DE3706271A1 - Vorrichtung zum messen des intensitaetsprofils eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Messen des Intensi­ tätsprofils eines Laserstrahls mit durch den Laserstrahl beweg­ baren Lochblenden, einer Einrichtung zum Fokussieren des Laser­ strahls und einem in Strahlrichtung hinter den Lochblenden an­ geordneten Strahlungs-Detektor.

Werden Laser für die Materialbearbeitung, zum Schweißen etc. eingesetzt, so ist eine genaue Kenntnis des Intensitätsprofils des Laserstrahles erwünscht. Beim Schweißen mit Hochleistungs­ laserstrahlen ist das Schweißergebnis nicht nur von der Laser­ leistung, sondern auch von der Energieflußdichteverteilung über den Laserstrahlquerschnitt abhängig. Ist die Energieflußdichte­ verteilung über den Laserstrahlquerschnitt bekannt, so kann hieraus durch Integration die Gesamt-Laserleistung ermittelt werden. Die Energieflußdichteverteilung wird auch Intensitäts­ profil genannt. Da das Intensitätsprofil eines Laserstrahls vom Mode abhängt, in welchem der Laser arbeitet, werden Vorrich­ tungen zum Messen des Intensitätsprofils auch "Moden-Analysa­ tor" genannt.

Aus der Zeitschrift "LASERMAGAZIN", Nr. 3, 1985, S. 11-14, ist bekannt, das Intensitätsprofil direkt während des Bearbeitungs­ vorganges zu messen und, falls erforderlich, zu korrigieren (sogenanntes "on-line"-Verfahren).

In der Zeitschrift "LASER UND OPTOELEKTRONIK", Nr. 3, 1985, S. 278-281, wird ein Überblick über den Stand der Technik der Messung von Laserstrahl-Intensitätsprofilen gegeben. Es wird dort ausgeführt, daß bei der Materialbearbeitung mit Hochlei­ stungslasern das reflektierende Werkstück selbst neben dem eigentlichen Laserresonator einen weiteren Resonator bildet, der aus dem Auskoppelspiegel des Laserresonators, der Bearbei­ tungsoptik für den Laserstrahl und dem reflektierenden Werk­ stück besteht. Aufgrund dieser optischen Rückwirkung aus dem Werkstück unterscheidet sich ein "freier" Laserstrahl (also ein Laserstrahl, der nicht auf ein Werkstück gerichtet ist) von einem für die Materialbearbeitung verwendeten Laserstrahl, der am Werkstück Reflexionen erzeugt.

Zur Steuerung und Qualitätssicherung der Materialbearbeitung reicht deshalb die Untersuchung der Strahlqualität des freilau­ fenden Laserstrahls nicht aus. Vielmehr muß der Strahl direkt während des Bearbeitungsvorganges untersucht werden und der Laserresonator muß unmittelbar aufgrund des Untersuchungsergeb­ nisses gesteuert werden.

In dem genannten Artikel aus der Zeitschrift "LASER UND OPTO ELEKTRONIK" wird ein Überblick über herkömmliche Verfahren zur Diagnose von Laserstrahlung gegeben. Die bekannten Vorrich­ tungen zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls und auch die erfindungsgemäße Vorrichtung werden typischerweise für CO₂-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 10,6 µm oder Nd:YAG/Glas-Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1,06 µm verwendet. Daneben kann aber auch andere Laserstrahlung unter­ sucht werden.

Zum Nachweis der Laserstrahlung sind unterschiedliche Strah­ lungs-Detektoren bekannt, wie thermische Detektoren oder Quan­ tendetektoren. Bei thermischen Detektoren wird die Laserstrah­ lung absorbiert und die hierdurch hervorgerufene Erwärmung aus­ genutzt. Die Erwärmung kann unterschiedliche Wirkungen haben.

Bei Bolometerdetektoren bewirkt die Erwärmung eine Widerstands­ änderung, bei Thermopiledetektoren bewirkt die Strahlung ther­ moelektrische Ströme, während bei pyroelektrischen Detektoren Verschiebungsströme auftreten.

