren und Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage sind ungenau, weil die Auswirkungen eines unter Druck stehenden Prozessgases, insbesondere eines Schneidgases, auf die Fokuslage nicht berücksichtig wird.
JP 2017 -213 577 A beschreibt einen Laserbearbeitungskopf mit einer Sammellinse und einem Schutzglas. An einer Spitze des Laserbearbeitungskopfes ist zwischen dem Schutzglas und einer Düse eine Hilfsgaskammer ausgebildet. Über Einlassöffnungen wird Hilfsgas in die Hilfsgaskammer eingelassen. Zusätzlich ist zwischen dem Schutzglas und der Sammellinse eine Druckanpassungskammer ausgebildet, die mit sauberer Luft beaufschlagt wird. Druckeinstellmittel sorgen dafür, dass ein Druck in der Druckanpassungskammer einem Druck in der Hilfsgaskammer angepasst wird, um eine Durchbiegung des Schutzglases innerhalb zulässiger Werte zu halten.
Aus der Offenlegungsschrift US 2020 / 0 361 026 A1 ist eine Laserbearbeitungsanlage mit einem Lasergenerator zur Erzeugung eines Bearbeitungs-Laserstrahls und einem Bearbeitungskopf, der ein Werkstück mit dem Bearbeitungs-Laserstrahl bestrahlt, bekannt. Werkstückseitig endet der Bearbeitungskopf mit einer Düse mit einem Düseninnenraum, welcher mit Prozessgas beaufschlagt werden kann. Ein Schutzglas trennt den Düseninnenraum von einem Optiksystem ab. Der Bearbeitungskopf umfasst genauer ein Laser-Optiksystem für den Bearbeitungs-Laserstrahl, ein zusätzliches Beleuchtungs-Optiksystem und ferner ein Bildaufnahme-Optiksystem. Ein Strahlteiler, eine werkstückseitige Sammellinse und das Schutzglas werden von allen Optiksystemen gemeinsam genutzt. Ein Beleuchtungsabschnitt generiert Beleuchtungslicht, welches durch das Beleuchtungs-Optiksystem geleitet wird und das Werkstück zur Bildaufnahme beleuchtet. Am Werkstück reflektiertes Beleuchtungslicht wird durch das Bildaufnahme-Optiksystem auf einen Detektor abgebildet. Durch Verstellen eines Abstands zwischen einer Aufnahmelinse des Bildaufnahme-Optiksystems und dem Detektor wird die Abbildung der Werkstückoberfläche durch das reflektierte Licht scharf gestellt, auch wenn sich eine Bildaufnahme-Fokusposition aufgrund des Prozessgases verändert. Die scharfe Abbildung der Werkstückoberfläche erlaubt eine genauere Bestimmung einer Bearbeitungsbreite auf dem Werkstück. Wenn die Bearbeitungsbreite in der Abbildung der WerkstückOberfläche nicht mit einem Zielwert übereinstimmt, dann wird eine Sammellinse, die unter anderem den Bearbeitungs-Laserstrahl auf der Seite des Werkstücks fokussiert, zur Kompensation verschoben.
DE 10 2014 011 569 A1 beschreibt ein Verfahren zum Messen eines Abstands zwischen einem Werkstück und einem Bearbeitungskopf einer Laserbearbeitungsvorrichtung. Der Bearbeitungskopf hat ein Gehäuse mit einem Endabschnitt mit einer Düse. Ein Innenraum des Endabschnitts ist optikseitig durch ein Schutzglas begrenzt und wird mit Prozessgas beaufschlagt. Laserstrahlung für die Materialbearbeitung tritt durch den Innenraum hindurch, aus der Düse heraus und gelangt auf das Werkstück. Zusätzlich wird ein Objektstrahl, erzeugt von einer Lichtquelle eines Kohärenztomographen, auf das Werkstück gerichtet und durchtritt vor dem Auftreffen auf das Werkstück den Innenraum. Noch dazu durchtritt ein Messtrahl, ebenfalls erzeugt von der Lichtquelle des Kohärenztomographen, durch den Innenraum und wird an einer reflektierenden Innenfläche der Düse reflektiert und vom Kohärenztomographen detektiert. Eine geometrische Weglänge für den reflektierten Messstrahl ist konstant, aber seine optische Weglänge wird von dem Prozessgas im Innenraum beeinflusst. Der Objektstrahl wird an Werkstück reflektiert. Seine optische Weglänge wird - ähnlich wie für den Messtrahl - von dem Prozessgas im Innenraum beeinflusst. Zusätzlich variieren seine geometrische Weglänge und optische Weglänge mit dem Abstand des Werkstücks von dem Bearbeitungskopf. Dank des zusätzlichen Messtrahls wird die Änderung der optischen Weglänge im Innenraum aufgrund des Prozessgases bei der Abstandsermittlung kompensiert.
Die Vorgehensweisen nach US 2020 / 0 361 026 A1 und DE 10 2014 011 569 A1 sind relativ aufwendig, da Sie jeweils eine zusätzliche Lichtquelle erfordern. Zudem ist in beiden Fällen notwendig, dass Licht vom Bereich der Werkstückoberfläche detektiert wird.
Somit besteht die Aufgabenstellung, insbesondere für Schneidoptiken eine einfache und genaue Bestimmung der Fokuslage zu ermöglichen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe dieser Erfindung, die bekannten Fokuslagensensoren und Verfahren zur Bestimmung einer Fokuslage vorteilhaft fortzubilden und insbesondere die Auswirkungen eines Prozessgases auf die Fokuslagenbestimmung zu kompensieren, und so eine besonders genaue Bestimmung der Fokuslage zu ermöglichen. Es ist auch Aufgabe dieser Erfindung, besonders robuste, genaue, vielseitige und kompakte Vorrichtungen und Verfahren zur Bestimmung der Fokuslage zur Verfügung zu stellen, die an einer Bearbeitungsoptik eingesetzt werden können und die optional eine Regelung der Fokuslage einer Bearbeitungsoptik ermöglichen.
Die Aufgabenstellung wird mit den in den unabhängigen Ansprüchen aufgeführten Merkmalen gelöst.
Das oben genannte Problem wird gelöst durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Dazu ist erfindungsgemäß eine Strahlanalysevorrichtung zur Bestimmung einer axialen Position eines Fokus vorgesehen, die einen Fokuslagensensor und eine Auswertungseinrichtung umfasst. Dabei ist der Fokus ein Fokus eines in einer Laserbearbeitungsoptik geführten Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung. Der Fokuslagensensor enthält eine Strahlformungseinrichtung und einen Detektor.
Die Strahlformungseinrichtung ist eingerichtet zum Empfang eines Probenstrahls. Die Strahlformungseinrichtung ist weiterhin dazu eingerichtet, zumindest einen Teil des Probenstrahls mittels der Strahlformungseinrichtung auf den Detektor abzubilden zur Formung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor.
Der Detektor umfasst einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor, der zur Umwandlung der auf den Detektor auftreffenden Intensitätsverteilung in elektrische Signale eingerichtet ist.
Die Auswertungseinrichtung ist eingerichtet zur Verarbeitung der elektrischen Signale des Detektors, welche die Intensitätsverteilung auf dem Detektor repräsentieren. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zum Empfang eines Schneidgas-Signals, welches einen Druck eines Prozessgases oder eines Schneidgases repräsentiert. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung eines Korrekturwertes unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals. Die Auswertungseinrichtung ist weiterhin eingerichtet zur Bestimmung der axialen Position des Fokus des Energiestrahls unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwertes.
Die Strahlanalysevorrichtung gemäß Anspruch 1 besitzt den Vorteil, dass Änderungen der Fokuslage, die durch ein Prozessgas oder ein Schneidgas insbesondere unter variierendem und/oder hohem Druck verursacht werden, durch Berücksichtigung eines Schneidgas-Signals bei der Bestimmung der Fokuslage kompensiert werden, und auf diese Weise eine wesentlich genauere und zuverlässigere Bestimmung der Fokuslage während eines laufenden Bearbeitungsprozesses erreicht wird.
Vorteilhafte Ausführungsformen werden durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Merkmale definiert.
Die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung kann optional durch eines oder durch mehrere der nachfolgend aufgeführten Merkmale weitergebildet werden.
Der Probenstrahl kann erzeugbar sein durch Rückreflexion eines Bruchteils des Energiestrahls an einer Grenzfläche eines optischen Elements der Laserbearbeitungsoptik. Das optische Element kann an einen Hohlraum einer Schneidgaseinrichtung der Laserbearbeitungsoptik angrenzen. Der Probenstrahl kann mittels einer Auskopplungseinrichtung aus der Laserbearbeitungsoptik auskoppelbar sein. Der Probenstrahl kann der Strahlformungseinrichtung der Strahlanalysevorrichtung zuführbar sein. Das Schneidgas-Signal kann einen momentanen Druck eines Prozessgases oder Schneidgases im Hohlraum der Schneidgaseinrichtung repräsentieren.
Die Strahlformungseinrichtung und der Detektor können gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sein, welches eine Öffnung zum Einführen des Probenstrahls aufweist. Dabei kann das Gehäuse mit der Laserbearbeitungsoptik verbindbar sein, so dass der mittels der Auskopplungseinrichtung auskoppelbare Probenstrahl der Strahlformungseinrichtung zuführbar ist.
Bei einer Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Auswertungseinrichtung eine Eingabeeinheit für das Schneidgas-Signal, eine Eingabeeinheit für das Detektor-Signal, eine Speichereinheit, und eine Berechnungseinheit umfassen.
Die Auswertungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die Bestimmung des Korrekturwertes unter Berücksichtigung von Kalibrationsdaten durchzuführen, welche in der Speichereinheit abgelegt sind. Dabei können die Kalibrationsdaten eine Änderung des Geometrie-Parameters in Abhängigkeit des Schneidgas-Signals beschreiben.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Auswertungseinrichtung eingerichtet sein zum Empfang eines Linsenpositions-Signals, welches die axiale Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik repräsentiert. Weiterhin kann die Auswertungseinrichtung eingerichtet sein zur Bestimmung der axialen Position des Fokus des Energiestrahls unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters, des Korrekturwerts, und des Linsenpositions-Signals.
Die Auswertungseinrichtung kann eine Eingabeeinheit für das Linsenpositions-Signal umfassen.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Auswertungseinrichtung eingerichtet sein zur Berechnung eines Fokus-Nachführ-Signals aus der bestimmten axialen Position des Fokus des Energiestrahls, die eine Fokus-Ist-Position ist, und aus einer Fokus-Soll-Position. Weiterhin kann die Auswertungseinrichtung eingerichtet sein zur Ausgabe des Fokus-Nachführ-Signals, welches direkt oder über eine übergeordnete Steuerungseinrichtung an eine Stelleinrichtung übergeben werden kann. Dabei kann mittels der Stelleinrichtung eine Position einer axial positionierbaren Linse der Laserbearbeitungsoptik einstellbar sein.
Die Auswertungseinrichtung kann eine Ausgabeeinheit für das Fokus-Nachführ-Signal umfassen.
Die Strahlformungseinrichtung kann eine Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer optischen Linse umfassen.
Bei einer möglichen Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Strahlformungseinrichtung eingerichtet sein zur Abbildung des Probenstrahls auf den Detektor und zur Formung der Intensitätsverteilung auf dem Detektor mit einem Strahlfleck, der einen Durchmesser fÖ aufweist. Die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung kann eine Bestimmung des Durchmessers fÖ des Strahlflecks auf dem Detektor umfassen.
Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Strahlformungseinrichtung ein Linsenarray umfassen zur Abbildung des Probenstrahls auf den Detektor und zur Formung der Intensitätsverteilung auf dem Detektor mit einer Vielzahl von Strahlflecken, die Abstände a_N1, a_N2, ... a_NM zueinander aufweisen. Dabei kann die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung eine Bestimmung wenigstens eines der Abstände a_N1, a_N2, ... a_NM der Strahlflecke zueinander beinhalten.
Bei noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung kann die Strahlformungseinrichtung eine Modulationseinrichtung umfassen zur Herauslösung von zwei Teilstrahlen aus dem Probenstrahl. Die Strahlformungseinrichtung kann weiterhin eingerichtet sein zur Abbildung der zwei Teilstrahlen auf den Detektor zur Formung der Intensitätsverteilung auf dem Detektor mit zwei Strahlflecken, die einen Abstand a zueinander aufweisen. Dabei kann die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung eine Bestimmung des Abstandes a der Strahlflecke zueinander beinhalten.
Es ist auch eine Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung vorgesehen, bei der die Strahlformungseinrichtung eingerichtet sein kann, aus dem Probenstrahl in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung zwei Teilstrahlen herauszulösen. Die zwei Teilstrahlen sind ein erster Teilstrahl und ein zweiter Teilstrahl, Dabei sind Querschnitte der zwei Teilstrahlen in der Ebene der Teilstrahlherauslösung durch jeweils eine Teilapertur definiert. Die Teilaperturen sind voneinander abgegrenzt. Mittelpunkte der Teilaperturen weisen einen Abstand k zueinander auf. Dabei ist durch den Abstand k der Teilaperturen eine erste laterale Richtung definiert. Der Begriff „lateral“ bezieht sich dabei auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse. Die Strahlformungseinrichtung kann weiterhin eingerichtet sein, zur Formung der Intensitätsverteilung auf dem Detektor mit Strahlflecken und zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck aus dem ersten Teilstrahl und wenigstens einem Strahlfleck aus dem zweiten Teilstrahl, die zwei Teilstrahlen auf den Detektor abzubilden. Dabei kann der Detektor entlang einer Propagationsstrecke für die Teilstrahlen in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung angeordnet sein. Dabei kann die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung eine Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung zwischen Positionen der beiden Strahlflecke auf dem Detektor beinhalten.
Die Strahlformungseinrichtung kann eingerichtet sein, mindestens einen der wenigstens zwei Teilstrahlen in einer zweiten lateralen Richtung abzulenken und/oder zu versetzen zur Ausbildung eines Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor. Dabei ist die zweite laterale Richtung quer zur ersten lateralen Richtung ausgerichtet.
Mit anderen Worten kann die Strahlformungseinrichtung dazu eingerichtet sein, in der Ebene der Teilstrahlherauslösung die (mindestens zwei) Teilaperturen zum Herauslösen von jeweils einem Teilstrahl auszubilden. Die Strahlformungseinrichtung kann mit anderen Worten dazu eingerichtet sein, dass der Strahlfleck des einen der wenigstens zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck des anderen der wenigstens zwei Teilstrahlen auf dem Detektor aufgrund des Abstands k (in der ersten lateralen Richtung in der Ebene der Teilstrahlherauslösung) auf dem Detektor entlang der ersten lateralen Richtung am Detektor den Abstand a zueinander ausbilden, wobei der Abstand a unter anderem von der axialen Position des Strahlfokus abhängt.
Ferner kann die Strahlformungseinrichtung mit anderen Worten dazu eingerichtet sein, dass der Strahlfleck des einen der wenigstens zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck des anderen der wenigstens zwei Teilstrahlen auf dem Detektor aufgrund des Ablenken und/oder Versetzen von mindestens einem der beiden Teilstrahlen zusätzlich entlang der zweiten lateralen Richtung am Detektor um den Abstand w zueinander versetzt werden, wobei die zweite laterale Richtung am Detektor quer zu der ersten lateralen Richtung am Detektor ist. Der Abstand a kann unter Umständen klein oder sogar null werden. Durch den zusätzlichen Abstand w der beiden Strahlflecken auf Detektor sind die beiden Strahlflecken selbst in einem solchen Fall noch unterscheidbar. Beispielsweise kann die Strahlformungseinrichtung derart eingerichtet sein, dass der Abstand w so groß ist, dass sich die beiden Strahlflecken auch in dem Fall, dass der Abstand a null wird, nur teilweise (oder bevorzugt nicht) überlappen.
Es ist weiterhin eine Strahlanalysevorrichtung vorgesehen, bei der die erste laterale Richtung und die lokale optische Achse zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung und dem Detektor durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung geändert sein kann.
Die Strahlformungseinrichtung kann dazu eingerichtet sein, die zwei Teilstrahlen relativ zueinander abzulenken und/oder zu versetzen. Dabei kann eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der beiden Teilstrahlen entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet sein, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor.
Die Strahlformungseinrichtung kann eine Strahlseparatoreinrichtung mit wenigstens einem Teilstrahlablenkelement umfassen zur Ablenkung und/oder Versetzung eines ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen in der zweiten lateralen Richtung zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor.
Die optionale Strahlseparatoreinrichtung kann auch wenigstens zwei Teilstrahlablenkelemente umfassen zur Ablenkung und/oder Versetzung der zwei Teilstrahlen relativ zueinander. Dabei ist eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der beiden Teilstrahlen entlang der zweiten lateralen Richtung ausgerichtet, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung zwischen den zwei Strahlflecken auf dem Detektor.
Die optionale Strahlseparatoreinrichtung kann wenigstens eine Keilplatte als Teilstrahlablenkelement beinhalten, die in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen angeordnet sein kann, und die zur Ablenkung des von der Teilapertur herausgelösten Teilstrahls um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° eingerichtet ist.
Die optionale Strahlseparatoreinrichtung kann wenigstens eine verkippte Planplatte oder ein Prisma als Teilstrahlablenkelement beinhalten, die/das in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen angeordnet sein kann, und die/das zur Versetzung des von der Teilapertur herausgelösten Teilstrahls um einen Betrag im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm eingerichtet ist.
Die Auswertungseinrichtung kann weiterhin eingerichtet sein zur Bestimmung einer lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung auf dem Detektor und eingerichtet sein zur Berechnung einer lateralen Position des Fokus des Energiestrahls aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung und/oder zur Berechnung einer Änderung der lateralen Position des Fokus des Energiestrahls aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung.
Es kann weiterhin ein System vorgesehen sein, welches eine Strahlanalysevorrichtung und eine Laserbearbeitungsoptik zur Führung und zur Fokussierung des Energiestrahls umfasst. Dabei kann die Bearbeitungsoptik eine Auskopplungseinrichtung zur Auskopplung des Probenstrahls umfassen. Weiterhin kann die Strahlanalysevorrichtung zum Empfang des ausgekoppelten Probenstrahls mit der Bearbeitungsoptik verbindbar sein.
Das oben genannte Problem wird außerdem gelöst durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 24.
Dazu ist erfindungsgemäß auch ein Strahlanalyseverfahren zur Bestimmung einer axialen Position eines Fokus vorgesehen. Dabei ist der Fokus ein Fokus eines in einer Laserbearbeitungsoptik geführten Energiestrahls aus elektromagnetischer Strahlung. Das Verfahren umfasst unter anderem die folgenden Schritte:

- Empfangen eines aus der Laserbearbeitungsoptik ausgekoppelten Probenstrahls,
- Abbilden zumindest eines Teils des Probenstrahls mittels einer Strahlformungseinrichtung auf einen Detektor zur Bildung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor,
- Umwandeln der auf den Detektor auftreffenden Intensitätsverteilung in elektrische Signale mittels eines lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensors des Detektors,
- Verarbeiten der elektrischen Signale des Detektors, die die Intensitätsverteilung auf dem Detektor repräsentieren,
- Bestimmen eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung,
- Empfangen eines Schneidgas-Signals, welches einen Druck eines Prozessgases oder Schneidgases repräsentiert,
- Bestimmen eines Korrekturwertes unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals, und
- Bestimmen der axialen Position des Fokus des Energiestrahls unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwertes.

Das erfindungsgemäße Strahlanalyseverfahren kann durch einen oder durch mehrere der nachfolgend aufgeführten optionalen Schritte weitergebildet werden.
Ein mögliches Strahlanalyseverfahren kann zusätzlich die folgenden drei Schritte umfassen:

- Erzeugen des Probenstrahls durch Rückreflexion eines Bruchteils des Energiestrahls an einer Grenzfläche eines optischen Elements der Laserbearbeitungsoptik. Dabei kann das optische Element an einen Hohlraum einer Schneidgaseinrichtung der Laserbearbeitungsoptik angrenzen.
- Auskoppeln des Probenstrahls mittels einer Auskopplungseinrichtung aus der Laserbearbeitungsoptik.
- Zuführen des ausgekoppelten Probenstrahls zur Strahlanalysevorrichtung.

