DE4333801A1

DE4333801A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung des Durchmessers von Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4333801A1
Application number: DE4333801A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dr Ing Kramer; Joachim Dipl Ing Franek
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 1993-10-04
Filing date: 1993-10-04
Publication date: 1995-04-06
Anticipated expiration: 2013-10-05
Also published as: DE4333801C2

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und Vorrichtung zur Stabilisierung der Strahldurchmessers bei Hochleistungslasern zur Materialbearbeitung, bei dem der Strahldurchmesser unter unterschiedlichen Betriebszuständen der Laseranlage stabilisiert wird.

Stand der Technik

Bei dem weit überwiegenden Teil der zur Zeit verwendeten Lasestrahlquellen wird der Laserstrahl 4 mit Hilfe einer transmissiven Optik 2 aus dem Laserresonator ausgekoppelt. In vielen Anwendungsfällen wird der Laserstrahl mit Hilfe eines Teleskops 5 aufgeweitet. Dieses Teleskop kann mit transmissiven optischen Elementen (Linsen 6+7, Bild 2) oder Spiegeln (8+9, Bild 3) aufgebaut sein. Durch thermische Effekte innerhalb des Lasers und in den Optiken wird die Divergenz des Laserstrahls verändert, so daß der Strahldurchmesser während der Ausbreitung des Laserstrahls leistungs- und zeitabhängig ist. Direkt nach dem Einschalten des Laserstrahls und bei niedrigen Leistungen ist der Strahl größer d1 als bei hohen Leistungen und Einschaltzeiten d2. Diese Veränderung des Strahlduchmesser des unfokussierten Strahls mit der Leistung führt zu einer proportionalen Änderung des Fokusdurchmessers. Da beim Einschalten des Laserstrahls die Optiken sich langsam thermalisieren, verändern sich die Bearbeitungseigenschaften des fokussierten Laserstrahls in einer kurzen Zeitspanne relativ stark.

Diese Effekte treten bei Bearbeitungsanlagen mit einem Arbeitsbereich von mehreren Metern verstärkt auf, weil sich Divergenzänderungen auf große Distanzen besonders stark bemerkbar machen.

Zur Zeit werden in diese Anlagen Teleskope (Strahlaufweitungen) eingesetzt, um die natürliche Divergenz des Laserstrahls und damit die Strahldurchmesser änderung über dem Arbeitsbereich zu reduzieren. Diese Teleskope werden in ihren Eigenschaften auch dynamisch verändert, um die Strahldurchmesse ränderungen während der Strahlausbreitung aufgrund der natürlichen Divergenz auf annähernd Null zu reduzieren. Zeitliche und thermische Veränderungen des Lasers bei unterschiedlichen Betriebszuständen, z. B. des aktiven Mediums 3, der Strahlstruktur und der Auskoppelplatte 2, sowie Veränderungen der weiteren Optiken (Teleskop), bleiben bei der Steuerung bzw. Regelung unberücksichtigt.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, die durch die Betriebsbe dingungen der Laseranlage verursachten Veränderungen der Optiken und die dadurch verursachten Veränderungen des Strahls zu kompensieren.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß durch den Einsatz von adaptiven Optiken und eines geeignet aufgebauten Computermodells des optischen Systems dessen aktueller Zustand berechnet wird und aus dem Modell die notwendigen Stellparameter der adaptiven Optik bestimmt werden.

Darstellung der Erfindung Thermische Effekte in transmissiven optischen Elementen

Beim Durchgang der Laserstrahlung durch ein transmissives optisches Element wird immer ein geringer Teil der Laserstrahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Die absorbierte Wärmestrom ist im wesentlichen zu der durch das Element tretenden Intensität (Bild 4, Kurve a) proportional.

(r) = α(t)×I(r,P).