Bei Quantendetektoren wird der innere Photoeffekt in einem Halbleitermaterial ausgenutzt.

Strahlungs-Detektoren werden für die vorliegende Erfindung als bekannt vorausgesetzt. Bevorzugt wird ein pyroelektrischer Detektor oder ein Detektor-Array eingesetzt.

Soll ein Laserstrahl direkt während der Materialbearbeitung diagnostiziert werden, so muß aus dem Hauptstrahl (welcher für die Bearbeitung herangezogen wird) ein repräsentativer Teil­ strahl ausgekoppelt werden. Dieser Teilstrahl wird dann auf sein Intensitätsprofil untersucht, welches dem Intensitätspro­ fil des Hauptstrahles entspricht. Verfahren zum Auskoppeln eines Teilstrahles aus dem Hauptstrahl sind als solche bekannt. Beispielsweise ist es möglich, aus dem Hauptstrahl mittels eines teildurchlässigen Spiegels einen Teilstrahl herauszu­ reflektieren, dessen Intensität nur einen Bruchteil von z.B. 0,5% der Intensität des Hauptstrahles ausmacht.

Es ist auch bekannt, den zu vermessenden Teilstrahl derart zu gewinnen, daß einer der beiden Resonator-Spiegel des Laserreso­ nators so gestaltet wird, daß er einen kleinen Bruchteil der Gesamtenergie, z.B. 0,5%, durchläßt, während der andere Reso­ nator-Spiegel den Hauptstrahl durchläßt. Der Meßstrahl hat dann das gleiche Intensitätsprofil wie der Hauptstrahl.

Die in der genannten Zeitschrift "LASER UND OPTOELEKTRONIK", Nr. 3, 1985, S. 278-281, aufgeführten bekannten Vorrichtungen zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls weisen je­ weils spezifische Vor- und Nachteile auf. Gattungsbildend ist die sogenannte Nipkov-Scheibe. Hierbei ist in einer ebenen Scheibe eine Lochblendenreihe spiralförmig ausgebildet und die Scheibe durchsetzt den Strahl senkrecht zu seiner Achse. Der Nachteil dieses bekannten Verfahrens liegt vor allem darin, daß die Bewegung eines einzelnen Loches durch den Strahl nicht streng linear ist, sondern auf einer Kreisbahn liegt. Somit ist das von einem einzelnen Loch abgefahrene, eindimensionale Strahlprofil gekrümmt, was die Auswertung der einzelnen eindi­ mensionalen Strahlprofile zu einem vollständigen Intensitäts­ profil des Laserstrahls erheblich erschwert.

Es sind auch Vorrichtungen zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls bekannt, bei denen hochreflektierende, durch den Laserstrahl rotierende Nadeln, Spiegel oder Speichen verwendet werden (s. "ASER UND OPTOELEKTRONIK", Nr. 3, 1985, S. 279 und DE-GM 82 27 494). Die Verwendung von rotierenden Nadeln, Spiegeln und dergleichen hat aber den Nachteil, daß schon die geringste Veränderung der Reflexionseigenschaften der Nadel bzw. des Spiegels zu einer Verfälschung des Meßergebnis­ ses führt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls zu schaffen, die kostengünstig herstellbar ist, ein einfach auszuwertendes Signal liefert, genaue Meßergebnisse gewährleistet und eine hohe Aufzeichnungsgeschwindigkeit ermöglicht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Vorrichtung mit durch den Laserstrahl bewegbaren Lochblenden, einer Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls und zumindest einem in Strahl­ richtung hinter den Lochblenden angeordneten Strahlungsdetektor dadurch gelöst, daß die Lochblenden in einer dünnen Folie, be­ vorzugt einer Metallfolie, ausgebildet sind, die auf einer im Raum gekrümmten Bahn bewegt wird.