In einem weiteren Schritt kann die Bestimmung des Korrekturwertes unter Berücksichtigung von Kalibrationsdaten erfolgen. Dabei können die Kalibrationsdaten eine Änderung des Geometrie-Parameters in Abhängigkeit des Schneidgas-Signals beschreiben.
Ein weiteres mögliches Verfahren kann die folgenden zwei Schritte umfassen:

- Empfangen eines Linsenpositions-Signals, welches die axiale Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik repräsentiert.
- Bestimmen der axialen Position des Fokus des Energiestrahls unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters, des Korrekturwerts, und des Linsenpositions-Signals.

Noch ein weiteres mögliches Verfahren kann die folgenden zwei Schritte umfassen:

- Berechnen eines Fokus-Nachführ-Signals aus der bestimmten axialen Position des Fokus des Energiestrahls, die eine Fokus-Ist-Position ist, und aus einer Fokus-Soll-Position.
- Bereitstellen und Übergeben des Fokus-Nachführ-Signals an eine Stelleinrichtung, mittels der eine Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik einstellbar ist.

Die mit Bezug auf die Vorrichtung beschriebenen Merkmale, Ausführungsformen, Modifikationen und Vorteile gelten entsprechend für das Verfahren und umgekehrt.
BESCHREIBUNG DER FIGUREN
1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlanalysevorrichtung 10. Die Strahlanalysevorrichtung 10 beinhaltet einen Fokuslagensensor 13 und eine Auswertungseinrichtung 80. Der Fokuslagensensor 13 beinhaltet eine Strahlformungseinrichtung 12 und einen Detektor 40. Die Strahlformungseinrichtung 12 ist eingerichtet zum Empfang eines Probenstrahls 70, der entlang einer lokalen optischen Achse 11 propagiert. Die Strahlformungseinrichtung 12 und der Detektor 40 können gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sein, welches eine Öffnung zum Einführen des Probenstrahls 70 aufweist. Der Probenstrahl 70 weist einen Zwischenfokus 71 auf. Mittels der Strahlformungseinrichtung 12 wird zumindest ein Teil des Probenstrahls 70 auf den Detektor 40 abgebildet zur Formung einer Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40. Die Strahlformungseinrichtung 12 kann zu diesem Zweck eine optische Linse beinhalten, wie in der Figur mit einer typischen Linsenform angedeutet ist. Die Intensitätsverteilung 79 weist wenigstens eine spezifische geometrische Eigenschaft auf, beispielsweise einen Durchmesser eines Strahlflecks und/oder einen Abstand zwischen zwei Strahlflecken in der Intensitätsverteilung 79. Der Detektor 40 beinhaltet einen strahlungsempfindlichen zweidimensional auflösenden Sensor, welcher die Intensitätsverteilung 79 in ein elektrisches Signal 64 umwandelt. Die Auswertungseinrichtung 80 beinhaltet eine Eingabeeinheit 84 für das Detektor-Signal 64, eine Speichereinheit 81, eine Berechnungseinheit 86, und eine Eingabeeinheit 83 für ein Schneidgas-Signal 63. Das Schneidgas-Signal 63 kann wenigstens zwei unterschiedliche Zustände oder Werte aufweisen, die zwei verschiedene Drücke eines Schneidgases in einer Schneidgas-Einrichtung repräsentieren. Die Berechnungseinheit 86 ist dazu eingerichtet, auf die Daten der Eingabeeinheit 84 für das Detektor-Signal 64, auf die Daten der Speichereinheit 81, und auf die Daten der Eingabeeinheit 83 für das Schneidgas-Signal 63 zuzugreifen. Mittels der Berechnungseinheit 86 bestimmt die Auswertungseinrichtung 80 einen Geometrie-Parameter aus der Intensitätsverteilung 79, welcher die spezifische geometrische Eigenschaft der Intensitätsverteilung repräsentiert. Der Geometrie-Parameter kann also beispielsweise der Durchmesser eines Strahlflecks oder der Abstand zwischen zwei Strahlflecken in der Intensitätsverteilung 79 sein. Mittels der Berechnungseinheit 86 ermittelt die Auswertungseinrichtung 80 weiterhin einen Korrekturwert unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals 63. Schließlich bestimmt die Berechnungseinheit 86 unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwerts die axiale Position eines Strahlfokus. Bei dem Strahlfokus kann es sich um den Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 handeln oder um einen Energiestrahl-Fokus einer Bearbeitungsoptik, dessen Fokuslage mit der Position des Zwischenfokus 71 gekoppelt ist. Der Probenstrahl 70 ist zu diesem Zweck in der Bearbeitungsoptik durch Teilreflexion aus einem Energiestrahl oder Laserstrahl erzeugbar und aus der Bearbeitungsoptik auskoppelbar. In der Figur ist weiterhin mit gestrichelten Linien ein axial verschobener Probenstrahl 70' mit einem entsprechend verschobenen Zwischenfokus 71' skizziert. Bei einer Änderung der axialen Lage des Zwischenfokus 71 ändert sich infolge der Abbildung mittels der Strahlformungseinrichtung 12 auch die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 und somit auch die Größe des Geometrie-Parameters.
2 zeigt die gleiche Strahlanalysevorrichtung 10, die bereits in 1 dargestellt ist und oben beschrieben wurde. Gleiche Bezugszeichen beziehen sich dabei auf die gleichen Elemente und Merkmale wie in der 1, so dass auf die dazugehörige Beschreibung verwiesen wird. In der 2 ist zum besseren Verständnis der Funktionsweise der Erfindung die Anwendung der Strahlanalysevorrichtung 10 in Verbindung mit einer Bearbeitungsoptik 100 dargestellt. Das optische Systems der Bearbeitungsoptik 100 beinhaltet eine Kollimatoroptik 113, eine Auskopplungseinrichtung 115, eine Fokussieroptik 116, sowie ein Schutzglas 120, die entlang einer optischen Achse 111 angeordnet sind. Über ein Lichtleitkabel wird der Bearbeitungsoptik 100 ein Energiestrahl, insbesondere ein Laserstrahl 77 zugeführt. Der Laserstrahl 77 wird vom Lichtleitfaser-Ende 110 des Lichtleitkabels emittiert und von der Kollimatoroptik 113 kollimiert. Der kollimierte Laserstrahl 77 durchläuft die Auskopplungseinrichtung 115 und wird dann von der Fokussieroptik 116 in einen Energiestrahl-Fokus 76 fokussiert. Mit dem Energiestrahl-Fokus 76 kann ein Werkstück 150 bearbeitet, insbesondere geschnitten werden. Zwischen der Fokussieroptik 116 und dem Energiestrahl-Fokus 76 ist das Schutzglas 120 angeordnet. Die dargestellte Bearbeitungsoptik 100 ist insbesondere eine Schneidoptik. Die Bearbeitungsoptik 100 weist daher eine Schneidgaseinrichtung 140 auf. Mittels der Schneidgaseinrichtung 140 wird dem Schneidprozess ein Prozessgas oder Schneidgas 146 zugeführt, welches unter anderem dazu dient, die Schmelze aus dem Schnittspalt herauszublasen. Dazu besitzt die Schneidgaseinrichtung 140 einen Hohlraum 141, der sich vom Schutzglas 120 bis zu einer Schneiddüse 142 erstreckt. Das Schneidgas 146 wird über eine Schneidgaszuführung 143 dem Hohlraum 141 zugeführt, und verlässt den Hohlraum 141 durch die Bohrung der Schneiddüse 142 koaxial zum fokussierten Laserstrahl 77. An der einer Grenzfläche 121 des Schutzglases 120, insbesondere an der äußeren Grenzfläche 121, die dem Werkstück 150 zugewandt ist und die an den Hohlraum 141 der Schneidgaseinrichtung 140 angrenzt, wird ein Bruchteil des Laserstrahls 77 koaxial in die Bearbeitungsoptik 100 zurückreflektiert. Der zurückreflektierte Anteil des Laserstrahls 77 bildet den Probenstrahl 70. Zu Erzeugung des Probenstrahls 70 kann die Rest-Reflexion einer auf der Grenzfläche 121 befindlichen Antireflex-Beschichtung ausgenutzt werden. Der Probenstrahl 70 stellt also ein Spiegelbild des Energiestrahls 77 mit stark herabgesetzter Leistung dar und weist folglich die spiegelbildlichen geometrischen Eigenschaften des Energiestrahls 77 auf. Der Probenstrahl 70 besitzt einen Zwischenfokus 71, der somit ein Spiegelbild des Energiestrahl-Fokus 76 ist. Das bedeutet, dass Änderungen der axialen Fokuslage 76 eine proportionale Änderung des gespiegelten Fokus bzw. Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70 zur Folge haben. Der Probenstrahl 70 wird mittels des Strahlauskopplers 115 aus der Bearbeitungsoptik 100 ausgekoppelt und verlässt die Bearbeitungsoptik an einem Strahl-Ausgang. An diesem Strahl-Ausgang ist das Gehäuse der Strahlanalysevorrichtung 10 mit dem Fokuslagensensor 13 angekoppelt. Der Strahlauskoppler 115 kann beispielsweise ein schräggestelltes teilreflektierendes Element umfassen. Das teilreflektierende Element der Auskopplungseinrichtung 115 kann eine Antireflex-beschichtete transparente Planplatte sein. Mittels des Fokuslagensensors 13 wird die Fokuslage im Probenstrahl 70 ermittelt, also die Fokuslage des Zwischenfokus 71, und daraus wird die damit gekoppelte Position des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 77 bestimmt. Die Schneidgaseinrichtung 140 weist in diesem Ausführungsbeispiel einen Gasdruck-Sensor 62 auf, der beispielsweise in einer Nische des Hohlraums 141 der Schneidgaseinrichtung 140 angeordnet sein kann. Der Gasdruck-Sensor 62 misst den Druck im Hohlraum 140 und liefert das Ergebnis der Druckmessung als Schneidgas-Signal 63 an die Auswertungseinrichtung 80. Der Gasdruck-Sensor 62 kann zu diesem Zweck über eine Datenverbindung direkt mit der Eingabeeinheit 83 der Auswertungseinrichtung 80 verbunden sein. Es ist auch möglich, dass der Gasdruck-Sensor 62 mit einer übergeordneten Steuerung, beispielsweise einer Anlagensteuerung, verbunden ist und das Druck-Messergebnis der übergeordneten Steuerung bereitstellt. In diesem Fall ist dann die Eingabeeinheit 83 der Auswertungseinrichtung 80 über eine Datenverbindung mit der übergeordneten Steuerung verbunden und bezieht von dort das Schneidgas-Signal 63.
In 3 ist der Strahlenverlauf nach der Fokussieroptik 116 der Bearbeitungsoptik 100 schematisch dargestellt. Es sind insbesondere die Auswirkungen eines unter Druck stehenden Schneidgases 146 auf den Strahlenverlauf des Energiestrahls 77 und auf den Strahlenverlauf des Probenstrahls 70 dargestellt. Für eine ausführliche Beschreibung der Schneidgaseinrichtung 140 wird auf die Beschreibung in 2 verwiesen. Das Schneidgas 146 wird über eine Schneidgaszuführung 143 dem Hohlraum 141 zugeführt, und verlässt den Hohlraum 141 durch die Bohrung der Schneiddüse 142 koaxial zum fokussierten Laserstrahl 77. Das Schneidgas 146 steht dabei unter einem hohen Druck p' und weist deshalb eine erhöhte Brechzahl n' auf. Durch die Erhöhung der Brechzahl n innerhalb des Hohlraums 141 wird der Laserstrahl 77 gebrochen, das heißt, es ändert sich der optische Weg innerhalb des Hohlraumes 141, wodurch dessen axiale Fokuslage 76 verschoben wird. Der Abstand zwischen dem Schutzglas 120 und der Soll-Fokuslage 76 ist als Strecke L gekennzeichnet. Dies entspricht gleichzeitig ungefähr der Länge des Strahlwegs, den der Laserstrahl in dem unter Druck stehenden Hohlraum 141 durchläuft. Da die Brechzahl des unter Druck stehenden Schneidgases größer ist als bei Normaldruck, liegt der verschobene Energiestrahl-Fokus 76' weiter weg von der Fokussieroptik 116. Der Energiestrahl-Fokus 76 ist um einen axialen Betrag Δz_F verschoben. Wenn das Schutzglas vollkommen starr wäre, würde sich die Position des Zwischenfokus 71 im Probenstrahl dabei nicht ändern. Tatsächlich besitzt aber jedes Material eine, wenn auch geringe, Elastizität. Deswegen erleidet das unter dem Druck des Schneidgases 146 stehende Schutzglas 120 eine geringfügige Durchbiegung, so dass die Grenzfläche 121 eine sehr schwache Krümmung aufweist. Damit verschiebt sich auch der Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 hin zu einem verschobenen Probenstrahl 70' mit einem verschobenen Zwischenfokus 71'. Der Zwischenfokus 71 ist somit um einen axialen Betrag Δz_PS verschoben. Der Verschiebungsbetrag Δz_PS des Zwischenfokus 71 hat im allgemeinen eine andere Größe als der Verschiebungsbetrag Δz_F des Energiestrahl-Fokus 76. Beide Verschiebungsbeträge Δz_F und Δz_PS sind näherungsweise proportional zur Höhe des Schneidgas-Drucks p. Indem die Auswertungseinrichtung 80 der Strahlanalysevorrichtung 10 das Schneidgas-Signal 63 berücksichtigt, kann die Abweichung zwischen den beiden Verschiebungsbeträgen Δz_F und Δz_PS kompensiert werden und auf diese Weise die wirkliche Position des Energiestrahl-Fokus 76 genauer bestimmt werden.
4 zeigt ebenso wie 3 den Strahlenverlauf nach der Fokussieroptik 116 der Bearbeitungsoptik 100. Im Unterschied zur Darstellung von 3 ist in 4 eine Situation dargestellt, bei der ein Schneidgas 146 unter hohem Druck zugeführt wird, und außerdem infolge einer geringen Absorption des Energiestrahls 77 im Schutzglas 120 die Temperatur T des Schutzglases 120 gegenüber der Umgebungstemperatur T₀ erhöht ist, wodurch im Schutzglas 120 ein thermischer Fokus-Shift entsteht. Der thermische Fokus-Shift wirkt wie eine schwache zusätzliche Brechkraft, so dass der verschobene Energiestrahl-Fokus 76' in diesem Beispiel näher zur Fokussieroptik 116 gewandert ist. Auch der Abstand des Zwischenfokus 71 zum Schutzglas wird dadurch verkürzt. Allerdings durchläuft der Probenstrahl 70 das Schutzglas 120 nach der Reflexion an der Grenzfläche 121 ein zweites Mal, so dass die Auswirkung der thermischen Linse im Schutzglas 120 auf den Probenstrahl 70 ungefähr doppelt so groß ist wie die Auswirkung auf den Energiestrahl 77. Das bedeutet, dass der Verschiebungsbetrag Δz_PS des Zwischenfokus 71 in diesem Fall größer ist als der Verschiebungsbetrag Δz_F des Energiestrahl-Fokus 76.
In der 5 ist eine Strahlanalysevorrichtung 10 wie in 1 in Verbindung mit einer Bearbeitungsoptik 100 wie in 2 dargestellt. In der 5 ist schematisch gezeigt, wie sich der Strahlenverlauf von Laserstrahl 77 und Probenstrahl 70 ändern, wenn das Schneidgas 146 unter hohem Druck p zugeführt wird. Es ergibt sich dann insbesondere eine andere Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 des Fokuslagensensors 13.
Bei der in 6 gezeigten Strahlanalysevorrichtung 10 weist die Auswertungseinrichtung 80 zusätzlich eine Eingabeeinheit 85 für ein Linsenpositions-Signal 65 auf. Ansonsten entspricht die Strahlanalysevorrichtung 10 der Vorrichtung aus 1, 2 und 5. Es wird auf die entsprechenden Beschreibungen verweisen. Die Bearbeitungsoptik 100 beinhaltet in diesem Beispiel eine mittels einer Stelleinrichtung 105 axial einstellbare Kollimatoroptik oder Kollimatorlinse 113 zur gezielten Einstellung der Position des Energiestrahl-Fokus 76. Da sich mit der Stellung des Kollimators die Abbildungseigenschaften des gesamten optischen Systems der Bearbeitungsoptik 100 geringfügig ändern können, wird mit einer Berücksichtigung des Linsenpositions-Signals 65 bei der Bestimmung der Fokuslage durch die Auswertungseinrichtung 80 die Genauigkeit der bestimmten Fokuslagen-Position verbessert.
Die in 7 gezeigte Strahlanalysevorrichtung 10 weist zusätzlich eine Ausgabeeinheit 87 für ein Fokus-Nachführ-Signal 67 auf. Ansonsten entspricht die Strahlanalysevorrichtung 10 der Vorrichtung aus 6. In dieser Ausführungsform ist die Auswertungseinrichtung 80 eingerichtet zur Berechnung eines Fokus-Nachführ-Signals 67 aus der bestimmten axialen Position des Fokus 76 des Energiestrahls 77 als Fokus-Ist-Position, und aus einer vorgegebenen Fokus-Soll-Position. Die Fokus-Soll-Position kann auch eine zuvor ermittelte Fokuslagen-Position sein oder eine bei optimalen Bedingungen ermittelte Fokuslagen-Position. Das Fokus-Nachführ-Signal 67 wird direkt oder alternativ über eine übergeordnete Steuerungseinrichtung, beispielsweise einer Anlagensteuerung, an die Stelleinrichtung 105 übergeben, mittels der die Position einer axial positionierbaren Linse der Laserbearbeitungsoptik 100, in diesem Fall die Kollimatoroptik 113, einstellbar ist. Auf diese Weise wird mittels der in der Genauigkeit verbesserten Bestimmung der Fokuslage eine besonders präzise Regelung der Fokuslage des Energiestrahl-Fokus 76 realisiert.
8 zeigt eine Strahlanalysevorrichtung 10 ähnlich der in 7 beschriebenen Vorrichtung mit einem ersten Ausführungsbeispiel für den Fokuslagensensor 13. Bei der ersten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 beinhaltet die Strahlformungseinrichtung 12 eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51. Die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor weist infolge der Abbildung mit der Linse 51 einen Strahlfleck 91 auf, dessen Durchmesser fÖ von der Auswertungseinrichtung 80 als Geometrie-Parameter bestimmt wird.
9 zeigt für die Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß 8 mit der ersten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 schematisch die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 mit einem Strahlfleck 91. Der Strahlfleck 91 hat einen Durchmesser fÖ. Bei einer veränderten axialen Fokuslage des Energiestrahl-Fokus 76 hat der geänderte Strahlfleck 91' einen veränderten Durchmesser Ø', in diesem Beispiel einen vergrößerten Durchmesser.