Der Faktor α ist der Absorptionsgrad des optischen Elements für die Laserstrahlung. Durch die Alterung und Verschmutzung der Optik ist dieser Faktor zeitlichen Veränderungen unterworfen. Die lokal auf die Optik treffende Intensität ist von der Laserleistung und der Intensitätverteilung abhängig. Die absorbierte Wärme wird durch Wärmeleitung radial nach außen transportiert und dort an die gekühlte Fassung 11 abgegeben. Zum Transport der Wärme ist ein radiales Temperaturgefälle in dem optischen Element notwendig. Ein schematischer Temperaturverlauf über der Optik 2 ist in der Kurve c dargestellt.

Die optischen Eigenschaften, z. B. Brechungsindex und die Dicke des Elements, sind temperatur-abhängig, so daß durch den Temperaturgradient in der Optik die Eigenschaften der Optik von den Eigenschaften des durchtretenden Lasterstrahls abhängen. In einer einfachen Nährerung kann die Veränderung durch eine zusätzliche positive Brechkraft beschrieben werden, deren Größe vom Temperaturprofil im optischen Element abhängt.

f=f(t,P).

Die Brennweite f (Brechkraft) ist damit von der Zeit und der Leistung des Laserstrahls abhängig. Dieser Effekt kann auch bei gasförmigen Medien auftreten, beispielweise innerhalb des Lasers, in dem von der Abwärme des Laserprozesses beheizten laseraktiven Mediums.

Die Temperaturverteilung in der durchstrahlten Optik kann mit Hilfe der allgemeinen Wärmeleitungsgleichung (Fourier-Biot) berechnet werden, wenn folgende Parameter bekannt sind:
Intensitätsverteilung
Wärmekapazität des optischen Materials
Wärmeleitfähigkeit
Geometrie
Absorptionsgrad
Kühlung der Optik
Intensitätsverteilung
etc.

Die Berechnungen sind zeitabhängig durchzuführen, weil die Intensitätsverteilung mit der Zeit veränderlich ist. Die exakte Berechnung der Temperaturen in Echtzeit ist in der Regel nicht möglich, weil der Rechenaufwand zu groß ist. Zur Vereinfach des Modells kann z. B. die Optikgeometrie durch geeignete Transformationen als eindimensional angenommen werden. Die Wärmeleitung kann beispielsweise in Form eines diskreten Wärmersatzschaltbildes, entsprechend Bild 5, modelliert werden. Die Wärmekapazitäten werden in Form von Kondensatoren, die Wärmewiderstände bzw. Wärmeleitfähigkeit durch Widerstände und die absorbierte durch eingeprägte Ströme dargestellt. Die Berechnung solcher Systeme ist aus der Elektrotechnik gut bekannt.

Aus diesem Modell ergibt sich dann der Temperaturverlauf über der Optik. Mit dem bekannten Verlauf der optischen Eigenschaften mit der Temperatur wird dann die Veränderung der Strahleigenschaften und die notwendige Korrektur durch die adaptive Optik berechnet.

Bei vielen Laserstrahlquellen ändern sich wichtige Strahleigenschaften, wie Modenordnung bzw. Strahlqualität und Divergenz, mit der Strahlleistung. Für eine optimale Kompensation ist es sinnvoll, bei der Berechnung der Korrekturparameter der adaptiven Optik, diese Veränderungen mit in die Berechnungen aufzunehmen. Die Strahleigenschaften können durch Messung bestimmt werden. Da die Änderungen der Strahleigenschaften reproduzierbar sind, ist es ebenfalls möglich, die Änderungen einmalig in Form einer Tabelle in das Rechenwerk einzugeben und damit auf eine fortlaufende Messung zu verzichten.

In vielen Fällen zeigt sich, daß die thermisch induzierte Veränderung der Optik in guter Näherung mit dem Einfügen einer dünnen Linse in den Strahlengang beschrieben werden kann, die die Divergenz des Strahles verändert. Zur Stabilisierung des Strahldurchmessers während der Propagation muß diese Divergenzänderung kompensiert werden.