Die Erfindung unterscheidet sich somit vom "Drehnadel-Verfah­ ren" ("LASER UND OPTOELEKTRONIK", Nr. 3, 1985, S. 279, Bild 4c) dadurch, daß keine rotierenden Reflektoren durch den Haupt-La­ serstrahl bewegt werden und keine Umlenkspiegel erforderlich sind.

Von der sogenannten Nipkov-Scheibe unterscheidet sich die er­ findungsgemäße Vorrichtung dadurch, daß die Lochblenden nicht in einer Ebene angeordnet sind, sondern auf einer gekrümmten Fläche. Hierdurch ist es möglich, das Intensitätsprofil des Laserstrahls linear abzutasten (also die gekrümmten Bahnen der Nipkov-Scheibe zu vermeiden). Die Verwendung einer dünnen Folie und die Krümmung derselben in bezug auf den fokussierten Strahl reduziert im Vergleich mit einer Nipkov-Scheibe Abbildungsfehler.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, die Lochblenden in einer kreiszylinderförmigen Fläche (Trommel) anzuordnen. Der Detektor wird im Inneren der Trommel positioniert und die Fokussiereinrichtung außerhalb.

Um Überlagerungen der durch die einzelnen Löcher der Lochblen­ denreihe erzeugten, zunächst eindimensionalen Strahlprofile zu vermeiden, ist in einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, daß die Lochblenden derart in der zylindrischen Fläche angeordnet sind, daß sich bei ihrer Bewegung durch den Laserstrahl zu einem beliebigen Zeitpunkt nicht mehr als ein Loch im Strahl befindet. Hierzu sind die Löcher z.B. wendelför­ mig in der zylindrischen Fläche angeordnet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer schematischen Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Vorrichtung zum Messen des Intensi­ tätsprofils eines Laserstrahls;

Fig. 2 die Vorrichtung gemäß Fig. 1 von oben, d.h. in Richtung des Pfeiles P der Fig. 1;

Fig. 3 eine Abwicklung der bei einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 verwendeten Lochblendenreihe;

Fig. 4 ein typisches, mit einer Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 3 gewonnenes Meßsignal;

Fig. 5 das in Fig. 4 gezeigte Meßsignal in einer verarbeiteten Darstellung; und

Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls.

Der in Fig. 1 gezeigte Laserstrahl 10 ist bereits aus einem Hauptstrahl (nicht gezeigt) in einer der eingangs beschriebenen Weisen ausgekoppelt worden. Der Laserstrahl 10 ist somit reprä­ sentativ für den Hauptstrahl, hat aber nur einen Bruchteil sei­ ner Intensität, z.B. 0,5%. Mittels einer Fokussiereinrichtung, wie einer Sammellinse 12, wird der Laserstrahl 10 auf einen Strahlungs-Detektor 16 fokussiert, der auf der optischen Achse 14 angeordnet ist. Der Strahlungs-Detektor 16 ist ein pyroelek­ trischer Detektor oder bolometrischer Detektor.

Der Detektor 16 ist in einer kreiszylinderförmigen Trommel T (Fig. 1) angeordnet. Die Trommel T dreht um ihre Achse 18 und ihr Mantel bildet eine zylindrische Fläche 20, in welcher Loch­ blenden 22 gemäß Fig. 2 ausgeformt sind. Der auf die Trommel fokussierte Laserstrahl ist mit 10′ bezeichnet.

Fig. 3 zeigt eine Abwicklung einer auf die Fläche 20 aufgeleg­ ten Folie 20′ mit der Lochblendenreihe 22.

Die Lochblenden 22 sind gemäß Fig. 3 wendelförmig als Lochblen­ denreihe um die Drehachse 18 der Trommel T derart ausgeformt, daß sich bei der Drehung der Trommel 20 jeweils nur ein einzi­ ges Loch 22 im Laserstrahl 10 befindet.

Um Beugungseffekte am Detektor 16 gering zu halten, wird der Durchmesser der Lochblenden 22 und der Abstand zwischen der Fläche 20 und dem Detektor 16 je nach der zu vermessenden Laserstrahlung gewählt.