In 10 ist eine Strahlanalysevorrichtung 10 mit einem zweiten Ausführungsbeispiel des Fokuslagensensors 13 dargestellt. Auch hier ist die Verwendung der Strahlanalysevorrichtung 10 an einer typischen Bearbeitungsoptik 100 dargestellt, deren Aufbau der in der 7 gezeigten Bearbeitungsoptik 100 entspricht. Für die Beschreibung der Bearbeitungsoptik 100 wird daher auf die Beschreibungen in den 2 und 7 verwiesen. Der Fokuslagensensor 13 beinhaltet in diesem zweiten Ausführungsbeispiel ein Linsenarray 56 mit einer Vielzahl von in einer Ebene seitlich nebeneinander angeordneten Einzellinsenelementen 57. Die Strahlformungseinrichtung 12 kann optional eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51 umfassen. Jedes vom Probenstrahl 70 beleuchtete Einzellinsenelement 57 bildet jeweils einen kleinen Apertur-Ausschnitt des Probenstrahls 70 auf den Detektor 40 ab. Folglich wird auf dem Detektor 40 eine Intensitätsverteilung 79 mit einer Vielzahl von einzelnen Strahlflecken erzeugt, die Abstände a_N1 ... a_NM zueinander aufweisen. Die Abstände a_N1 ... a_NM der Strahlflecken variieren in Abhängigkeit der axialen Position des Zwischenfokus 71 und damit mit der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76. Die Auswertungseinrichtung 80 nutzt in diesem Beispiel einen oder mehrere der Abstände a_N1 ... a_NM der Strahlflecken als Geometrie-Parameter zur Bestimmung der axialen Fokuslage.
11 zeigt eine weitere Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 in Verbindung mit einer bereits aus den 7, 8 oder 10 bekannten typischen Bearbeitungsoptik 100. Die hier dargestellte Strahlanalysevorrichtung 10 ist mit einem dritten Ausführungsbeispiel des Fokuslagensensors 13 ausgestattet. Bei der dritten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51 und eine Modulationseinrichtung 20 mit einer Sperrzone 25 und zwei Durchlasszonen 23, 24. Mittels der Modulationseinrichtung 20 werden aus dem Probenstrahl 70 zwei Teilstrahlen 73, 74 herausgelöst. Die Modulationseinrichtung 20 weist zu diesem Zweck die beiden Durchlasszonen 23, 24 auf. Mittels der Abbildungseinrichtung 50 werden die aus dem Probenstrahl 70 herausgelösten Teilstrahlen 73, 74 auf den Detektor 40 abgebildet zur Formung einer Intensitätsverteilung 79 mit zwei Strahlflecken 93, 94. Der von der Durchlasszone 23 herausgelöste Teilstrahl 73 bildet den Strahlfleck 93 auf dem Detektor 40 aus. Entsprechend wird der Strahlfleck 94 auf dem Detektor 40 von dem Teilstrahl 74 geformt, der von der Durchlasszone 24 herausgelöst ist. Der Abstand a zwischen den Strahlflecken 93, 94 ist abhängig von der axialen Position des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 und somit von der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 77. Folglich kann aus der Größe des Abstands a die axiale Position des Strahlfokus 71 und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 bestimmt. werden. Bei der dritten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 ermittelt die Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 deshalb den Abstand a zwischen den Strahlflecken 93, 94 als den Geometrie-Parameter, aus dem dann unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals 63 die Fokuslage 76 bestimmt wird.
In 12 ist die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt mit einer vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13. Die vierte Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 enthält alle Elemente der dritten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 aus der 11 und zusätzlich eine Strahlseparatoreinrichtung 52. Die Strahlformungseinrichtung 12 der Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst in der vierten Ausführungsform somit eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51, eine Modulationseinrichtung 20, und eine Strahlseparatoreinrichtung 52. Die Strahlseparatoreinrichtung 52 umfasst wenigstens ein Teilstrahlablenkelement 53, 54. In dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel enthält die Strahlseparatoreinrichtung 52 zwei Teilstrahlablenkelemente 53, 54. Die Modulationseinrichtung 20 dient zur Herauslösung von zwei Teilstrahlen 73, 74 aus dem Probenstrahl 70 in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung 19. Dazu hat die Modulationseinrichtung 20 wenigstens zwei voneinander abgegrenzte Durchlasszonen 23, 24 und wenigstens eine Sperrzone 25, die die Durchlasszonen 23, 24 jeweils vollständig umschließt und voneinander trennt. Im Bereich der Durchlasszonen 23, 24 propagiert die Strahlung weiter zum Detektor 40; im Bereich der Sperrzone 25 wird die Propagation der Strahlung zum Detektor behindert. Auf diese Weise umgrenzen die Ränder der Durchlasszonen 23, 24 zwei Teilaperturen 33, 34, die in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 die Querschnitte der auf diese Weise gebildeten Teilstrahlen 73, 74 definieren. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 33, 34 weisen einen Abstand k zueinander auf. Der Abstand k, das heißt, die gedachte kürzeste Verbindung der Mittelpunkte der Teilaperturen 33, 34, definiert eine erste laterale Richtung 31. Die erste laterale Richtung 31 ist senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 ausgerichtet. In der Darstellung der 12 ist die erste laterale Richtung 31 in der Zeichenebene ausgerichtet, also beispielsweise parallel zur einer y-Koordinatenachse, wobei die lokale optische Achse 11 mit einer z-Koordinatenachse assoziiert wird. Die Modulationseinrichtung 20 moduliert die Intensitätsverteilung des Probenstrahls 70, wodurch ein geformter Probenstrahl mit den beiden Teilstrahlen 73, 74 ausgebildet wird. Die Modulationseinrichtung 20 kann beispielsweise eine Doppellochblende mit zwei Öffnungen sein, wobei die beiden Öffnungen die Durchlasszonen 23, 24 darstellen. Mittels der Abbildungseinrichtung 50 werden die Teilstrahlen 73, 74 des geformten Probenstrahls auf den Detektor 40 abgebildet. Der Detektor 40 weist in einer Sensor-Ebene 39 einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor auf, welcher die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 in elektrische Signale umwandelt. Das so gebildete Detektor-Signal 64 wird über die Eingabeeinheit 84 der Auswertungseinrichtung 80 zugeführt und von der Auswertungseinrichtung 80, insbesondere von der Berechnungseinheit 86 der Auswertungseinheit 80, verarbeitet. Durch die Abbildung des geformten Probenstrahls mittels der Abbildungseinrichtung 50 auf den Detektor 40 wird für jeden der Teilstrahlen 73, 74 des geformten Probenstrahls ein Strahlfleck 93, 94 in der Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 ausgebildet. Die beiden Strahlflecke 93, 94 weisen auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ist unter anderem abhängig vom Abstand k der Teilaperturen 33, 34, vom Abstand s zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 und der Sensor-Ebene 39, und von der axialen Position des Zwischenfokus 71. Somit kann aus dem Abstand a die axiale Position des Zwischenfokus 71 bestimmt werden und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 der Bearbeitungsoptik 100, die in der 12 nicht dargestellt ist. Damit die Auswertungseinrichtung 80 die Strahlflecke 93, 94 eindeutig zuordnen kann und somit zwischen einer positiven und einer negativen Verlagerung des Zwischenfokus 71, d.h. nach vorne oder nach hinten, unterscheiden kann, wird wenigstens einer der Teilstrahlen 73, 74 in einer zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt oder versetzt, die quer zu ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet ist. Die zweite laterale Richtung 37 kann beispielsweise senkrecht zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet sein. Die zweite laterale Richtung 37 ist ebenso wie die erste laterale Richtung 31 senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 ausgerichtet. In der Darstellung von 12 ist die zweite laterale Richtung 37 beispielsweise senkrecht zur Zeichenebene ausgerichtet und kann daher in 12 nicht dargestellt werden. In der Ausführungsform von 12 werden beide Teilstrahlen 73, 74 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt. Dazu weist die Strahlformungseinrichtung 12 die Strahlseparatoreinrichtung 52 auf, die in diesem Beispiel zwei Keilplatten als Teilstrahlablenkelemente 53, 54 umfasst. Jeweils eine der Keilplatten 53, 54 ist in Strahlrichtung fluchtend hinter einer der Durchlasszonen 23, 24 angeordnet. Im gezeigten Beispiel werden dadurch beide Teilstrahlen um etwa den gleichen Betrag, aber in entgegengesetzter Richtung, entlang der zweiten lateralen Richtung 37 abgelenkt, also aus der Zeichenebene heraus. Die Ablenkrichtung wird durch die Orientierung des Keilwinkels der Keilplatten definiert. Beispielsweise kann der Teilstrahl 73 mittels der Keilplatte 53 um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° abgelenkt sein, und der Teilstrahl 74 kann mittels der Keilplatte 54 um den gleichen Winkelbetrag in entgegengesetzter Richtung abgelenkt sein. Durch die Ablenkung und die Propagation zum Detektor 40 weisen die Strahlflecke 93, 94 in Richtung der zweiten lateralen Richtung 37 einen Abstand w zueinander auf. Der Abstand w zwischen den Strahlflecken 93, 94 kann in 12 nicht dargestellt werden, da der Abstand w senkrecht zur Zeichenebene ausgebildet ist. Zur Darstellung dieser Ablenkung, die in der 12 aus der Zeichenebene heraus erfolgt, dient die weiter unten erläuterte 14, in der die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 mit den beiden Strahlflecken 93, 94 dargestellt wird. In diesem vierten Ausführungsbeispiel für den Fokuslagensensor 13 ist der Abstand a in der ersten lateralen Richtung der Geometrie-Parameter, aus dem in der Auswertungseinrichtung 80 die axiale Fokusposition des Probenstrahls 70 und damit die Fokusposition des Energiestrahls der Bearbeitungsoptik bestimmt wird. Die Auswertungseinheit 80 umfasst dazu zumindest die Eingabeeinheit 84 für das Detektor-Signal 64, die Speichereinheit 81 z.B. für die Speicherung von Kalibrations-Daten, die Berechnungseinheit 86, und die Eingabeeinheit 83 für das Schneidgas-Signal 63. Die Bestimmung der axialen Position des Fokus durch die Berechnungseinheit 86 erfolgt dabei unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und eines Korrekturwertes, der unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals 63 bestimmt wird, wobei das Schneidgas-Signal 63 die Höhe des Druckes eines Schneidgases repräsentiert. In der 12 ist zur besseren Darstellung der Funktionsweise sowohl ein Probenstrahl 70 mit einem Zwischenfokus 71 mit gestrichelten Linien dargestellt, als auch ein axial verschobener Probenstrahl 70' mit einem verschobenen Zwischenfokus 71' und den entsprechend geänderten Teilstrahlen 73' und 74' mit durchgezogenen Linien dargestellt. Aus dem verschobenen Probenstrahl 70' entstehen entsprechend die verschobenen Strahlflecke 93', 94' mit dem geänderten Abstand a' in der ersten lateralen Richtung 31.
13 zeigt eine schematische, beispielhafte Darstellung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 für eine Strahlanalysevorrichtung 10 mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der dritten Ausführungsform des Fokuslagensensors, also für eine Strahlanalysevorrichtung 10 wie in 11 dargestellt. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 setzt sich zusammen aus den Strahlflecken 93, 94, die aufgrund der Abbildung mittels der Abbildungseinrichtung 50 fokussiert oder annähernd fokussiert sein können. Die Strahlflecke 93, 94 weisen den Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Zwischenfokus 71. In 13 sind weiterhin Strahlflecke 93' und 94' eingezeichnet, die einer beispielhaft geänderten axialen Fokusposition entsprechen. Bei der geänderten Fokusposition haben die geänderten Strahlflecke 93', 94' einen Abstand a' zueinander, der in diesem Beispiel größer ist als der Abstand a bei der ursprünglichen Fokusposition. Es ist zu erkennen, dass die Positionen der Strahlflecke 93, 94 bzw. 93', 94' entlang einer Richtung variieren, die für beide Strahlflecke 93, 94 auf der gleichen gedachten Linie liegt. Wenn der Abstand a Null ist, würden somit die Strahlflecke 93, 94 aufeinanderliegen. Wenn der Abstand a negativ ist, würden die Strahlflecke 93, 94 ihre relative Lage zueinander vertauschen. Die Auswertungseinrichtung 80 kann deshalb nicht sicher identifizieren, welcher Strahlfleck von welchem Teilstrahl erzeugt ist bzw. von welcher Durchlasszone herausgelöst ist. Aufgrund dieser Unsicherheit kann ein Fokuslagensensor 13 gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel nur mit einem eingeschränkten Erfassungsbereich für die axiale Fokuslage eingesetzt werden.
14 zeigt eine schematische, beispielhafte Darstellung einer Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 für eine Strahlanalysevorrichtung 10 mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors, also für eine Strahlanalysevorrichtung 10 wie in 12 dargestellt. Die Intensitätsverteilung auf dem Detektor 40 setzt sich zusammen aus den Strahlflecken 93, 94, die von den mittels der Modulationseinrichtung 20 aus dem Probenstrahl 70 herausgelösten Teilstrahlen 73, 74 erzeugt werden. Die Strahlflecke 93, 94 weisen in der ersten lateralen Richtung 31 den Abstand a zueinander auf. Der Abstand a ist bei der gezeigten beispielhaften Verteilung der Strahlflecke Null, kann aber beliebige Werte aufweisen. Der Abstand a ändert sich bei einer Änderung der axialen Position des Zwischenfokus 71. Aufgrund der Ablenkung der Teilstrahlen 73, 74 mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 weisen die Strahlflecke 93, 94 in der zweiten lateralen Richtung 37 den Abstand w zueinander auf. Der Abstand w ändert sich nicht bei einer Änderung der axialen Position des Zwischenfokus 71. In 14 sind weiterhin Strahlflecke 93' und 94' eingezeichnet, die einer beispielhaft geänderten axialen Fokusposition entsprechen. Bei der geänderten Fokusposition haben die geänderten Strahlflecke 93', 94' einen Abstand a' zueinander. Es ist zu erkennen, dass die Positionen der Strahlflecke 93, 94 bzw. 93', 94' entlang der gleichen Richtung variieren, nämlich entlang der ersten lateralen Richtung 31, aber jeder Strahlfleck auf einer eigenen gedachten Linie liegt, wobei die beiden gedachten Linien in der zweiten lateralen Richtung 37 um den Betrag w zueinander parallel versetzt sind. Auch bei einem Abstand a = 0 sind daher die Strahlflecke 93, 94 räumlich voneinander separiert. Die Auswertungseinrichtung 80 kann deshalb stets sicher identifizieren, welcher Strahlfleck von welchem Teilstrahl erzeugt ist bzw. von welcher Durchlasszone herausgelöst ist. Ein Fokuslagensensor 13 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ist daher für einen wesentlich größeren Erfassungsbereich für die axiale Fokuslage geeignet als ein Fokuslagensensor nach dem dritten Ausführungsbeispiel. Dieser Vorteil der vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 wird mittels der Strahlseparatoreinrichtung 52 erlangt.
In 15 ist eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Strahlanalysevorrichtung 10 dargestellt, bei der der Fokuslagensensor 13 gemäß der bereits in 12 gezeigten vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 aufgebaut ist. Zur Erläuterung der Elemente und Funktionsweise des Fokuslagensensors wird daher auf die Beschreibung zu 12 verwiesen. Die hier gezeigte Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 unterscheidet sich von der Ausführungsform in 12 durch zusätzliche Elemente in der Auswertungseinrichtung 80. So weist die Auswertungseinrichtung 80 der hier gezeigten Strahlanalysevorrichtung 10 zusätzlich eine Eingabeeinheit 85 für ein Linsenpositions-Signal 65 auf. Diese Eingabeeinheit 85 ist vorgesehen für die Anwendung an Bearbeitungsoptiken, welche eine einstellbare Linseneinheit zur Verstellung der axialen Fokuslage aufweisen. Eine solche einstellbare Linseneinheit kann beispielsweise ein verstellbarer Kollimator 113 sein, wie in den 6 - 8 sowie 10 und 11 gezeigt. Da sich mit der Stellung einer einstellbaren Linseneinheit die Abbildungseigenschaften des gesamten optischen Systems der Bearbeitungsoptik 100 geringfügig ändern können, wird mit einer Berücksichtigung des Linsenpositions-Signals 65 bei der Bestimmung der Fokuslage durch die Auswertungseinrichtung 80 die Genauigkeit der bestimmten Fokuslagen-Position verbessert. Ferner weist die Auswertungseinrichtung 80 der hier gezeigten die Strahlanalysevorrichtung 10 zusätzlich eine Ausgabeeinheit 87 für ein Fokus-Nachführ-Signal 67 auf. In dieser Ausführungsform ist die Auswertungseinrichtung 80 eingerichtet zur Berechnung eines Fokus-Nachführ-Signals 67 aus der bestimmten axialen Position des Fokus 76 des Energiestrahls 77 als Fokus-Ist-Position, und aus einer vorgegebenen Fokus-Soll-Position. Das Fokus-Nachführ-Signal 67 ist vorgesehen für die Ansteuerung einer einstellbaren Linseneinheit einer Bearbeitungsoptik, mit welcher die axiale Fokuslage der Optik eingestellt werden kann. Somit ist die hier gezeigte Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 geeignet und vorgesehen zur Regelung der Fokuslage eines Energiestrahl-Fokus einer Laserbearbeitungsoptik.