In Bild 6 ist der schematische Aufbau eines Gesamtsystems dargestellt. Wichtige Parameter des Laserstrahls, z. B. Laserleistung, Intensitätsverteilung und Durchmesser, werden mit Hilfe geeigneter Meßwertumformer 10 aufgenommen. Weitere Betriebsparameter werden direkt in der Laserstrahlquelle gemessen, z. B. Pumpleistung des laseraktiven Mediums. Die gesamten Meßwerte der Meßwertumformer in 10 und 1 werden in dem Rechenwerk 11 entsprechend des vorgegebenen thermischen Modells des Lasers verarbeitet und liefert die Stellgrößen für die adaptive Optik 5. Bei Bedarf können die Eigenschaften des Laserstrahls mit dem Meßumformer 12 kontrolliert werden. Durch die Kontrolle ist es möglich, die Modellparameter an die beispielweise alterungsbedingten Änderungen des Lasers und der adaptiven Optik anzupassen.

Adaptive Optik

Beim Einsatz eines Teleskopes kann die Divergenzänderung auf einfache Weise kompensiert werden. Bei korrekter Einstellung des Teleskops liegen die Brennpunkte der beiden Optiken 6 und 7 im gleichen Punkt (Bild 7a). Bei einer Divergenzänderung des eintreffenden Strahles verschiebt sich der Brennpunkt der eintrittsseitigen Optik 6, so daß die beiden Brennpunkte der Optiken nicht mehr aufeinander liegen. Der auslaufende Strahl konvergiert oder divergiert. Durch die Eigenerwärmung der Optiken 6 und 7 wird die Divergenzänderung weiter verstärkt, so daß sich die Brennpunkte noch weiter voneinander entfernen (Bild 7b).

Damit sich das Teleskop adaptiv den Veränderungen in den Positionen der Brennflecke anpassen kann, muß der Abstand der Linsen 6 und 7 dynamisch nachgeregelt werden. Da die Messung der Brennpunktpositionen nicht online möglich ist, müssen diese Positionen indirekt aus dem in dem vorherigen Kapitel beschrieben thermischen Modell berechnet werden (Bild 7c).

Claims

1. Verfahren zur Kompensation der thermisch induzierten Veränderungen eines zur Materialbearbeitung eingesetzten Laserstrahls, dadurch gekennzeichnet, daß die thermisch induzierten Veränderungen der transmissiven optischen Komponenten mit einem geeignetem Wärmeersatzschaltbild in Abhängigkeit der Zeit und der Strahlcharakteristik in einem Rechenwerk simuliert werden und die Ergebnisse des Modells die Korrekturparameter für eine adaptive Optik liefern.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Strahlcharakteristik in Abhängigkeit der Laserleistung gemessen und als variable Eingangsgröße in das Modell eingehen.

3 Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Veränderungen der Strahlcharakteristik in Abhängigkeit der Laserleistung dem Modell als Parameterfeld vorgegeben wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelparameter des Modells durch die Messung der Strahleigenschaften kontrolliert und optimiert werden.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das laseraktive Medium als optische Komponente in die Kompensation mit einbezogen wird.

6. Verfahren nach Anspruch 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß aus den Veränderungen der Modellparameter auf den Alterungszustand der modellierten Optiken geschlossen wird.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die den thermischen Zustand der optischen Systems beeinflussenden Parameter mit einer Meßeinrichtung erfaßt werden, daß die thermische Veränderung der optischen Komponenten in einem Rechenwerk simuliert und eine adaptive Optik entsprechend den berechneten Ergebnissen eingestellt wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als adaptive Optik ein Teleskop eingesetzt wird, bei dem als Stellgröße der Abstand der Optiken verändert wird.

9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserleistung nicht durch Messung bestimmt, sondern aus der Sollgröße der Strahlleistung des Lasers ermittelt wird.