Wesentlich ist, daß alle Lochblenden 22 genau gleich große Flächen aufweisen.

Um Schattenbildungen und andere Meßverfälschungen zu vermeiden, sind die Lochblenden 22 in einer möglichst dünnen Folie ausge­ formt.

Zur Messung des Laserstrahls 10 wird die Trommel derart posi­ tioniert, daß bei ihrer Drehung die einzelnen Lochblenden 22 nacheinander den gesamten Laserstrahl "scheibchenweise" durch­ fahren, wobei entsprechend der Relativposition zwischen den einzelnen Lochblenden 22 und dem Strahl 10 jeweils einzelne, "eindimensionale" Intensitätsverteilungen gewonnen werden, die in Fig. 4 dargestellt sind. Das gesamte, in Fig. 4 gezeigte Meßergebnis ermöglicht eine dreidimensionale Darstellung des Intensitätsprofils des Strahles. In Fig. 5 sind die einzelnen, eindimensionalen Intensitätsprofile gemäß Fig. 4 hinterein­ andergelegt, wobei jeweils eine geringfügige Verschiebung der einzelnen Profile in Richtung der Ortsachse vorgenommen wurde, um eine quasi perspektivische Darstellung des Intensitätspro­ fils zu erzielen.

Mit der Vorrichtung lassen sich verschiedene Laserstrahlen aus­ messen. Bei Wechsel des Laserstrahls wird die Sammellinse 12 ausgetauscht.

Es ist möglich, die Trommel T zwischen dem Detektor 16 und der Linse 12 verschiebbar anzuordnen, so daß der Strahl mit unter­ schiedlichem Durchmesser auf die Fläche 20 der Trommel T abge­ bildet werden kann und somit die abgetasteten Teilstrahlprofile variabel sind.

Der Durchmesser der Löcher beträgt z.B. 80 µm.

Fig. 6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls, welches sich vom in den Fig. 1-3 gezeigten Ausführungsbeispiel dadurch unterscheidet, daß zur Fokussierung des Laserstrahls 10 eine Zylinderlinse verwendet wird, welche auf der Folie 20′ einen langgestreckten, flachen Strahlquerschnitt 10′ erzeugt. Im übrigen entspricht die Ansicht gemäß Fig. 6 der Ansicht gemäß Fig. 3. Als Detektor dient ein langgestrecktes Detektor-Array.

Bei beiden Ausführungsbeispielen wird für die Folie 20′ eine dünne Metallfolie mit einer Stärke von ca. 5 µm verwendet.

Claims (11)

1. Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofils eines Laserstrahls (10) mit durch den Laserstrahl bewegbaren Loch­ blenden (22), einer Einrichtung (12) zum Fokussieren des Laserstrahls (10) und zumindest einem in Strahlrichtung hinter den Lochblenden (22) angeordneten Strahlungs-Detektor (16), dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden (22) in einer dünnen Folie (20′) ausgeformt sind, die auf einer im Raum gekrümmten Bahn bewegt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden (22) in einer zylindrischen Fläche (20) angeordnet sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Fläche (20) kreiszylinderförmig ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Fläche (20) im Strahl (10) zwischen der Fokussierungseinrichtung (12) und dem Detektor (16) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden (22) derart angeordnet sind, daß sich bei ihrer Bewegung zu einem beliebigen Zeitpunkt nicht mehr als ein Loch im Strahl befindet.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden (22) wendelförmig angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (16) zumindest annähernd im Fokus des Strahls (10) angeordnet ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (16) zwischen dem Fokus des Strahls (10) und den Lochblenden (22) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Folie (20′) eine dünne Metallfolie vorgesehen ist, deren Stärke kleiner ist als 100 µm, vorzugsweise kleiner als 10 µm.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Detektoren vorgesehen sind.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblenden (22) in einer oder mehreren Reihen angeord­ net sind.