16 zeigt die Anwendung einer Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß der in 15 dargestellten und beschriebenen Ausführungsform mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors in Verbindung mit einer Bearbeitungsoptik 100 mit einem einstellbaren Kollimator 113. Für die Beschreibung der Bearbeitungsoptik 100 wird auf die Beschreibungen insbesondere zu den 2 und 7 verwiesen. Mit dem hier gezeigten System aus Strahlanalysevorrichtung 10 und Bearbeitungsoptik 100 kann eine schnelle und genaue Regelung der Fokuslage während des Bearbeitungsprozesses realisiert werden.
In 17 ist das gleiche System bestehend aus Strahlanalysevorrichtung 10 und Bearbeitungsoptik 100 dargestellt wie in 16. 17 zeigt gegenüber 16 einen geänderten Strahlenverlauf. In 17 ist die Position des Energiestrahl-Fokus 76' gegenüber der ursprünglichen Lage 76 des Energiestrahl-Fokus, der hier zum besseren Vergleich mit einem gestrichelten Strahlenverlauf dargestellt ist, nach oben zur Optik hin verschoben. Das ist eine typische Situation, die infolge eines thermischen Fokus-Shifts während des Bearbeitungsprozesses in der Bearbeitungsoptik 100 auftreten kann. Der durch Reflexion an der unteren Schutzglas-Grenzfläche 121 erzeugte Probenstrahl 70' hat einen Zwischenfokus 71', dessen Position ebenfalls gegenüber der ursprünglichen Lage 71 des Zwischenfokus verschoben ist. Infolge der spiegelbildlichen Situation zum Energiestrahl-Fokus 76' ist der Zwischenfokus 71' nach unten verschoben. Der geänderte Probenstrahl 70' wird aus der Bearbeitungsoptik 100 ausgekoppelt und in die Strahlanalysevorrichtung 10 eingestrahlt. Mittels der Modulationseinrichtung 20 werden aus dem geänderten Probenstrahl 70' geänderte Teilstrahlen 73', 74' herausgelöst und mittels der Abbildungseinrichtung 50 auf den Detektor 40 abgebildet. In der Intensitätsverteilung auf dem Detektor haben die dadurch erzeugten Strahlflecken 93', 94' in der ersten lateralen Richtung 31 einen geänderten Abstand a' zueinander. Dieser geänderte Abstand a' wird als Geometrie-Parameter von der Auswertungseinrichtung 80 ermittelt. Die Auswertungseinrichtung 80 ermittelt weiterhin einen Korrekturwert anhand des momentanen Schneidgas-Signals 63 und bestimmt anhand des Abstandes a' und des Korrekturwertes die geänderte Fokuslage 76'. Durch Vergleich mit der ursprünglichen oder zuvor bestimmten Fokuslage 76 kann die Auswertungseinrichtung 80 ein Fokus-Nachführ-Signal 67 berechnen und an die Stelleinrichtung 105 für den einstellbaren Kollimator 113 übermitteln. Anhand des Fokus-Nachführ-Signals 67 kann mittels der Stelleinrichtung 105 der Kollimator 113 eingestellt werden, so dass die geänderte Fokuslage 76' wieder mit der ursprünglichen Fokuslage 76 oder mit einer Soll-Fokuslage 76 übereinstimmt.
18 zeigt das gleiche System bestehend aus Strahlanalysevorrichtung 10 und Bearbeitungsoptik 100 wie die 16 und 17. Wie bereits in anderen Beispielen zuvor erläutert, wird durch Teilreflexion des Laserstrahls 77 an der äußeren Grenzfläche 121 des Schutzglases 120 ein erster Probenstrahl 70 bzw. ein geänderter Probenstrahl 70' mit einem Zwischenfokus 71' erzeugt. 18 zeigt eine Situation, bei der außerdem durch Teilreflexion des Laserstrahls 77 an der inneren, zweiten Grenzfläche 122 des Schutzglases 120 ein zweiter Probenstrahl 170 bzw. ein geänderter zweiter Probenstrahl 170' mit einem Zwischenfokus 171' erzeugt wird. Der zweite Probenstrahl 170' wird ebenso wie der erste Probenstrahl 70' ausgekoppelt und der Strahlanalysevorrichtung 10 mit dem Fokuslagensensor 13 zugeführt. Dabei wird, wie hier dargestellt, vorzugsweise ein Fokuslagensensor 13 gemäß der vierten Ausführungsform eingesetzt, der in den 12 und 15 dargestellt und detailliert erläutert ist. Hierbei werden mittels der Modulationseinrichtung 20 der Strahlformungseinrichtung 12 von jedem Probenstrahl 70', 170' jeweils zwei Teilstrahlen 73', 74', 173', 174' erzeugt. Jeder Teilstrahl 73', 74', 173', 174' erzeugt einen Strahlfleck 93', 94', 193', 194' auf dem Detektor 40. Dabei bilden die durch die Abbildung des Probenstrahls 70' geformten Strahlflecke 93' und 94' ein erstes Strahlfleck-Paar, und die durch die Abbildung des zweiten Probenstrahls 170' geformten weiteren Strahlflecke 193' und 194' bilden ein zweites Strahlfleck-Paar. Die Strahlflecke 93', 94' des ersten Strahlfleck-Paars weisen in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand a' zueinander auf, während die Strahlflecke 193', 194' des zweiten Strahlfleck-Paars in der ersten lateralen Richtung 31 einen Abstand b' zueinander haben. Beide Strahlfleck-Paare können von der Auswertungseinrichtung 80 ausgewertet werden und die Abstände a und b bzw. a' und b' bestimmt werden. Die Auswertungseinrichtung 80 ist daher dazu eingerichtet, eine entsprechende Anzahl von Strahlflecken in der Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 zu identifizieren. Der Vorteil bei der Auswertung der Strahlflecke für beide Probenstrahlen 70 und 170 besteht darin, dass mit dem ersten Strahlfleck-Paar 93, 94 eine Fokuslagen-Information gewonnen wird, welche einen thermischen Shift des Schutzglases enthält, weil der Probenstrahl 70 das Schutzglas zweifach durchlaufen hat, und dass mit dem zweiten Strahlfleck-Paar 193, 194 eine Fokuslagen-Information gewonnen wird, welche den thermischen Shift des Schutzglases nicht enthält, weil der zweite Probenstrahl 170 von der zweiten, inneren Grenzfläche 122 des Schutzglases 120 erzeugt wird und daher das Schutzglas 120 nicht durchläuft. Auf diese Weise kann die Auswertungseinrichtung 80 einen Fokus-Shift, der durch das Schutzglas 120 verursacht ist, von übrigen Fokus-Shift-Anteilen der gesamten Bearbeitungsoptik 100 unterscheiden. Insbesondere ist es dadurch auch möglich, dass die Auswertungseinrichtung 80 den Fokus-Shift des Schutzglases 120 separat bestimmen kann, und ein Warn-Signal bereitstellen kann, wenn der Fokus-Shift des Schutzglases 120 stark zugenommen hat, was üblicherweise auf eine starke Verschmutzung des Schutzglases hindeutet. Damit kann automatisiert auf einen erforderlichen Wechsel des Schutzglases hingewiesen werden.
Die 19 und 20 zeigen die Erzeugung von zwei Probenstrahlen 70, 170, wie schon zuvor in der 18 gezeigt, welche durch Teilreflexion des Laserstrahls 77 zum einen an der äußeren Grenzfläche 121 des Schutzglases 120, und zum anderen an der zweiten Grenzfläche 122 des Schutzglases erzeugt werden, in einer etwas detaillierteren Teildarstellung des unteren Bereichs der Bearbeitungsoptik um das Schutzglas 120 herum. 19 zeigt insbesondere den Strahlenverlauf für Laserstrahl 77, wenn das Schutzglas 120 durch Absorption von Laserstrahlung infolge einer Verschmutzung eine deutlich erhöhte Temperatur T' hat und somit einen thermischen Fokus-Shift erzeugt. Der fokussierte Laserstrahl 77 wird durch die im Schutzglas 120 thermisch induzierte Brechkraft zusätzlich gebrochen und stärker fokussiert, wodurch der Energiestrahl-Fokus 76' nach oben, also zur Optik hin, verschoben ist. Der Strahlenverlauf ohne thermischen Fokus-Shift und der ursprüngliche Energiestrahl-Fokus 76 sind zum Vergleich mit gestrichelten Linien dargestellt. Die Position des Energiestrahl-Fokus ist um den Betrag Δz_F verschoben. Der Zwischenfokus 71' des durch Reflexion an der unteren Grenzfläche 121 erzeugten Probenstrahl 70' ist ebenfalls verschoben, und zwar um den Betrag Δz_PS. Diese Verschiebung Δz_PS des Zwischenfokus 71' ist ungefähr doppelt so groß wie die Verschiebung Δz_F des Energiestrahl-Fokus 76', weil der Probenstrahl 70' das Schutzglas einmal vor der Reflexion und einmal nach der Reflexion, also zweifach durchlaufen hat und somit die thermisch induzierte Brechkraft des Schutzglases 120 auf den Probenstrahl 70' doppelt wirkt. Im Gegensatz dazu durchläuft der zweite Probenstrahl 170', der durch Reflexion an der zweiten Grenzfläche 122 erzeugt ist, das Schutzglas gar nicht, so dass die Position des Zwischenfokus 171' des zweiten Probenstrahls 170' mit dem ursprünglichen Zwischenfokus 171 ungefähr übereinstimmt. Die Verschiebung Δz_PS2 des Zwischenfokus des zweiten Probenstrahls ist also ungefähr Null, wenn eine Verschiebung des Energiestrahl-Fokus 76 ausschließlich durch einen thermischen Fokus-Shift des Schutzglases verursacht ist. Im Unterschied zu 19 zeigt 20 eine Situation, in der ein thermischer Fokusshift im wesentlichen in der Fokussierung 116 auftritt. In diesem Fall sind die Beträge der Verschiebung Δz_F des Energiestrahl-Fokus 76', der Verschiebung Δz_PS des Zwischenfokus 71' des Probenstrahls 70', und der Verschiebung Δz_PS2 des Zwischenfokus 171' des zweiten Probenstrahls 170' ungefähr gleich groß.
21 zeigt schematisch die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 mit den beiden Strahlfleck-Paaren 93, 94 sowie 193, 194, wenn mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der 18 die von beiden Grenzflächen 121, 122 des Schutzglases 120 erzeugten Probenstrahlen 70, 170 auf den Detektor 40 abgebildet werden. Ansonsten entspricht die Darstellung der in 14 gezeigten Situation, weshalb für die weiteren Einzelheiten auf die Beschreibung zu 14 verwiesen wird.
22 zeigt, ähnlich wie 21, schematisch die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 mit den beiden Strahlfleck-Paaren 93, 94 sowie 193, 194, wenn mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der 18 die von beiden Grenzflächen 121, 122 des Schutzglases 120 erzeugten Probenstrahlen 70, 170 auf den Detektor 40 abgebildet werden. 22 zeigt dabei eine Situation, bei der die von den beiden Probenstrahlen 70 und 170 erzeugten Strahlflecke 93 und 193 einerseits, und die Strahlflecke 94 und 194 andererseits, nicht vollständig räumlich voneinander getrennt sind. Diese Situation kann auftreten, wenn ein sehr dünnes Schutzglas 120 verwendet wird. Der zweite Probenstrahl 170, der durch Reflexion an der zweiten (inneren, bzw. oberen) Grenzfläche 122 des Schutzglases 120 erzeugt wird, unterscheidet sich dann in seiner axialen Lage nur geringfügig vom ersten Probenstrahl 70, der durch Reflexion an der äußeren Grenzfläche 121 des Schutzglases 120 erzeugt wird. Folglich haben dann auch die Zwischenfokusse 71 und 171 der Probenstrahlen 70 und 170 nur einen geringen axialen Abstand zueinander. In einer solchen Situation kann die Auswertungseinrichtung 80 dazu eingerichtet sein, einen mittleren Abstand m in der ersten lateralen Richtung 31 zwischen einer ersten mittleren Position aus den Strahlflecken 93 und 193 und einer zweiten mittleren Position aus den Strahlflecken 94 und 194 zu bestimmen. Die beiden Strahlflecke 93 und 193 werden dabei also als ein gemeinsamer erster Strahlfleck betrachtet. In gleicher Weise werden die Strahlflecke 94 und 194 als ein gemeinsamer zweiter Strahlfleck betrachtet. Der auf diese Weise bestimmte mittlere Abstand m ist identisch mit dem Mittelwert m aus den Abständen a und b, wobei a der Abstand in der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 93 und 94 ist, die durch den ersten Probenstrahl 70 ausgebildet sind, und wobei b der Abstand in der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 193 und 194 ist, die durch den zweiten Probenstrahl 170 ausgebildet sind. Dieser mittlere Abstand m kann in solchen Situationen von der Auswertungseinrichtung 80 alternativ als Geometrie-Parameter für die Bestimmung der Fokuslage verwendet werden. Bei einer geänderten Fokuslage ergeben sich geänderte Positionen der geänderten Strahlflecke 93', 94', 193', 194' und damit ein entsprechend geänderter mittlerer Abstand m' in der ersten lateralen Richtung 31.
In 23 ist die Anwendung einer Strahlanalysevorrichtung 10 gemäß der in 15 gezeigten und beschriebenen Ausführungsform mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors in Verbindung mit einer Bearbeitungsoptik 200 dargestellt. Die Bearbeitungsoptik 200 ist in wesentlichen Elementen vergleichbar mit der bereits in den 2 und 7 beschriebenen Bearbeitungsoptik 100. Die Bearbeitungsoptik 200 besitzt im Unterschied zur Bearbeitungsoptik 100 ein zweites Schutzglas 125 und eine Schneideinrichtung 140, welche zusätzlich eine Druckausgleichs-Verbindung 145 aufweist. Die Druckausgleichs-Verbindung 145 ist eine pneumatische Verbindung, also beispielsweise ein einfacher offener Kanal, zwischen dem Hohlraum 141 und dem Zwischenraum zwischen dem äußeren Schutzglas 120 und dem zweiten Schutzglas 125. Infolge der Druckausgleichs-Verbindung 145 baut sich im Zwischenraum zwischen dem äußeren Schutzglas 120 und dem zweiten Schutzglas 125 immer der gleiche Druck auf wie in dem Hohlraum 141. Somit bildet sich am äußeren Schutzglases 120 kein Differenzdruck aus. Das Schutzglas 120 wird sich deshalb auch bei einem hohen Schneidgas-Druck nicht durchbiegen. Das hat den Vorteil, dass für das äußere Schutzglas 120 ein dünnes und damit preisgünstigeres Schutzglas als Verschleißteil eingesetzt werden kann, während hierbei das zweite Schutzglas 125 druckfest ausgelegt sein muss. Da das zweite Schutzglas 125 durch das äußere Schutzglas 120 vor Verschmutzung geschützt ist, muss das zweite, dickere Schutzglas 125 jedoch nie oder nur selten ausgetauscht werden. Wegen der fehlenden Durchbiegung des äußeren Schutzglases tritt bei einer Änderung des Schneidgas-Druckes auch keine Verschiebung des Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70 auf. Dennoch ist eine vom Schneidgasdruck p abhängige Korrektur bei der Bestimmung der Fokuslage erforderlich, weil der Energiestrahl-Fokus 76 infolge der Brechzahl-Erhöhung des unter Druck stehenden Schneidgases verschoben wird.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung löst das Problem, dass bei Laserbearbeitungsprozessen, insbesondere beim Laserschneiden, die axiale Fokuslage des Laserstrahls unter anderem infolge des Prozessgases, insbesondere des Schneidgases, verändert werden kann, was von herkömmlichen Fokuslagensensoren nicht bemerkt wird und zu einem ungenauen oder sogar falschen Messwert für die Fokuslage führen kann.
Die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst eine Strahlformungseinrichtung 12, einen Detektor 40 und eine Auswertungseinrichtung 80. Die Strahlformungseinrichtung 12 ist eingerichtet zum Empfang eines Probenstrahls 70. Die Strahlformungseinrichtung ist zu diesem Zweck beispielsweise ankoppelbar an einen Strahl-Ausgang einer Auskopplungseinrichtung einer Bearbeitungsoptik 100. Die Bearbeitungsoptik 100 bildet einen Energiestrahl 77, insbesondere einen Laserstrahl 77, in einen Fokus 76 ab. Mittels der Auskopplungseinrichtung wird im Strahlengang der Bearbeitungsoptik 100 ein Probenstrahl 70 ausgekoppelt und der Strahlformungseinrichtung 12 zugeführt. Die Strahlformungseinrichtung 12 und der Detektor 40 bilden einen Fokuslagensensor 13 aus und sind vorzugsweise gemeinsam in einem an die Bearbeitungsoptik 100 anbringbaren Gehäuse angeordnet. Die Auswertungseinrichtung 80 beinhaltet zumindest eine Eingabeeinheit 84 für ein Detektor-Signal 64, eine Eingabeeinheit 83 für ein Schneidgas-Signal 63, eine Speichereinheit 81 für Kalibrationsdaten und/oder weitere Parameter, und eine Berechnungseinheit 86 zur Ermittlung einer korrigierten Fokuslagen-Position.
Die axiale Fokuslage 76 bei einer Anlage zum Laserschneiden wird primär vom abbildenden System der Bearbeitungsoptik 100 festgelegt. Abweichungen von einer definierten Fokuslage treten vor allem durch die folgenden Effekte auf:

