DE3706271A1 - Vorrichtung zum messen des intensitaetsprofils eines laserstrahls - Google Patents
Vorrichtung zum messen des intensitaetsprofils eines laserstrahlsInfo
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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.
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US4848902A (en) | 1989-07-18 |
DE3706271C2 (de) | 1989-10-26 |
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