- Verstellung des Linsensystems, z.B. des Kollimators;
- thermischer Fokus-Shift in einem oder in mehreren optischen Elementen der Optik, insbesondere im Schutzglas;
- Druck des Schneidgases in einer Schneidgas-Einrichtung.

Der thermische Fokus-Shift ist ein Effekt, der auch von der Verschmutzung der Optik, insbesondere des Schutzglases abhängig ist, und wird daher typischerweise mit zunehmender Betriebsdauer größer. Da die Größe dieses Effekts demnach unbestimmt und außerdem zeitlich variabel ist, kann eine genaue Nachführung der axialen Fokuslage nur unter Verwendung eines Fokuslagensensors erfolgen, der eine kontinuierliche Bestimmung der Fokuslage bei laufendem Bearbeitungsprozess ermöglicht.
Besonders vorteilhaft ist es, zu diesem Zweck für die Bestimmung der Fokuslage ein Strahl-Sampling bzw. die Erzeugung eines Probenstrahls 70 an der letzten optischen Grenzfläche 121 des optischen Systems vorzunehmen, also beispielsweise an der dem Bearbeitungsprozess bzw. dem Werkstück 150 zugewandten Seite des Schutzglases 120. An dieser Grenzfläche 121 wird ein Bruchteil des Laserstrahls 77 reflektiert. Auf diese Weise entsteht der Probenstrahl 70, der folglich ein Spiegelbild 71 des Laserstrahl-Fokus 76 aufweist. Dieses Spiegelbild des Laserstrahl-Fokus 76 ist somit ein Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70. Das bedeutet, dass Änderungen der axialen Fokuslage 76 eine proportionale Änderung des gespiegelten Fokus bzw. Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70 zur Folge haben. Der Probenstrahl 70 wird beispielsweise mittels eines Strahlauskopplers 115 aus der Bearbeitungsoptik 100 ausgekoppelt und zum Fokuslagensensor 13 geführt. Der Strahlauskoppler 115 kann beispielsweise ein schräggestelltes teilreflektierendes Element umfassen. Mittels des Fokuslagensensors 13 wird eine Änderung der Fokuslage im Probenstrahl 70 ermittelt, also der Fokuslage des Zwischenfokus 71, und daraus wird die dazu proportionale Änderung der Fokuslage 76 des Laserstrahls 77 bestimmt.
Demnach ist der Fokuslagensensor 13 in der Lage, alle Änderungen der Fokuslage, die ihre Ursache im optischen System der Bearbeitungsoptik 100 haben, zu erfassen. Der Fokuslagensensor 13 kann jedoch keine Änderungen erfassen, deren Ursachen außerhalb des optischen Systems liegen. Zu diesen Ursachen gehört insbesondere ein dem Prozess unter Druck zugeführtes Schneidgas 146.
Beim Laserschneiden wird dem Schneidprozess mittels einer Schneidgaseinrichtung 140 ein Schneidgas 146 zugeführt, welches unter anderem dazu dient, die Schmelze aus dem Schnittspalt herauszublasen. Dazu besitzt die Schneidgaseinrichtung 140 einen Hohlraum 141, der sich vom Schutzglas 120 bis zu einer Schneiddüse 142 erstreckt. Das Schneidgas 146 wird über eine Schneidgaszuführung 143 dem Hohlraum 141 zugeführt, und verlässt den Hohlraum 141 durch die Bohrung der Schneiddüse 142 koaxial zum fokussierten Laserstrahl 77. Das Schneidgas 146 steht dabei unter einem hohen Druck p' und weist deshalb eine erhöhte Brechzahl n' auf. Durch die, wenn auch nur geringe, Erhöhung der Brechzahl n innerhalb des Hohlraums 141 wird der Laserstrahl 77 gebrochen, das heißt, es ändert sich der optische Weg innerhalb des Hohlraumes 141, wodurch dessen axiale Fokuslage 76 verschoben wird.
Diese Änderung der Fokuslage kann von dem Fokuslagensensor 13 nicht erfasst werden, da der Probenstrahl 70 prinzip-bedingt nicht den Hohlraum 141 der Schneidgaseinrichtung 140 durchläuft.
Die Änderung der Fokuslage 76 durch das Schneidgas 146 kann aber durchaus einen spürbaren Betrag ausmachen, wie das folgende Zahlenbeispiel zeigt.
Dabei werden folgende, typische Parameter angenommen: die innerhalb der Schneidgaseinrichtung 140 vom Laserstrahl 77 zurückgelegte Strecke L betrage L = 100 mm, das Schneidgas 146 sei Stickstoff unter einem Druck von p' = 20 bar.
Die Brechzahl von Stickstoff bei Normaldruck und Raumtemperatur beträgt n₀ = 1,00028.
Die Brechzahl eines Gases in Abhängigkeit von Druck p und Temperatur T ergibt sich aus folgender Gleichung: $n - 1 = (n_{0} - 1) (p / p_{0}) (T_{0} / T)$
Bei einem Druck von p' = 20 bar erhält man für Stickstoff somit n' = 1,0056. Die Änderung der Schnittweite Δz, also der axialen Fokuslage 76 des Laserstrahls 77, erhält man aus folgender Formel: $Δ z = L (n' - 1) / n'$
Die Änderung der Fokuslage beträgt damit in diesem Beispiel Δz = 0,56 mm.
Wird als Schneidgas normale Druckluft anstatt von Stickstoff verwendet, ergeben sich annähernd identische Zahlenwerte.
Der hohe Druck des Schneidgases 146 hat aber noch einen weiteren Effekt zur Folge: er bewirkt eine sehr geringe Durchbiegung des Schutzglases 120, so dass die Grenzfläche 121, an der der Probenstrahl 70 durch Teilreflexion erzeugt wird, nicht mehr plan ist. Dadurch wird der gespiegelte Fokus 71 im Probenstrahl 70 ebenfalls etwas verschoben.
Auch diese Verschiebung kann berechnet werden, was im folgenden mit einem typischen Zahlenbeispiel gezeigt wird.
Hierzu wird ein Schutzglas 120 aus Quarzglas mit einer Dicke d = 5 mm und einem Durchmesser 2R_SG = 30 mm angenommen. Für die Berechnung wird weiterhin das Elastizitätsmodul E des Materials des Schutzglases benötigt, welches für Quarzglas E = 72500 N/mm² beträgt. Die Durchbiegung w in der Mitte einer am Rand gelenkig gelagerten kreisförmigen Platte ergibt sich gemäß der folgenden Formel $w = 0,696 {p R}_{SG}^{4} / ({E d}^{3})$
zu w = 0,0078 mm. Den Krümmungsradius Rc der Platte, also des Schutzglases 120, erhält man aus folgender Formel: $R_{C} = (w^{2} + R_{SG}^{2}) / 2 w \approx R_{SG}^{2} / 2 w$
Aus den beispielhaft angegebenen Zahlenwerten ergibt sich ein Krümmungsradius der beiden Schutzglas-Oberflächen 121, 122 von Rc = 14,4 m.
Somit wirkt das unter dem Druck des Schneidgases 146 stehende Schutzglas 120 auf den Probenstrahl 70 wie ein sehr schwach konvex gekrümmter Spiegel mit einer Brennweite von - f_Refl = Rc/2 = 7200 mm. Bei einem Abstand des Laserstrahl-Fokus 76 von L = 100 mm zum Schutzglas 120 folgt daraus eine axiale Verschiebung des gespiegelten Strahlfokus 71 im Probenstrahl 70 von Δz = L² / f_Refl = -1,4 mm.
Bei dem gewählten Zahlenbeispiel würde somit der Fokuslagensensor eine scheinbare Verschiebung der axialen Fokuslage um 1,4 mm erfassen, während die wahre Verschiebung der axialen Fokuslage 0,56 mm beträgt. Der Fokuslagensensor würde somit bei diesem Zahlenbeispiel die Änderung der Fokuslage um einen Faktor 1,4 / 0,56 = 2,5 überschätzen. Die Größe dieses Faktors kann demnach direkt aus den Parametern des Schutzglases, der Schneideinrichtung und aus dem Druck des Schneidgases ermittelt oder berechnet werden. Die Größe dieses Faktors kann auch aus einer vorangegangenen Kalibrierung erhalten werden.
Die Parameter des Schutzglases und der Schneideinrichtung sind für eine vorgegebene Bearbeitungsoptik konstante Parameter, während der Druck des Schneidgases veränderlich sein kann. Sowohl die Änderung der Position des Energiestrahl-Fokus 76 durch die Brechzahl n des Schneidgases, als auch die Änderung der Position des Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70, sind zumindest bei kleinen Änderungen ungefähr proportional zur Größe des Schneidgas-Drucks p.
Also bestimmt insbesondere der aktuelle Schneidgas-Druck p die aktuelle Abweichung zwischen einer Änderung der Position des Energiestrahl-Fokus 76 und einer Änderung der Position des Zwischenfokus 71 im reflektierten Probenstrahl 70, der vom Fokuslagensensor erfasst wird. Um diese Abweichung, die der von der Auswertungseinrichtung 80 aus den Daten vom Fokuslagensensor 13 primär ermittelte Fokuslagen-Messwert aufweisen kann, herauszukorrigieren und von Änderungen der Fokuslage zu unterscheiden, die aus anderen Ursachen wie einer Kollimator-Verstellung oder einem thermischen Fokus-Shift entstehen, benötigt die Auswertungseinrichtung 80 eine Information darüber, ob das Schneidgas 146 eingeschaltet ist und/oder eine Information, die die Höhe des Schneidgas-Drucks p repräsentiert.
Die Auswertungseinrichtung 80 der erfindungsgemäßen Strahlanalysevorrichtung 10 beinhaltet daher eine Eingabeeinheit 83 für ein Schneidgas-Signal 63, eine Speichereinheit 81 für Kalibrationsdaten und/oder weitere Parameter, und eine Berechnungseinheit 86 zur Ermittlung einer korrigierten Fokuslagen-Position.
Die Eingabeeinheit 83 für das Schneidgas-Signal 63 kann beispielsweise eine physische Schnittstelle für eine elektrische Leitung sein, oder eine virtuelle Schnittstelle in einem Computerprogramm, oder eine drahtlose Schnittstelle für eine Funk-Übertragung von Daten sein.
Das Schneidgas-Signal 63 kann in einem besonders einfachen Ausführungsbeispiel ein binäres Signal sein, dessen zwei Zustände unterschiedliche Drücke repräsentieren. Ein erster Zustand kann beispielsweise ein Zustand sein, bei dem kein Schneidgas 146 zugeführt wird (Schneidgas ist ausgeschaltet), und bei einem zweiten Zustand wird ein Schneidgas 146 unter einem vordefinierten Druck zugeführt (Schneidgas ist eingeschaltet). Genauso gut kann das binäre Signal auch zwei unterschiedliche vordefinierte Drücke eines zugeführten Schneidgases 146 repräsentieren, z.B. einen geringen Druck p₁ für den Einstechvorgang und einen hohen Druck p₂ für den Schneidvorgang. Welchem Druck der Wert des Signals 63 jeweils entspricht, kann in der Speichereinheit 81 als Kalibrierung hinterlegt sein.
Das Schneidgas-Signal 63 kann auch ein analoges oder digitales Signal sein, welches zum Schneidgasdruck proportional ist. Anhand des momentanen Schneidgas-Signals 63 kann die Berechnungseinheit 86 dann mittels eines in der Speichereinheit 81 hinterlegten oder kalibrierten Proportionalitätsfaktors einen Korrekturwert ermitteln und damit die korrigierte Fokuslage bestimmen.
Die für die Berechnungen der Berechnungseinheit 86 benötigten Werte verschiedener Parameter sind vorzugsweise in der Speichereinheit 81 abgelegt. Bei den Parametern kann es sich um Proportionalitätsfaktoren und/oder Konstanten handeln, die aus einem Kalibrationsprozess ermittelt wurden. Die Kalibrationsdaten können beispielsweise eine Änderung des Geometrie-Parameters in Abhängigkeit des Gasdruck-Signals beschreiben. Bei den Parametern kann es sich auch um diverse Eigenschaften des optischen Systems, der Schneideinrichtung und des Schutzglases handeln, also beispielsweise Vergrößerung der Optik, Brennweiten von Kollimatoroptik und Fokussieroptik, Brechzahl des Schneidgases, durchstrahlte Länge des Hohlraums der Schneideinrichtung, Radius oder Durchmesser des Schutzglases, Dicke des Schutzglases, Elastizitätsmodul des Schutzglases, und/oder gegebenenfalls weitere Parameter. Aus diesen Daten kann dann einer oder mehrere der für die Berechnungen benötigten Proportionalitätsfaktoren und/oder Konstanten ermittelt werden oder angepasst werden, beispielsweise wenn bei einem Schutzglaswechsel ein Schutzglas mit einer anderen Dicke eingesetzt wird. Zu diesem Zweck kann die Speichereinheit auch ein Interface oder eine Schnittstelle für die Eingabe oder Aktualisierung eines oder mehrerer Parameter aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann in der Speichereinheit 81 für mindestens einen Zustand des Schneidgas-Signals 63 oder für mindestens einen Größenwert des Schneidgas-Signals 63 ein Korrekturwert hinterlegt sein, welcher von der Berechnungseinheit 86 zur Korrektur der vom Fokuslagensensor 13 bestimmten Fokuslage verwendet wird. Der Korrekturwert oder die Korrekturwerte können zuvor in einem Kalibrierungszyklus bestimmt worden sein. Der jeweils benötigte Korrekturwert kann mit dem Wert oder dem Zustand des Schneidgas-Signals 63 über eine Look-Up-Tabelle verknüpft sein.
Wenn Zwischenwerte benötigt werden, kann die Berechnungseinheit 86 zwischen den Werten der Look-Up-Tabelle eine Interpolation durchführen.
Das Schneidgas-Signal 63 kann beispielsweise dem Zustand eines Schaltventils entsprechen, mit welchem das Schneidgas ein- oder ausgeschaltet wird, oder mit welchem unterschiedliche Drücke des Schneidgases 146 eingestellt werden.
Das Schneidgas-Signal 63 kann auch ein Druck-Vorgabe-Signal oder Druck-Soll-Signal einer übergeordneten Anlagensteuerung sein. Mittels eines steuerbaren Ventils kann dann der entsprechend der Vorgabe angeforderte Druck eingestellt werden.
Das Schneidgas-Signal 63 kann der Messwert eines Gasdruck-Sensors 62 sein und von diesem bereitgestellt werden. Der Messwert des Gasdruck-Sensors 62 kann direkt über eine Datenverbindung in die Eingabeeinheit 83 der Auswertungseinrichtung 80 eingespeist werden. Alternativ kann der Gasdruck-Sensor 62 auch mit einer übergeordneten Anlagensteuerung verbunden sein, welche dann das Schneidgas-Signal 63 über die Datenverbindung an die Auswertungseinrichtung 80 bzw. an die Eingabeeinheit 83 der Auswertungseinrichtung 80 übermittelt.
Der Gasdruck-Sensor 62 kann im Inneren der Schneidgaseinrichtung 140 angeordnet sein. Der Gasdruck-Sensor 62 kann zu diesem Zweck beispielsweise in einer Nische des Hohlraums 141 angeordnet sein.
Der Gasdruck-Sensor 62 kann auch über eine pneumatische Verbindung mit dem Hohlraum 141 der Schneidgaseinrichtung 140 gekoppelt sein.
Der Gasdruck-Sensor 62 kann auch an einer beliebigen Stelle der SchneidgasZuführung 143 angeordnet sein oder mit der Zuführung des Schneidgases pneumatisch verbunden sein.
Der Fokuslagensensor 13 beinhaltet die Strahlformungseinrichtung 12 und den Detektor 40. Die Strahlformungseinrichtung 12 ist zum Empfang des Probenstrahls 70 eingerichtet und bildet den Probenstrahl 70 auf den Detektor 40 ab, wodurch eine Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 erzeugt wird. Der Detektor 40 beinhaltet einen zweidimensional auflösenden, strahlungsempfindlichen Sensor, welcher die Intensitätsverteilung 79 in elektrische Signale 64 umsetzt.
Die Auswertungseinrichtung 80 verarbeitet die Detektor-Signale 64. Die Auswertungseinrichtung 80 ist dazu mit einer Eingabeeinheit 84 zum Empfang der Detektor-Signale 64 ausgerüstet. Die Eingabeeinheit 84 für die Detektor-Signale 64 kann beispielsweise eine physische Schnittstelle für eine elektrische Leitung sein, oder eine virtuelle Schnittstelle in einem Computerprogramm, oder eine drahtlose Schnittstelle für eine Funk-Übertragung von Detektor-Daten sein.
Die Auswertungseinrichtung 80 ist dazu eingerichtet, aus dem Detektor-Signal 64, das die Intensitätsverteilung 79 repräsentiert, einen Geometrie-Parameter zu bestimmen. Der Geometrie-Parameter stellt eine spezifische geometrische Eigenschaft der Intensitätsverteilung 79 dar. Dieser Geometrie-Parameter kann beispielsweise ein Durchmesser fÖ eines Strahlflecks 91 der Intensitätsverteilung 79 sein, oder ein Abstand a zwischen zwei Strahlflecken 93, 94 der Intensitätsverteilung 79, oder ein anderer vergleichbarer geometrischer Parameter der Intensitätsverteilung 79. Der Geometrie-Parameter wird in einzelnen Ausführungsbeispielen nachfolgend noch genauer erläutert.
Die Größe des Geometrie-Parameters ist direkt abhängig von der axialen Lage des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 und damit von der axialen Lage des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 70, weil der Zwischenfokus 71 ein gespiegelter Fokus des Energiestrahl-Fokus 76 ist. Die Auswertungseinrichtung 80 bestimmt aus dem Geometrie-Parameter die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals 63. Die Auswertungseinrichtung 80 beinhaltet zu diesem Zweck eine Berechnungseinheit 86 und eine Speichereinheit 81.
Die Bestimmung der Position bzw. einer Änderung der Position des Energiestrahl-Fokus 76 kann auf die nachfolgend dargestellte Weise ablaufen.
Die Auswertungseinrichtung 80 bestimmt mittels der Berechnungseinheit 86 aus den Detektor-Signalen 64 zunächst einen primären, unkorrigierten Geometrie-Parameter, beispielsweise einen Abstand a zwischen zwei Strahlflecken 93, 94.
Aus diesem Abstand a wird unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals 63, bzw. unter Berücksichtigung des dem Wert des Schneidgas-Signals 63 zugeordneten Druck p, ein korrigierter Geometrie-Parameter ermittelt, also in diesem Fall ein korrigierter Abstand a_korr, beispielsweise nach folgendem Schema: $a_{korr} = a + p [c_{1} + c_{2} (a)]$
Der Term p [c₁ + c₂(a)] bildet bei diesem Rechenschema folglich einen Korrekturwert für den Geometrie-Parameter.
Dabei ist c₁ ein konstanter Parameter und c₂ ist eine Funktion, die vom unkorrigierten Geometrie-Parameter abhängig sein kann, beispielsweise in einfacher linearer Form c₂(a) = c'₂ a. Die Parameter c₁ und c₂ bzw. c'₂ können in der Speichereinheit 81 abgelegt sein. Die Parameter c₁ und c₂ bzw. c'₂ können in einem vorab durchgeführten Kalibrationsprozess bestimmt worden sein. Der Parameter c₂ bzw. c'₂ kann auch Null sein. In Ausführungsformen, die für die Verwendung an einer Bearbeitungsoptik mit einem verstellbaren Kollimator vorgesehen sind, können die Parameter c₁ und c₂ bzw. c'₂ einzeln oder beide einen von einer Kollimator-Einstellung z_Koll abhängigen Term enthalten, so dass für die Korrektur des Geometrie-Parameters beispielsweise folgendes Schema verwendet werden kann: $a_{korr} = a + p [c_{1} + c_{2} (a) + c_{K} (z_{Koll})]$
In linearer Näherung kann folgende Formel zur Korrektur des Geometrie-Parameters verwendet werden, wobei c₁, c₂', c_K' dann konstante Koeffizienten sind: $a_{korr} = a + p (c_{1} + c_{2}' a + c_{K}' z_{Koll})$
Aus dem korrigierten Geometrie-Parameter bzw. dem korrigierten Abstand a_korr wird schließlich die axiale Fokusposition z_F des Energiestrahl-Fokus 76, bzw. eine Änderung der axialen Position Δz_F = z_F - z₀ ermittelt, beispielsweise nach folgendem Schema: $Δ z_{F} = {g a}_{korr} - z_{0}$
Der Parameter z₀ kann eine Start-Position der Fokuslage sein, oder eine Nenn-Position, oder eine Nullposition, oder eine in einem vorherigen Schritt ermittelte vorherige Fokusposition.
Zu einer möglichst genauen Darstellung der Fokuslage z_F in Abhängigkeit des korrigierten Geometrie-Parameters a_korr kann die Funktion zur Berechnung der Fokuslage z_F zusätzlich von höheren Potenzen des korrigierten Geometrie-Parameters a_korr abhängig sein. Insbesondere kann die Funktion einen quadratischen Anteil aufweisen: $Δ z_{F} = g_{1} a_{korr} + g_{2} a_{korr}^{2} - z_{0}$
Der Parameter g bzw. die Parameter g₁ und g₂ können konstante Koeffizienten sein, die in der Speichereinheit 81 abgelegt sind. Wenn die Bearbeitungsoptik 100 über eine Einrichtung zur Einstellung des Energiestrahl-Fokus 76 verfügt, beispielsweise mit einem axial einstellbaren Kollimator 113, dann können die Parameter g bzw. die Parameter g₁ und g₂ von der Kollimatoroptik-Position z_Koll abhängige Funktionen g = g(z_Koll) sein. Das bedeutet, dass die Funktionen g bzw. g₁ und/oder g₂ einen oder auch mehrere vom z_Koll abhängige Terme enthalten können. So kann die zur Bestimmung der Fokuslage verwendete Formel beispielsweise in folgender Weise dargestellt werden: $Δ z_{F} = (g_{10} + g_{11} z_{Koll} + g_{12} z_{Koll}^{2}) a_{korr} + (g_{20} + g_{21} z_{Koll} + g_{22} z_{Koll}^{2}) a_{korr}^{2} - z_{0}$
Die Parameter g₁₀, g₁₁, g₁₂, g₂₀, g₂₁, g₂₂ sind dabei konstante Koeffizienten, deren Werte je nach Konstellation des gesamten Systems teilweise auch Null sein können.
Es ist selbstverständlich, dass die verschiedenen Einheiten und Module der Auswertungseinrichtung 80 nicht als separate Einheiten ausgeführt sein müssen. Alle Module der Auswertungseinrichtung 80 können als funktionale Einheiten einer digitalen Informationsverarbeitungseinrichtung, wie einem Mikrocomputer, ausgebildet sein. Einzelne oder alle Module der Auswertungseinrichtung 80 können als Computerprogramm verwirklicht sein, welches auf einem üblichen Mikrocomputer oder einem Personal Computer abläuft. Es ist eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Auswertungseinrichtung 80 in das Gehäuse integriert ist, in welchem auch der Fokuslagensensor 13 angeordnet ist. Es sind ebenfalls Ausführungsformen vorgesehen, bei denen die Auswertungseinrichtung 80 nicht im Gehäuse des Fokuslagensensors 13 integriert ist.
Es ist auch ein Strahlanalyseverfahren vorgesehen, bei dem die Bestimmung der Fokuslage zusätzlich unter Berücksichtigung eines von der Dicke des Schutzglases 120 abhängigen Offsets erfolgt.
In einem weiteren möglichen Strahlanalyseverfahren kann die Anpassung der Kalibrationsdaten in Abhängigkeit der Dicke des Schutzglases 120 erfolgen.
Es ist weiterhin ein Strahlanalyseverfahren vorgesehen, bei dem vor Beginn der eigentlichen Laserbearbeitung, insbesondere nach dem Wechsel eines Schutzglases 120, Kalibrationsdaten ermittelt werden, indem bei geringer Laserleistung eine Bestimmung des Geometrie-Parameters für mindestens zwei verschiedene Schneidgas-Druck-Einstellungen erfolgt.
Welche Größe als Geometrie-Parameter genutzt wird, der von der Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 bestimmt wird, kann von der Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 abhängig sein. Der Fokuslagensensor 13 umfasst wenigstens die Strahlformungseinrichtung 12 und den Detektor 40.
Erstes Ausführungsbeispiel für einen Fokuslagensensor
Ein erstes Beispiel für die Ausführung des Fokuslagensensors 13 der Strahlanalysevorrichtung 10 ist in den 8 und 9 dargestellt. In einer ersten möglichen Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51. Mittels der Abbildungseinrichtung 50 wird der Probenstrahl 70 auf den Detektor 40 abgebildet. In der ersten Ausführungsform des Fokuslagensensors wird beispielsweise der gesamte von der Strahlformungseinrichtung 12 empfangene Probenstrahl 70 auf den Detektor 40 fokussiert und bildet dort einen Strahlfleck 91 mit einem Durchmesser Ø des Strahlflecks 91 aus. Es wird folglich ein Bild des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 in der Nähe des Detektors 40 erzeugt. Der Abstand des Bildes des Zwischenfokus 71 hängt von der axialen Lage des Zwischenfokus 71 ab und ist somit auch gekoppelt mit der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 77, aus dem der Probenstrahl erzeugt wird. Je nach Abstand des Bildes des Zwischenfokus 71 zum Detektor 40 variiert der Durchmesser fÖ des Strahlflecks 91 auf dem Detektor 40. Der Durchmesser fÖ ist minimal, wenn das Bild des Zwischenfokus 71 genau in der Ebene des Detektors 40 liegt. Der Durchmesser fÖ des Strahlflecks 91 wird umso größer, je größer der Abstand des Bildes des Zwischenfokus 71 zum Detektor 40 ist. Folglich kann aus der Größe des Durchmessers fÖ die axiale Position des Strahlfokus 71 und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 bestimmt. werden. Bei dieser ersten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 ist daher der Durchmesser fÖ des Strahlflecks 91 auf dem Detektor 40 der Geometrie-Parameter, der von der Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 mit dem Strahlfleck 91 bestimmt wird.
Zweites Ausführunqsbeispiel für einen Fokuslaqensensor
Ein zweites Beispiel für die Ausführung des Fokuslagensensors 13 der Strahlanalysevorrichtung 10 ist in 10 dargestellt. In einer zweiten möglichen Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 ein Linsenarray 56. Die Strahlformungseinrichtung 12 kann weiterhin auch eine Abbildungseinrichtung 50 umfassen, mit welcher der Probenstrahl 70 zunächst kollimiert wird. Das Linsenarray 56 beinhaltet eine Vielzahl von in einer Ebene seitlich nebeneinander angeordneten Einzellinsenelementen 57, auch als Lenslets 57 bezeichnet. Die Einzellinsenelemente 57 bilden jeweils einen Teil des Probenstrahls 70 auf den Detektor ab, so dass auf dem Detektor 40 eine Intensitätsverteilung 79 mit einer Vielzahl von Strahlflecken erzeugt wird. Der Detektor 40 kann ungefähr in einem Abstand zum Linsenarray 56 angeordnet sein, der der Brennweite der Einzellinsenelemente 57 des Linsenarrays 56 entspricht. Das Linsenarray 56 und der Detektor 40 bilden in diesem zweiten Ausführungsbeispiel einen sogenannten Wellenfrontsensor aus, dessen Funktionsweise aus dem Stand der Technik bekannt ist und welcher daher hier nicht genauer erläutert werden braucht. Aus den Abständen a_N1 ... a_NM der einzelnen Strahlflecke zueinander kann die Wellenfront des Probenstrahls 70 rekonstruiert werden und daraus wiederum die axiale Position des Strahlfokus 71 und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 bestimmt. werden. Bei dieser zweiten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 bilden daher einer oder mehrere der Abstände a_N1 ... a_NM der Strahlflecke zueinander den Geometrie-Parameter, der von der Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 mit der Vielzahl von Strahlflecken bestimmt wird.
Drittes Ausführungsbeispiel für einen Fokuslagensensor
Ein drittes Beispiel für die Ausführung des Fokuslagensensors 13 der Strahlanalysevorrichtung 10 ist in den 11 und 13 dargestellt. In einer dritten möglichen Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51 und eine Modulationseinrichtung 20 mit einer Sperrzone 25 und zwei Durchlasszonen 23, 24. Mittels der Modulationseinrichtung 20 werden aus dem Probenstrahl 70 zwei Teilstrahlen 73, 74 herausgelöst. Die Modulationseinrichtung 20 weist zu diesem Zweck die beiden Durchlasszonen 23, 24 auf, wobei es sich beispielsweise um kreisförmige Öffnungen einer Doppellochblende handeln kann. Mittels der Abbildungseinrichtung 50 werden die aus dem Probenstrahl 70 herausgelösten Teilstrahlen 73, 74 auf den Detektor 40 abgebildet zur Formung einer Intensitätsverteilung 79 mit zwei Strahlflecken 93, 94. Damit die beiden Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor seitlich voneinander getrennt sind, werden der Abstand zwischen Abbildungseinrichtung 50 und dem Detektor 40 sowie die Brennweite der Abbildungseinrichtung 50 so gewählt, dass das Bild des Zwischenfokus 71 vorzugsweise nicht in der Ebene des Detektors 40 entsteht, sondern entweder in Strahlrichtung vor dem Detektor 40 oder dahinter. Folglich weisen dann die beiden Strahlflecke 93, 94 einen Abstand a zueinander auf, dessen Größe abhängig ist von der axialen Position des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 und damit von der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 77. Folglich kann aus der Größe des Abstands a die axiale Position des Strahlfokus 71 und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 bestimmt. werden. Bei dieser dritten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 bildet daher der Abstand a der Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40 den Geometrie-Parameter, der von der Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 mit den Strahlflecken 93, 94 bestimmt wird.
Viertes Ausführungsbeispiel für einen Fokuslagensensor
Ein viertes Beispiel für die Ausführung des Fokuslagensensors 13 der Strahlanalysevorrichtung 10 ist in den 12 und 14 bis 17 dargestellt. In einer vierten bevorzugten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Abbildungseinrichtung 50 mit einer optischen Linse 51, eine Modulationseinrichtung 20, und eine Strahlseparatoreinrichtung 52 mit wenigstens einem Teilstrahlablenkelement 53, 54.
Die Strahlformungseinrichtung 12 ist in der vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 dazu eingerichtet, aus dem Probenstrahl 70 in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 herauszulösen. Dabei ist der Querschnitt jedes Teilstrahls 73, 74 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 durch jeweils eine Teilapertur 33, 34 definiert. Mit anderen Worten ist die Strahlformungseinrichtung 12 dazu eingerichtet, in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 die mindestens zwei Teilaperturen 33, 34 zum Herauslösen von jeweils einem Teilstrahl 73, 74 auszubilden. Die Teilaperturen 33, 34 sind voneinander abgegrenzt, das heißt, die Ränder der Teilaperturen 33, 34 berühren sich nicht. Die lateralen Positionen der Teilaperturen 33, 34 sind durch ihren jeweiligen Mittelpunkt definiert, wobei der Begriff „lateral“ sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse 11 bezieht. Die Mittelpunkte der Teilaperturen 33, 34 weisen einen Abstand k zueinander auf. Weiterhin ist durch den Abstand k der Teilaperturen 33, 34 eine erste laterale Richtung 31 definiert. Mit anderen Worten, eine gedachte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der beiden Teilaperturen 33, 34 legt die erste laterale Richtung 31 fest. Die erste laterale Richtung 31 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 steht. Da die lokale optische Achse 11 in einem Strahlengang immer mit einer z-Achse eines lokalen Koordinatensystems identifiziert wird, liegt die erste laterale Richtung 31 somit in einer x-y-Ebene.
Die Teilstrahlherauslösung der Strahlformungseinrichtung ist beispielsweise als Modulationseinrichtung 20 verwirklicht, die dazu eingerichtet ist, wenigstens zwei Durchlasszonen 23, 24 und wenigstens eine Sperrzone 25 auszubilden. Dabei bildet jeweils eine der Durchlasszonen 23, 24 eine der beiden Teilaperturen 33, 34 aus. Die Durchlasszonen 23, 24 sind dadurch gekennzeichnet, dass eine Durchlässigkeit für die Strahlung innerhalb der Durchlasszonen 23, 24 wesentlich größer ist als im Bereich der Sperrzone 25. Der Begriff Durchlässigkeit ist dabei hinsichtlich der beabsichtigten Propagationsrichtung der auf diese Weise herausgelösten Teilstrahlen 73, 74 zu verstehen. Insbesondere ist ein Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 23, 24 wenigstens doppelt so hoch wie ein Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone 25. Bevorzugt ist der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone 25 wenigstens 10-mal kleiner als der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 23, 24. Besonders bevorzugt ist der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in der Sperrzone 25 wenigstens 100-mal kleiner als der Strahlungstransmissionsgrad (oder -Reflexionsgrad) in den Durchlasszonen 23, 24.
Die Teilaperturen 33, 34 haben in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 entlang der ersten lateralen Richtung 31 eine Breite b. Die Breite b der Teilaperturen 33, 34 ist höchstens gleich der Hälfte des Abstandes k zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 33, 34. Daraus folgt, dass zwischen den Teilaperturen 33, 34 ein Bereich liegt, beispielsweise eine Sperrzone 25, der mindestens so breit ist wie die Breite b der Teilaperturen 33, 34. Mit anderen Worten, der Abstand k zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 33, 34 beträgt mindestens das Doppelte der Breite b der Teilaperturen 33, 34.
Die Strahlformungseinrichtung 12 ist weiterhin eingerichtet, zur Formung einer Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 mit mindestens zwei Strahlflecken 93, 94 und zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck 93, 94 aus jedem der zwei Teilstrahlen 73, 74, die wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 auf den Detektor 40 abzubilden und mindestens einen der wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 in einer zweiten lateralen Richtung 37 abzulenken und/oder zu versetzen. Jeder der zwei Teilstrahlen 73, 74 bildet wenigstens einen zugehörigen Strahlfleck 93, 94 auf dem Detektor 40 aus. Durch das Ablenken und/oder Versetzen wenigstens eines der Teilstrahlen 73, 74 in der zweiten lateralen Richtung 37 wird zwischen den Positionen der zwei Strahlflecken 93, 94 auf dem Detektor 40 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ein Abstand w ausgebildet. Bevorzugt sind die Positionen der zwei Strahlflecke 93, 94 definiert durch die Mittelpunkte und/oder durch die Schwerpunkte der Intensitätsverteilungen der Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40. Dabei ist die zweite laterale Richtung 37 quer zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet. Die zweite laterale Richtung 37 liegt in einer Ebene, die senkrecht zur lokalen optischen Achse 11 steht. Somit liegt die zweite laterale Richtung 37 ebenso wie die erste laterale Richtung 31 in einer Ebene senkrecht zur lokalen optischen Achse 11, also in einer x-y-Ebene. Die zweite laterale Richtung 37 ist beispielsweise in einem Winkel im Bereich von 30° bis 150° zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet. Die zweite laterale Richtung 37 kann insbesondere (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zur ersten lateralen Richtung 31 ausgerichtet sein.
Indem die Strahlformungseinrichtung 12 den ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 in der zweiten lateralen Richtung 37 ablenkt und/oder versetzt und/oder beide Teilstrahlen 73, 74 in unterschiedliche Richtungen mit einer Richtungsdifferenz in einer Ausrichtung entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ablenkt und/oder versetzt, sind der Strahlfleck 93 des ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen und der Strahlfleck 94 des zweiten der wenigstens zwei Teilstrahlen (am Detektor 40 und somit) in der Intensitätsverteilung 79 entlang der zweiten lateralen Richtung 37 um den Abstand w gegeneinander versetzt, der quer zu dem Abstand a dieser Strahlflecken 93, 94 (am Detektor 40 und somit) in der Intensitätsverteilung 79 entlang der ersten lateralen Richtung 31 ist und wobei der Abstand a allein durch den Abstand k in der ersten lateralen Richtung 31 hervorgerufen wird.
Mit anderen Worten sind der Strahlfleck 93, der durch den ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen am Detektor 40 und in der Intensitätsverteilung hervorgerufen wird, und der Strahlfleck 94, der von dem zweiten der wenigstens zwei Teilstrahlen am Detektor und in der Intensitätsverteilung hervorgerufen wird, in der Intensitätsverteilung neben dem Abstand a entlang der ersten lateralen Richtung 31 zusätzlich um den Versatz w entlang der zweiten lateralen Richtung 37 versetzt.
Der Detektor 40 umfasst einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor, welcher zur Umwandlung der auf den Detektor 40 auftreffenden Intensitätsverteilung 79 in elektrische Signale eingerichtet ist. Der Detektor 40 kann eine CCD-Kamera oder eine CMOS-Kamera oder eine vergleichbare Einrichtung sein. Der lichtstrahlungsempfindliche und räumlich zwei-dimensional auflösende Sensor ist typischerweise ein pixel-basierter Halbleitersensor. Der Detektor 40 ist entlang einer Propagationsstrecke für die Teilstrahlen 73, 74 in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 angeordnet.
Die Auswertungseinrichtung 80 ist eingerichtet zur Verarbeitung der elektrischen Signale 64 des Detektors 40, welche die Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 repräsentieren. Die Auswertungseinrichtung 80 ist eingerichtet zur Bestimmung eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung 79. Bei der hier dargestellten vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 entspricht der Geometrie-Parameter vorzugsweise dem Abstand a entlang der ersten lateralen Richtung 31 zwischen Positionen der beiden Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40. Genauer gesagt, ist also die Auswertungseinrichtung 80 eingerichtet zur Bestimmung einer Positions-Differenz der beiden Strahlflecke 93, 94 in der ersten lateralen Richtung 31, wobei die Positions-Differenz der beiden Strahlflecke 93, 94 in der ersten lateralen Richtung 31 der Abstand a ist. Bevorzugt ist dabei die Position des jeweiligen Strahlflecks 93, 94 definiert durch den Mittelpunkt und/oder durch den Schwerpunkt der Intensitätsverteilung des jeweiligen Strahlflecks 93, 94 auf dem Detektor 40.
Die Größe des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 93, 94 in der ersten lateralen Richtung 31 ist abhängig von der axialen Position des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 und damit von der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76 des Laserstrahls 77. Folglich kann aus der Größe des Abstands a in der ersten lateralen Richtung 31 die axiale Position des Strahlfokus 71 und damit die axiale Position des Energiestrahl-Fokus 76 bestimmt. werden. Bei dieser vierten Ausführungsform des Fokuslagensensors 13 bildet daher der in der ersten lateralen Richtung 31 ausgebildete Abstand a der Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40 den Geometrie-Parameter, der von der Auswertungseinrichtung 80 aus der Intensitätsverteilung 79 mit den Strahlflecken 93, 94 bestimmt wird.
Der Fokuslagensensor 13 dient zur Bestimmung der axialen Position des Energiestrahl-Fokus 76. Insofern bilden die weiter unten angegebenen Formeln zur Berechnung der Position des Zwischenfokus 71 aus dem Abstand a zunächst ein Zwischenergebnis. Bei der endgültigen Bestimmung der Position des Energiestrahl-Fokus 76 ist noch die Abbildung des Probenstrahls 70 durch die Fokussieroptik 116 der Bearbeitungsoptik 100 zu berücksichtigen, weil die Auskopplung des Probenstrahls 70 mittels der Auskopplungseinrichtung 115 üblicherweise im kollimierten Bereich der Bearbeitungsoptik 100 zwischen der Fokussieroptik 116 und der Kollimatoroptik 113 stattfindet.
Der prinzipielle Zusammenhang zwischen der Position des Energiestrahl-Fokus 76 und dem Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 wurde bereits weiter oben erläutert. Im einfachsten Fall, wenn die Brechung des Probenstrahls 70 durch die Fokussieroptik 116 vernachlässigt werden kann, ist der Zwischenfokus 71 ein Spiegelbild des Energiestrahl-Fokus 76, so dass eine Positionsänderung des Zwischenfokus 71 entgegengesetzt gleich groß ist wie eine Positionsänderung des Energiestrahl-Fokus 76. Die Brechung des Probenstrahls 70 durch die Fokussieroptik 116 ist vernachlässigbar, wenn der Zwischenfokus 71 in der Nähe oder sogar genau in der gleichen Ebene wie die Fokussieroptik 116 liegt. In vielen typischen Ausführungsformen einer Bearbeitungsoptik, insbesondere bei einer Schneidoptik, liegt der Zwischenfokus 71 relativ nahe an der Fokussieroptik 116, weil das Schutzglas 120 oftmals ungefähr auf halbem Abstand zwischen der Fokussieroptik 116 und dem Energiestrahl-Fokus 76 angeordnet ist. Im Übrigen ist die Brechung des Probenstrahls 70 durch die Fokussieroptik 116 ohnehin infolge der Kalibrierung des Fokuslagensensors 13 in den Proportionalitätsfaktoren und Konstanten enthalten, die bei der Kalibrierung erzeugt worden sind, und muss daher im Auswertungsalgorithmus nicht extra berücksichtigt werden.
Die nachfolgend exemplarisch angegebenen Formeln für die Berechnung der Position des Zwischenfokus 71 können daher mit vergleichbarer mathematischer Struktur auch für die Berechnung der Position des Energiestrahl-Fokus 76 verwendet werden. Es ergeben sich gegebenenfalls etwas andere Proportionalitätsfaktoren und Konstanten.
Bei einer Änderung der axialen Position des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls ändert sich der Abstand a zwischen den Strahlflecken 93, 94 auf dem Detektor 40 in der ersten lateralen Richtung 31. Das heißt, dass der Abstand a in einer funktionalen Beziehung zur z-Position des Zwischenfokus 71 und damit zur z-Position des Energiestrahl-Fokus 76 steht. Diese funktionale Beziehung wird durch folgende geometrische Größen beeinflusst und/oder definiert:

a: ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung 31 zwischen den Strahlflecken 93 und 94 auf dem Detektor 40;
a': ist der Abstand entlang der ersten lateralen Richtung zwischen den Strahlflecken 93' und 94' auf dem Detektor 40 bei geänderter Strahlfokus-Position;
Δa: ist die Änderung der Positions-Differenzen der Strahlflecke 33, 34 in der ersten lateralen Richtung 31, Δa = a' - a ;
k: ist der Abstand zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 33, 34 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19, wobei die gedachte Verbindungslinie zwischen den Mittelpunkten der Teilaperturen 33, 34 die erste laterale Richtung 31 definiert;
zPS: ist der Abstand zwischen der axialen Position des Zwischenfokus 71 des Probenstrahls 70 und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19;
zPS': ist der Abstand zwischen der axialen Position eines verschobenen Zwischenfokus 71' und der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19;
ΔzPS: ist die Änderung der axialen Zwischenfokus-Position, Δz_PS = z_PS' - z_PS;
s: ist der Abstand zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 und der Sensor-Ebene 39 des Detektors 40;
d: ist der Abstand von der Position der Abbildungseinrichtung 50, genauer ausgedrückt, von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50, zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19.

Aus der Anwendung der Strahlensätze und der bekannten Abbildungsgleichungen erhält man folgende funktionale Beziehung für den Fokuslagensensor der Strahlanalysevorrichtung 10: $Δ z_{PS} = Δ {a c}_{3} / (c_{4} + Δ {a c}_{5})$
Bei den Formelzeichen c₃, c₄, c₅ handelt es sich um Koeffizienten, die zur vereinfachten Darstellung der Formel eingeführt sind.
Für den Fall, dass die Modulationseinrichtung 20 hinter der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet ist, lauten die Koeffizienten c₃, c₄, c₅: $c_{3} = {[z_{PS} (f - d) + d^{2}]}^{2}$
$c_{4} = f^{2} k s$
$c_{5} = (f - d) [z_{PS} (f - d) + d^{2}]$
Die Koeffizienten c₃, c₄, c₅ können ermittelt werden, indem mindestens 3 verschiedene bekannte axiale Positionen des Zwischenfokus 71 bzw. des Energiestrahl-Fokus 76 eingestellt werden und die entsprechende Änderung Δa des Abstandes a bestimmt wird. Die auf diese Weise ermittelten Koeffizienten können als Kalibrierdaten in der Auswertungseinrichtung 80 hinterlegt sein, womit dann die Fokuslagen-Änderung Δz_F für beliebige Abstands-Änderungen Δa von der Auswertungseinrichtung 80 berechnet werden kann.
Alternativ oder ergänzend können die Koeffizienten anhand der oben angegebenen Formeln aus den geometrischen Abständen der Anordnung direkt berechnet sein und in der Auswertungseinrichtung 80 hinterlegt sein.
Dabei ist zu beachten, dass es sich bei allen axialen Abständen, also bei z_PS, d, f, s, um die Strecken entlang der optischen Achse 11 handelt. Bei einer Strahlumlenkung setzen sich die Abstände z_PS, d, f, s folglich gegebenenfalls stückweise aus den jeweiligen Strecken entlang den lokalen optischen Achsen 11 zusammen. Ebenso ist zu beachten, dass bei einer teilweisen Führung der Strahlen durch optisches Material, wie beispielsweise bei der Führung durch einen Strahlteilerwürfel, die entsprechenden Teilstrecken um einen von der Brechzahl des optischen Materials abhängigen Faktor zu korrigieren sind.
Bei einer Ausführungsvariante der Strahlanalysevorrichtung 10 mit der Modulationseinrichtung 20 hinter der Abbildungseinrichtung 50, das heißt, in Strahlrichtung hinter der zumindest einen optischen Linse 51, gibt es einen besonders interessanten Spezialfall, bei dem der Abstand d von der Hauptebene der Abbildungseinrichtung 50 zur Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 gleich der Brennweite f der Abbildungseinrichtung 50 ist. Mit anderen Worten, die Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 ist am bildseitigen Brennpunkt der Abbildungseinrichtung 50 angeordnet. Für eine solche Ausführungsform der Strahlanalysevorrichtung 10 ergeben sich die Koeffizienten der funktionalen Beziehung zu: $c_{3} = f^{4}$
$c_{4} = f^{2} k s$
$c_{5} = 0$
Damit ergibt sich eine besonders einfache funktionale Beziehung mit der Besonderheit, dass die Änderung Δa des Abstandes a zwischen den Strahlflecken 93, 94 exakt proportional zur Änderung Δz_PS der axialen Zwischenfokus-Position ist: $Δ z_{PS} = Δ {a f}^{2} / (k s)$
Mit diesem linearen Zusammenhang wird die Kalibration der Vorrichtung vereinfacht und es wird eine hohe Genauigkeit bei der Fokuslagen-Bestimmung erreicht.
Es ist insbesondere vorteilhaft bei einer derartigen Anordnung, dass die absolute z-Position des Zwischenfokus 71 (z_PS) oder des Energiestrahl-Fokus 76 (z_F) dabei nicht zur Berechnung einer Fokuslagen-Änderung Δz_F benötigt wird.
Dieses Merkmal bzw. diese Anordnung lässt sich vorteilhaft in Ausführungsformen realisieren, bei denen ohnehin ein Abstand zwischen der Abbildungseinrichtung 50 und der Modulationseinrichtung 20 vorgesehen ist, beispielsweise wenn die Modulationseinrichtung 20 im einem gefalteten Strahlweg angeordnet ist.
Um eine möglichst hohe Genauigkeit bei der Bestimmung der Positionen der Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40 zu erreichen, ist es günstig, wenn die Breite b der Teilaperturen 33, 34 klein ist gegenüber ihrem Abstand k. Dann sind die Strahlflecke 93, 94 auf dem Detektor 40 über einen weiten Bereich der axialen Position des Strahlfokus 71 relativ klein und ein möglicher Einfluss einer Intensitätsverteilung innerhalb der Strahlflecke 93, 94 auf die Bestimmung der Position der Strahlflecke 93, 94 ist gering oder ganz vernachlässigbar. Andererseits sollten die Teilaperturen nicht zu klein sein, da sonst die Strahlflecke 93, 94 durch Beugung verbreitert werden können und Beugungsstrukturen außerhalb der Strahlflecke 93, 94 entstehen können. Bevorzugt beträgt der Abstand k daher mindestens das 2,5-fache und höchstens das 25-fache der Breite b der Teilaperturen 33, 34. Besonders bevorzugt beträgt der Abstand k mindestens das 3-fache und höchstens das 12-fache der Breite b der Teilaperturen 33, 34. Überaus bevorzugt beträgt der Abstand k mindestens das 4-fache und höchstens das 7-fache der Breite b der Teilaperturen 33, 34. Bevorzugt haben die Teilaperturen 33, 34 eine einfache geometrische Form, beispielsweise kreisförmig oder elliptisch. Die Teilaperturen 33, 34 können aber auch eine quadratische, rechteckige, rautenförmige, sechseckige, achteckige, trapezförmige, oder ähnliche Form aufweisen. Bei Teilaperturen 33, 34 mit einer kreisrunden Form entspricht die Breite b dem Durchmesser der Teilaperturen 33, 34.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Strahlformungseinrichtung 12 auch zur Herauslösung von mehr als zwei Teilstrahlen eingerichtet sein. Dazu können in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 mehr als zwei, beispielsweise 3 oder 4, voneinander abgegrenzte Teilaperturen angeordnet sein. Die mehreren Teilaperturen können alle entlang der ersten lateralen Richtung 31 verteilt sein. Es ist auch möglich, dass die zu den zwei Teilaperturen 33, 34 zusätzlichen Teilaperturen in einer anderen lateralen Richtung als die zwei Teilaperturen 33, 34 in der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 angeordnet sind.
Bevorzugt umfasst die Strahlformungseinrichtung 12 eine Strahlseparatoreinrichtung 52 zur Ablenkung und/oder Versetzung des ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 in der zweiten lateralen Richtung 37.
In einer Weiterbildung ist die Strahlseparatoreinrichtung 52 ferner zur Ablenkung und/oder Versetzung beider Teilstrahlen 73, 74 in unterschiedliche Richtungen eingerichtet, wobei die Differenz der Ablenkrichtungen entlang der zweiten lateralen Richtung 37 ausgerichtet ist.
Die Strahlformungseinrichtung 12 der Strahlanalysevorrichtung 10 umfasst im Ausführungsbeispiel des vierten Fokuslagensensors 13 eine Modulationseinrichtung 20, eine Abbildungseinrichtung 50 mit wenigstens einer optischen Linse 51, und eine Strahlseparatoreinrichtung 52. Diese drei Einrichtungen 20, 50, 52 können als separate Einrichtungen realisiert sein. Es können aber auch zwei der drei Einrichtungen oder auch alle drei Einrichtungen 20, 50, 52 als eine einheitliche Einrichtung verwirklicht sein. Beispielsweise kann die Modulationseinrichtung 20 als eine Doppellochblende ausgeführt sein. Die Abbildungseinrichtung 50 kann beispielsweise als einzelne Sammellinse 51 ausgeführt sein. Es ist aber beispielsweise ebenso möglich, die Modulationseinrichtung 20 als eine Maskierung, z.B. mittels einer teilweisen Schwärzung, direkt auf oder in der optischen Linse 51 vorzusehen. In diesem letztgenannten Beispiel sind die Modulationseinrichtung 20 und die Abbildungseinrichtung 50 als eine einheitliche Einrichtung verwirklicht. Um dieses Beispiel fortzuführen, könnte die optische Linse 51 auch als asphärische Freiform-Linse ausgeführt sein, bei der die Linsenflächen innerhalb der Teilaperturen 33, 34 eine zusätzliche Verkippung aufweisen zur Ablenkung der Teilstrahlen 73, 74 in der zweiten lateralen Richtung 37. In einem derartigen Ausführungsbeispiel für die Strahlformungseinrichtung 12 sind dann alle Einrichtungen 20, 50, 52 in einer einheitlichen Einrichtung verwirklicht.
Die erste laterale Richtung 31 kann lokal definiert sein. Sie ist jeweils (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zu der lokalen optischen Achse 11. Insbesondere kann sie als diejenige Richtung in einer Ebene senkrecht zu der lokalen optischen Achse 11 definiert sein, entlang welcher die wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 in dieser Ebene nur aufgrund des Abstands k der Teilaperturen 33, 34 einen Abstand zueinander aufweisen.
Die zweite laterale Richtung 37 kann lokal definiert sein. Sie ist jeweils (zumindest im Wesentlichen) senkrecht zur optischen Achse 11 und quer zu der (lokalen) ersten lateralen Richtung 31. Die zweite laterale Richtung 37 kann global betrachtet einmal oder mehrere Male geändert werden, beispielsweise durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung.
Eine Strahlrichtung kann lokal definiert sein. Die Strahlrichtung kann sich global gesehen ändern, beispielsweise durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung. Die lokale Strahlrichtung kann beispielsweise durch eine Richtung eines lokalen Poynting-Vektors des Probenstrahls 70 definiert sein.
In Ausbreitungsrichtung der Strahlung nach der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 kann eine lokale Strahlrichtung eines Teilstrahls 73, 74 durch eine Richtung eines lokalen Poynting-Vektors des jeweiligen Teilstrahls 73, 74 definiert sein.
In Ausbreitungsrichtung der Strahlung nach der Ebene der Teilstrahlherauslösung 19 kann eine lokale (Gesamt-) Strahlrichtung durch eine Mittelung der lokalen Poynting-Vektoren der wenigstens zwei Teilstrahlen 73, 74 definiert sein. Die Beträge der Poynting-Vektoren dieser Teilstrahlen können vor der Mittelung normiert werden. Alternativ kann die lokale (Gesamt-) Strahlrichtung durch den Poynting-Vektor eines fiktiven Verlaufs des Probenstrahls ohne Herauslösung der Teilstrahlen definiert sein.
Die lokale optische Achse 11 kann beispielsweise durch die beabsichtigte lokale Gesamt-Strahlrichtung im Betrieb definiert sein.
In einer Weiterbildung der Erfindung kann die Strahlanalysevorrichtung 10 dazu eingerichtet sein, mehrere Strahlflecke 93, 94, 193, 194 in der Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 zu identifizieren und deren Abstände zueinander in der ersten lateralen Richtung zu bestimmen. Die Strahlanalysevorrichtung 10 ist dazu vorzugsweise mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß dem vierten Ausführungsbeispiel ausgerüstet. Das bedeutet, dass der Fokuslagensensor 13 in dieser Weiterbildung bevorzugt mit einer Modulationseinrichtung 20 ausgerüstet ist zur Herauslösung von vorzugsweise jeweils zwei Teilstrahlen aus einem Probenstrahl. Werden mehrere axial überlagerte Probenstrahlen 70, 170 in die Strahlanalysevorrichtung 10 eingestrahlt, so wird durch die Modulationseinrichtung 20 aus jedem Probenstrahl 70, 170 jeweils ein Strahlfleck-Paar 93, 94 und 193, 194 in der Intensitätsverteilung 79 auf dem Detektor 40 ausgebildet. Insbesondere kann die Strahlanalysevorrichtung 10 somit dazu eingerichtet sein, in der Intensitätsverteilung 79 ein erstes Strahlfleck-Paar 93, 94 zu identifizieren, welches mittels der Modulationseinrichtung 20 aus einem ersten Probenstrahl 70 gebildet ist, und weiterhin ein zweites Strahlfleck-Paar 193, 194 zu identifizieren, welches mittels der Modulationseinrichtung 20 aus einem zweiten Probenstrahl 170 gebildet ist. Die Auswertungseinrichtung 80 kann dazu eingerichtet sein, einen ersten Abstand a zwischen den Strahlflecken 93, 94 in der ersten lateralen Richtung 31 zu bestimmen, die durch die Herauslösung der Teilstrahlen aus dem ersten Probenstrahl 70 ausgebildet sind, sowie einen zweiten Abstand b zwischen den Strahlflecken 193, 194 in der ersten lateralen Richtung 31 zu bestimmen, die durch die Herauslösung der Teilstrahlen aus dem zweiten Probenstrahl 170 ausgebildet sind. Der Abstand a ist dann beispielsweise der Geometrie-Parameter und der Abstand b ist in diesem Fall ein zweiter Geometrie-Parameter. Beide Geometrie-Parameter bzw. beide Abstände a, b werden in der bereits zuvor beschriebenen Weise mit einem vom Schneidgas-Signal 63 bzw. vom Druck p des Schneidgases abhängigen Term korrigiert. Für die Bestimmung der Fokuslage wird von der Auswertungseinrichtung 80 vorzugsweise ein Mittelwert aus den beiden korrigierten Geometrie-Parametern a_korr, b_korr ermittelt: $m_{korr} = (a_{korr} + b_{korr}) / 2$
Die Bestimmung der Fokuslage erfolgt dann entsprechend gemäß der weiter oben erläuterten Formel: $Δ z_{F} = g (z_{Koll}) m_{korr} - z_{0}$
Diese Weiterbildung der Erfindung ist besonders geeignet zur Verwendung an einer Bearbeitungsoptik 100, bei der ein erster Probenstrahl 70 durch Reflexion an einer ersten Grenzfläche des Schutzglases, z.B. der äußeren Grenzfläche 121 des Schutzglases 120, sowie ein zweiter Probenstrahl 170 durch Reflexion an einer zweiten Grenzfläche des Schutzglases, z.B. der inneren Grenzfläche 122 des Schutzglases 120 erzeugt werden, und beide Probenstrahlen 70, 170 mittels des Strahlauskopplers 115 aus der Bearbeitungsoptik 100 ausgekoppelt werden und in die Strahlanalysevorrichtung 10 eingestrahlt werden. Es hat sich nämlich überraschenderweise herausgestellt, dass in einer solchen Konstellation ein thermischer Fokusshift der gesamten Bearbeitungsoptik wie auch ein thermischer Fokusshift nur des Schutzglases mit annähernd gleicher Empfindlichkeit in den Mittelwert m bzw. m_korr eingeht, der aus den beiden Abständen a und b zwischen den Strahlflecken 93, 94 sowie 193, 194 gebildet ist. Die Verwendung des Mittelwertes m oder m_korr zur Bestimmung der Fokuslage ist also besonders vorteilhaft, weil die Genauigkeit der Fokuslagenbestimmung nicht vom Ort der Entstehung eines thermischen Fokusshifts abhängig ist und die Fokuslagenbestimmung somit insgesamt besonders genau und zuverlässig ist.
Die Auswertungseinrichtung 80 kann ferner dazu eingerichtet sein, einen Mittelwert m aus dem ersten Abstand a und dem zweiten Abstand b zu berechnen gemäß der Formel m = (a + b) / 2, und diesen Mittelwert m als Geometrie-Parameter zur Bestimmung der Fokuslage zu verwenden. In diesem Fall erfolgt die Korrektur des Geometrie-Parameters mit einem vom Schneidgas-Signal 63 bzw. vom Druck p des Schneidgases abhängigen Term nach Bildung des Mittelwertes m aus den Abständen a und b.
Alternativ oder zusätzlich zur Bestimmung des Mittelwertes m aus den beiden Abständen a und b zwischen den Strahlflecken 93, 94 sowie 193, 194 kann die Auswertungseinrichtung 80 dazu eingerichtet sein, eine erste mittlere Position aus den Strahlflecken 93 und 193 zu bestimmen, eine zweite mittlere Position aus den Strahlflecken 94 und 194 zu bestimmen, und einen Abstand m in der ersten lateralen Richtung 31 zwischen der ersten mittleren Position und der zweiten mittleren Position zu berechnen. Dabei sind die Strahlflecke 93 und 193 für die erste mittlere Position von den Teilstrahlen gebildet, die von der ersten Durchlasszone 23 der Modulationseinrichtung 20 aus den beiden Probenstrahlen 70 und 170 herausgelöst sind, und die Strahlflecke 94 und 194 für die zweite mittlere Position sind von den beiden Teilstrahlen gebildet, die von der zweiten Durchlasszone 24 der Modulationseinrichtung 20 aus den Probenstrahlen 70 und 170 herausgelöst sind. Selbstverständlich ist das Ergebnis dieser Bestimmung des Abstands m aus den mittleren Positionen identisch mit dem Mittelwert m, der aus den beiden Abständen a und b zwischen den Strahlflecken 93, 94 sowie 193, 194 ermittelt werden kann. Folglich kann auch der auf diese Weise bestimmte Abstand m als Geometrie-Parameter zur Bestimmung der Fokuslage verwendet werden. Der Vorteil dieser alternativen Bestimmung des Wertes m als Geometrie-Parameter besteht darin, dass für die Bestimmung der mittleren Positionen die Strahlflecken 93 und 193 wie auch die Strahlflecken 94 und 194 nicht räumlich voneinander getrennt sein müssen. Mit anderen Worten, bei dieser Art der Auswertung können die Strahlflecke 93 und 193 gegebenenfalls teilweise oder auch ganz überlappen. Auch die Strahlflecke 94 und 194 können überlappen. Eine teilweise Überlappung der Strahlflecke kann beispielsweise dann auftreten, wenn der axiale Abstand vom Zwischenfokus 71 des ersten Probenstrahls 70 zum Zwischenfokus 171 des zweiten Probenstrahls 170 relativ gering ist. Somit ist diese Art der Auswertung besonders vorteilhaft bei der Verwendung an Bearbeitungsoptiken mit einem dünnen Schutzglas. Ein dünnes Schutzglas kann z.B. eine Dicke von typischerweise 1,5 mm aufweisen. Hingegen haben Schutzgläser, insbesondere wenn sie für höhere Schneidgas-Drücke geeignet sein sollen, eine Dicke von typischerweise mehr als 3 mm.
In noch einer Weiterbildung der Erfindung kann die Auswertungseinrichtung 80 dazu eingerichtet sein, einen Abstand c zu bestimmen zwischen den Strahlflecken 93 und 193, die von der ersten Durchlasszone 23 der Modulationseinrichtung 20 aus den beiden Probenstrahlen 70 und 170 herausgelöst sind, und ferner einen im wesentlichen gleichen Abstand c zwischen den Strahlflecken 94 und 194, die von der zweiten Durchlasszone 24 der Modulationseinrichtung 20 aus den Probenstrahlen 70 und 170 herausgelöst sind. In 21 ist der Abstand c zusammen mit den übrigen geometrischen Zusammenhängen zwischen den Positionen der Strahlflecke 93, 94, 193, 194 dargestellt. Der Abstand c kann von der Auswertungseinrichtung 80 insbesondere bestimmt werden durch die Berechnung der Differenz aus den beiden Abständen a und b zwischen den Strahlflecken 93, 94 sowie 193, 194, gemäß der Formel c = (a - b) / 2 . Der Wert dieses Parameters c steht in unmittelbarem Zusammenhang mit dem axialen Abstand zwischen dem Zwischenfokus 71 des ersten Probenstrahls 70 und dem Zwischenfokus 171 des zweiten Probenstrahls 170, also dem axialen Fokusabstand zwischen den beiden Probenstrahlen 70, 170. Dieser axiale Fokusabstand ist einerseits von der Dicke des Schutzglases, und andererseits vom thermischen Fokusshift innerhalb des Schutzglases abhängig. Von anderen Einflüssen ist dieser axiale Fokusabstand und damit der Parameter c nahezu unabhängig. Daher ist der Parameter c besonders geeignet, die Höhe des thermischen Fokusshifts des Schutzglases allein zu bestimmen. Die Auswertungseinrichtung 80 kann deshalb auch dazu eingerichtet sein, bei einer Überschreitung eines vorgegebenen Wertes für den Parameter c ein Signal auszugeben, welches somit auf eine Überschreitung eines vorgegebenen thermischen Shifts des Schutzglases hinweist. Ein derartiges Signal kann insbesondere genutzt werden, um einen notwendigen Wechsel eines verschmutzten Schutzglases anzuzeigen.
Die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10 kann ferner auch vorteilhaft an einer Bearbeitungsoptik 200 eingesetzt werden, bei der zwei Schutzgläser 120, 125 in Strahlrichtung hintereinander angeordnet sind, und bei der in der Schneideinrichtung 140 eine Druckausgleichsverbindung 145 zwischen dem Hohlraum 141 und dem Zwischenraum zwischen den beiden Schutzgläsern vorgesehen ist, so dass auf dem äußeren Schutzglas 120 kein Differenzdruck lastet. Eine solche Konfiguration einer Bearbeitungsoptik 200 ist in der 23 dargestellt. Dieses äußere, dem Bearbeitungsprozess zugewandte Schutzglas 120 muss somit nicht druckfest sein und es kann daher ein dünnes, entsprechend preiswerteres Schutzglas als Verschleißteil eingesetzt werden. Diese Art der Anordnung mit zwei Schutzgläsern 120, 125 und einer Druckausgleichsverbindung 145 hat auch zur Folge, dass bei dem äußeren Schutzglas 120 keine Durchbiegung infolge des Schneidgasdrucks p auftritt. Folglich gibt es dann auch keine Verschiebung des Zwischenfokus 71 im Probenstrahl 70 infolge einer Durchbiegung des Schutzglases. Dennoch ist eine vom Schneidgasdruck p abhängige Korrektur bei der Bestimmung der Fokuslage erforderlich, weil der Energiestrahl-Fokus 76 infolge der Brechzahl-Erhöhung des unter Druck stehenden Schneidgases verschoben wird. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Strahlanalysevorrichtung 10 wegen der Berücksichtigung des Schneidgases auch bei einer Bearbeitungsoptik ohne Durchbiegung des äußeren Schutzglases eine besonders genaue Bestimmung der Fokuslage.
Ein Vorteil der Erfindung liegt darin, dass Änderungen der Fokuslage, die durch ein Prozessgas oder ein Schneidgas insbesondere unter variierendem und/oder hohem Druck verursacht werden, durch Berücksichtigung eines Schneidgas-Signals bei der Bestimmung der Fokuslage kompensiert werden, und auf diese Weise eine wesentlich genauere und zuverlässigere Bestimmung der Fokuslage während eines laufenden Bearbeitungsprozesses erreicht wird.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung, insbesondere in Verbindung mit einem Fokuslagensensor 13 gemäß der vierten beschriebenen Ausführungsform des Fokuslagensensors, besteht darin, dass das Messprinzip der Strahlanalysevorrichtung 10 auf der Bestimmung von Positionen von voneinander abgegrenzten Strahlflecken 93, 94 auf dem Detektor 40 basiert. Die Positions-Bestimmung eines Strahlflecks kann beispielsweise mittels Berechnung des Schwerpunktes der zugehörigen Intensitätsverteilung erfolgen, also dem 1. Moment einer Intensitätsverteilung. Die Bestimmung von Positionen und deren Abstand zueinander ist weitgehend unabhängig beispielsweise von der Höhe eines konstanten Signal-Untergrundes, welcher durch Streulicht und/oder Sensor-Rauschen verursacht sein kann. Dadurch ist das Messprinzip weniger fehleranfällig als andere Verfahren, die beispielsweise auf der Bestimmung eines Strahldurchmessers, also des 2. Moments einer Intensitätsverteilung, und dessen Änderung beruhen, denn die Bestimmung eines 2. Moments ist relativ empfindlich gegenüber Änderungen in der Höhe des Untergrundes.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Bestimmung der axialen Position des Strahlfokus nicht durch Schwankungen der Strahlqualität der Laserstrahlung bzw. des Probenstrahls beeinflusst wird.
Die Bestimmung von Änderungen der axialen Position des Strahlfokus ist quasi in Echtzeit möglich, das heißt, die Bestimmung benötigt nur einen Bruchteil der typischen Zeitkonstante von Fokuslagenänderungen, die durch den thermischen Fokus-Shift bedingt sind. Die Erfindung ist daher auch in der Lage, während eines Laserbearbeitungsprozesses Signale für eine Regelung des Lasermaterialbearbeitungsprozesses zur Verfügung zu stellen. Eine Regelung des Bearbeitungsprozesses kann beispielsweise erfolgen durch eine kontinuierliche Nachstellung oder Korrektur der axialen Fokuslage der Bearbeitungsoptik.
Als Energiestrahl im Sinne dieser Offenbarung gilt bevorzugt ein Strahl aus elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 0,1 µm bis 10 µm, besonders bevorzugt im Bereich von 0,3 µm bis 3 µm, und insbesondere im Bereich von 0,3 µm bis 1,5 µm.
Als Laserstrahlung im Sinne dieser Offenbarung gilt bevorzugt elektromagnetische Strahlung im Bereich von 0,3 µm bis 1,5 µm und mit einer Leistung von wenigstens 1 mW, besonders bevorzugt mit einer Leistung von wenigstens 100 W.
LISTE DER BEZUGSZEICHEN

10: Strahlanalysevorrichtung
11: Optische Achse, lokale optische Achse
12: Strahlformungseinrichtung
13: Fokuslagensensor
19: Ebene der Herauslösung der Teilstrahlen
20: Modulationseinrichtung
23, 24: Durchlasszonen
25: Sperrzone
31: Erste laterale Richtung
33, 34: Teilaperturen
37: Zweite laterale Richtung
39: Sensor-Ebene
40: Detektor
49: Position der Abbildungseinrichtung, Hauptebene der Abbildungseinrichtung
50: Abbildungseinrichtung
51: Optische Linse
52: Strahlseparatoreinrichtung
53, 54: Teilstrahlablenkelemente, z.B. Keilplatten, Prismen oder Planplatten
56: Linsenarray
57: Einzellinsenelement, Lenslet
62: Gasdruck-Sensor
63: (Datenverbindung für) Schneidgas-Signal
64: (Datenverbindung für) Detektor-Signal
65: (Datenverbindung für) Linsenpositions-Signal
67: (Datenverbindung für) Fokus-Nachführ-Signal
70: Probenstrahl
71: Fokus des Probenstrahls (Zwischenfokus)
73, 74: Teilstrahlen
76: Energiestrahl-Fokus
77: Energiestrahl oder Laserstrahl
79: Intensitätsverteilung auf dem Detektor
80: Auswertungseinrichtung
81: Speichereinheit
83: Eingabeeinheit für Schneidgas-Signale
84: Eingabeeinheit für Detektor-Signale
85: Eingabeeinheit für Linsenpositions-Signale
86: Berechnungseinheit
87: Ausgabeeinheit für Fokus-Nachführ-Signale
91: Strahlfleck
93, 94: Strahlflecke
100: Laserbearbeitungsoptik
105: Stelleinrichtung
110: Lichtleitfaser-Ende
111: Optische Achse
113: Kollimator
114: Auskopplungseinrichtung
115: Strahlauskoppler
116: Fokussierung
120: Optisches Element, z.B. Schutzglas
121: Äußere Grenzfläche des Optisches Elements
122: Zweite Grenzfläche des Optisches Elements
125: Zweites Schutzglas
140: Schneidgaseinrichtung
141: Hohlraum der Schneidgaseinrichtung
142: Austrittsöffnung der Schneidgaseinrichtung
143: Schneidgaszuführung
145: Druckausgleichs-Verbindung
146: Schneidgas
150: Werkstück
170: Zweiter Probenstrahl
171: Fokus des zweiten Probenstrahls (zweiter Zwischenfokus)
173, 174: Weitere Teilstrahlen
193, 194: Weitere Strahlflecke
200: Laserbearbeitungsoptik

Claims

Strahlanalysevorrichtung (10) zur Bestimmung einer axialen Position eines Fokus (76), für die Bearbeitung eines Werkstücks (150), eines in einer Laserbearbeitungsoptik (100) geführten Energiestrahls (77) aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich eines Laserstrahls, anhand eines Probenstrahls (70), welcher durch Rückreflexion eines Bruchteils des Energiestrahls (77) an einer Grenzfläche (121) eines optischen Elements (120) der Laserbearbeitungsoptik (100) erzeugt ist, wobei der Probenstrahl (70) einen Zwischenfokus (71) aufweist, dessen Fokuslage mit der Position des Fokus (76) gekoppelt ist, wobei die Strahlanalysevorrichtung (10) einen Fokuslagensensor (13) und eine Auswertungseinrichtung (80) umfasst, wobei der Fokuslagensensor (13) eine Strahlformungseinrichtung (12) und einen Detektor (40) umfasst, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) - eingerichtet ist zum Empfang eines Probenstrahls (70), und - eingerichtet ist, zur Formung einer Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) zumindest einen Teil des Probenstrahls (70) mittels der Strahlformungseinrichtung (12) auf den Detektor (40) abzubilden, wobei der Detektor (40) - einen lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensor umfasst, welcher zur Umwandlung der auf den Detektor (40) auftreffenden Intensitätsverteilung (79) in elektrische Signale (64) eingerichtet ist, und wobei die Auswertungseinrichtung (80) - eingerichtet ist zur Verarbeitung der elektrischen Signale (64) des Detektors (40), die die Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) repräsentieren, - eingerichtet ist zur Bestimmung eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung (79), - eingerichtet ist zum Empfang eines Schneidgas-Signals (63), welches einen Druck eines Prozessgases oder eines Schneidgases repräsentiert, - eingerichtet ist zur Bestimmung eines Korrekturwertes für den Geometrie-Parameter unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals (63), und - eingerichtet ist zur Bestimmung der axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwertes, wobei die Strahlanalysevorrichtung (13) dazu eingerichtet ist, mittels des Fokuslagensensors (13) die Fokuslage des Zwischenfokus (71) zu ermitteln und daraus die damit gekoppelte Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) zu bestimmen, wobei sich bei einer Änderung einer axialen Lage des Zwischenfokus (71) die Intensitätsverteilung auf dem Detektor (40) und somit auch die Größe des Geometrie-Parameters ändern und die Auswerteeinrichtung (80) schließlich die axiale Position des Fokus (76) bzw. eine Änderung der axialen Position des Fokus (76) aus dem korrigierten Geometrie-Parameter ermittelt.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 1, wobei - das optische Element (120) an einen Hohlraum (141) einer Schneidgaseinrichtung (140) der Laserbearbeitungsoptik (100) angrenzt, - der Probenstrahl (70) mittels einer Auskopplungseinrichtung (115) aus der Laserbearbeitungsoptik (100) auskoppelbar ist und der Strahlformungseinrichtung (12) der Strahlanalysevorrichtung (10) zuführbar ist, und wobei - das Schneidgas-Signal (63) einen momentanen Druck eines Prozessgases oder Schneidgases (146) im Hohlraum (141) der Schneidgaseinrichtung (141) repräsentiert.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 2, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) und der Detektor (40) gemeinsam in einem Gehäuse angeordnet sind, welches eine Öffnung zum Einführen des Probenstrahls (70) aufweist, und wobei das Gehäuse mit der Laserbearbeitungsoptik (100) verbindbar ist, so dass der mittels der Auskopplungseinrichtung (115) auskoppelbare Probenstrahl (70) der Strahlformungseinrichtung zuführbar ist.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (80) eine Eingabeeinheit (83) für das Schneidgas-Signal (63), eine Eingabeeinheit (84) für das Detektor-Signal (64), eine Speichereinheit (81), und eine Berechnungseinheit (86) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (80) eingerichtet ist, die Bestimmung des Korrekturwertes unter Berücksichtigung von Kalibrationsdaten durchzuführen, die in der Speichereinheit (81) abgelegt sind, wobei die Kalibrationsdaten eine Änderung des Geometrie-Parameters in Abhängigkeit des Schneidgas-Signals (63) beschreiben.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (80) - eingerichtet ist zum Empfang eines Linsenpositions-Signals (65), welches die axiale Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik (100) repräsentiert, und - eingerichtet ist zur Bestimmung der axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters, des Korrekturwerts, und des Linsenpositions-Signals (65).
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 6, wobei die Auswertungseinrichtung (80) eine Eingabeeinheit (85) für das Linsenpositions-Signal (65) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (80) - eingerichtet ist zur Berechnung eines Fokus-Nachführ-Signals (67) aus der bestimmten axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77), die eine Fokus-Ist-Position ist, und aus einer Fokus-Soll-Position, und - eingerichtet ist zur Ausgabe des Fokus-Nachführ-Signals (67), welches direkt oder über eine übergeordnete Steuerungseinrichtung an eine Stelleinrichtung (105) übergeben wird, mittels der eine Position einer axial positionierbaren Linse der Laserbearbeitungsoptik (100) einstellbar ist.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 8, wobei die Auswertungseinrichtung (80) eine Ausgabeeinheit (87) für das Fokus-Nachführ-Signal (67) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eine Abbildungseinrichtung (50) mit wenigstens einer optischen Linse (51) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei - die Strahlformungseinrichtung (12) eingerichtet ist zur Abbildung des Probenstrahls (70) auf den Detektor (40) und zur Formung der Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) mit einem Strahlfleck (91), der einen Durchmesser fÖ aufweist, und wobei - die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung (80) eine Bestimmung des Durchmessers fÖ des Strahlflecks (91) auf dem Detektor (40) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei - die Strahlformungseinrichtung (12) ein Linsenarray (56) umfasst zur Abbildung des Probenstrahls (70) auf den Detektor (40) und zur Formung der Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) mit einer Vielzahl von Strahlflecken, die Abstände a_N1, a_N2, ... a_NM zueinander aufweisen, und wobei - die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung (60) eine Bestimmung wenigstens eines der Abstände a_N1, a_N2, ... a_NM der Strahlflecke zueinander umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) - eine Modulationseinrichtung (20) umfasst zur Herauslösung von zwei Teilstrahlen (73, 74) aus dem Probenstrahl (70), - eingerichtet ist zur Abbildung der zwei Teilstrahlen (73, 74) auf den Detektor (40) zur Formung der Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) mit Strahlflecken (93, 94), die einen Abstand a zueinander aufweisen, und wobei die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung (80) eine Bestimmung des Abstandes a der Strahlflecke (93, 94) zueinander umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) - eingerichtet ist, aus dem Probenstrahl (70) in einer Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) zwei Teilstrahlen (73, 74) herauszulösen, wobei die zwei Teilstrahlen (73, 74) ein erster Teilstrahl (73) und ein zweiter Teilstrahl (74) sind, wobei Querschnitte der zwei Teilstrahlen (73, 74) in der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) durch jeweils eine Teilapertur (33, 34) definiert sind, wobei die Teilaperturen (33, 34) voneinander abgegrenzt sind und Mittelpunkte der Teilaperturen (33, 34) einen Abstand k zueinander aufweisen, wobei durch den Abstand k der Teilaperturen (33, 34) eine erste laterale Richtung (31) definiert ist, wobei der Begriff „lateral“ sich auf Richtungen in Ebenen senkrecht zur jeweils lokalen optischen Achse (11) bezieht, - eingerichtet ist, zur Formung der Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) mit Strahlflecken (93, 94) und zur Bildung von jeweils wenigstens einem Strahlfleck (93) aus dem ersten Teilstrahl (73) und wenigstens einem Strahlfleck (94) aus dem zweiten Teilstrahl (74), die zwei Teilstrahlen (73, 74) auf den Detektor (40) abzubilden; wobei der Detektor (40) entlang einer Propagationsstrecke für die Teilstrahlen (73, 74) in einem Abstand s hinter der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) angeordnet ist; und wobei die Bestimmung des Geometrie-Parameters durch die Auswertungseinrichtung (80) eine Bestimmung eines Abstandes a entlang der ersten lateralen Richtung (31) zwischen Positionen der beiden Strahlflecke (93, 94) auf dem Detektor (40) umfasst.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 14, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eingerichtet ist, mindestens einen der wenigstens zwei Teilstrahlen (73, 74) in einer zweiten lateralen Richtung (37) abzulenken und/oder zu versetzen zur Ausbildung eines Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (93, 94) auf dem Detektor (40), wobei die zweite laterale Richtung (37) quer zur ersten lateralen Richtung (31) ausgerichtet ist.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 14 oder 15, wobei die erste laterale Richtung (31) und die lokale optische Achse (11) zwischen der Ebene der Teilstrahlherauslösung (19) und dem Detektor (40) durch Strahlfaltung und/oder Strahlumlenkung geändert werden.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eingerichtet ist, die zwei Teilstrahlen (73, 74) relativ zueinander abzulenken und/oder zu versetzen, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der beiden Teilstrahlen (73, 74) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (93, 94) auf dem Detektor (40).
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 14 bis 17, wobei die Strahlformungseinrichtung (12) eine Strahlseparatoreinrichtung (52) mit wenigstens einem Teilstrahlablenkelement (53, 54) umfasst zur Ablenkung und/oder Versetzung eines ersten der wenigstens zwei Teilstrahlen (73, 74) in der zweiten lateralen Richtung (37) zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (93, 94) auf dem Detektor (40).
Strahlanalysevorrichtung (10) nach Anspruch 18, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens zwei Teilstrahlablenkelemente (53, 54) umfasst zur Ablenkung und/oder Versetzung der zwei Teilstrahlen (73, 74) relativ zueinander, wobei eine Differenz zwischen den Ablenkungen und/oder Versetzungen der beiden Teilstrahlen (73, 74) entlang der zweiten lateralen Richtung (37) ausgerichtet ist, zur Ausbildung des Abstandes w entlang der zweiten lateralen Richtung (37) zwischen den zwei Strahlflecken (93, 94) auf dem Detektor (40).
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 oder 19, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens eine Keilplatte (53, 54) als Teilstrahlablenkelement beinhaltet, die in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen (33, 34) angeordnet ist, und die zur Ablenkung des von der Teilapertur (33, 34) herausgelösten Teilstrahls (73, 74) um einen Winkelbetrag im Bereich von 0,02° bis 6° eingerichtet ist.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die Strahlseparatoreinrichtung (52) wenigstens eine verkippte Planplatte (53, 54) oder ein Prisma als Teilstrahlablenkelement beinhaltet, die/das in Strahlrichtung fluchtend vor oder hinter einer der Teilaperturen (33, 34) angeordnet ist, und die/das zur Versetzung des von der Teilapertur (33, 34) herausgelösten Teilstrahls (73, 74) um einen Betrag im Bereich von 0,05 mm bis 3 mm eingerichtet ist.
Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Auswertungseinrichtung (80) weiterhin eingerichtet ist zur Bestimmung einer lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) und eingerichtet ist zur Berechnung einer lateralen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) aus der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (79) und/oder zur Berechnung einer Änderung der lateralen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) aus einer Änderung der lateralen Position der gesamten Intensitätsverteilung (79).
System umfassend eine Strahlanalysevorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und die Laserbearbeitungsoptik (100) zur Führung und zur Fokussierung des Energiestrahls (77), wobei die Laserbearbeitungsoptik (100) das optische Element (120) und eine Auskopplungseinrichtung (115) zur Auskopplung des Probenstrahls (70) umfasst, und wobei die Strahlanalysevorrichtung (10) zum Empfang des ausgekoppelten Probenstrahls (70) mit der Laserbearbeitungsoptik (100) verbindbar ist.
Verfahren zur Bestimmung einer axialen Position eines Fokus (76), für die Bearbeitung eines Werkstücks (150), eines in einer Laserbearbeitungsoptik (100) geführten Energiestrahls (77) aus elektromagnetischer Strahlung, nämlich eines Laserstrahls, umfassend die folgenden Schritte: - Erzeugen eines Probenstrahls (70) durch Rückreflexion eines Bruchteils des Energiestrahls (77) an einer Grenzfläche (121) eines optischen Elements (120) der Laserbearbeitungsoptik (100), wobei der Probenstrahl (70) einen Zwischenfokus (71) aufweist, dessen Fokuslage mit der Position des Fokus (76) gekoppelt ist, - Empfangen des aus der Laserbearbeitungsoptik (100) ausgekoppelten Probenstrahls (70), - Abbilden zumindest eines Teils des Probenstrahls (70) mittels einer Strahlformungseinrichtung (12) auf einen Detektor (40) zur Bildung einer Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40), - Umwandeln der auf den Detektor (40) auftreffenden Intensitätsverteilung (79) in elektrische Signale (64) mittels eines lichtstrahlungsempfindlichen und räumlich zwei-dimensional auflösenden Sensors des Detektors (40), - Verarbeiten der elektrischen Signale (64) des Detektors (40), die die Intensitätsverteilung (79) auf dem Detektor (40) repräsentieren, - Bestimmen eines Geometrie-Parameters aus der Intensitätsverteilung (79), wobei sich bei einer Änderung einer axialen Lage des Zwischenfokus (71) die Intensitätsverteilung auf dem Detektor (40) und somit auch die Größe des Geometrie-Parameters ändern, - Empfangen eines Schneidgas-Signals (63), welches einen Druck eines Prozessgases oder Schneidgases (146) repräsentiert, - Bestimmen eines Korrekturwertes für den Geometrie-Parameter unter Berücksichtigung des Schneidgas-Signals, und - Bestimmen der axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters und des Korrekturwertes, wobei die Fokuslage des Zwischenfokus (71) ermittelt und daraus die damit gekoppelte Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) bestimmt wird und schließlich die axiale Position des Fokus (76) bzw. eine Änderung der axialen Position des Fokus (76) aus dem korrigierten Geometrie-Parameter ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei das optische Element (120) an einen Hohlraum (141) einer Schneidgaseinrichtung (140) der Laserbearbeitungsoptik (100) angrenzt, ferner umfassend die weiteren Verfahrensschritte: - Auskoppeln des Probenstrahls (70) mittels einer Auskopplungseinrichtung (115) aus der Laserbearbeitungsoptik (100), und - Zuführen des ausgekoppelten Probenstrahls (70) zur Strahlanalysevorrichtung (10).
Verfahren nach Anspruch 25, wobei ein durch das optische Element (120) transmittierter Anteil des fokussierten Energiestrahls (77) den unter Druck stehenden Hohlraum (141) durchläuft und der Probenstrahl (70) den Hohlraum (141) nicht durchläuft.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 26, umfassend den Schritt: Bestimmen des Korrekturwertes unter Berücksichtigung von Kalibrationsdaten, wobei die Kalibrationsdaten eine Änderung des Geometrie-Parameters in Abhängigkeit des Schneidgas-Signals (63) beschreiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 27, umfassend die Schritte: - Empfangen eines Linsenpositions-Signals (65), welches die axiale Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik (100) repräsentiert, und - Bestimmen der axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77) unter Berücksichtigung des Geometrie-Parameters, des Korrekturwerts, und des Linsenpositions-Signals (65).
Verfahren nach einem der Ansprüche 24 bis 28, umfassend die Schritte: - Berechnen eines Fokus-Nachführ-Signals (67) aus der bestimmten axialen Position des Fokus (76) des Energiestrahls (77), die eine Fokus-Ist-Position ist, und aus einer Fokus-Soll-Position, und - Bereitstellen und Übergeben des Fokus-Nachführ-Signals (67) an eine Stelleinrichtung (105), mittels der eine Position einer axial positionierbaren Linse oder Linsengruppe der Laserbearbeitungsoptik (100) einstellbar ist.