DE10144526A1

DE10144526A1 - Determination of average power of a laser beam, using luminescent element placed in beam path so that resultant luminescent light can be used as a measure of laser light power

Info

Publication number: DE10144526A1
Application number: DE2001144526
Authority: DE
Inventors: Gennadij Kusnezow; Alexander Chestakov
Original assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Current assignee: LPKF Laser and Electronics AG
Priority date: 2001-09-10
Filing date: 2001-09-10
Publication date: 2003-04-03

Abstract

Method for determining the average power of a laser beam in which an optical element (4) is placed in the beam path (3) of the laser (2). The laser light causes luminescence in the optical element and the intensity of the resultant luminescent light is measured by a sensor (5). An Independent claim is made for a device for determining the average power of laser light from the luminescence caused in an optical element placed in the beam path.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der mittleren Leistung eines Laserstrahles, bei dem das von einem Laser emittierte Licht in ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element eingeleitet und mittels eines Sensors aus dem eingeleiteten Licht die Leistungsbestimmung durchgeführt wird. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens. The invention relates to a method for determining the average power of a Laser beam, in which the light emitted by a laser enters the beam path of the laser arranged optical element initiated and by means of a sensor from the introduced Light the performance determination is carried out. The invention further relates to a Device for performing the method.

Solche Verfahren werden in der Praxis eingesetzt, um die mittlere Leistung des Laserstrahles während des Laserbearbeitungsprozesses, beispielsweise beim Laserschneiden oder Laserschweißen, zu bestimmen. Dabei ist die genaue Kenntnis der Laserleistung für die Qualität der durch die Laserbearbeitung erzielbaren Verbindungen von entscheidender Bedeutung. Such methods are used in practice to determine the average power of the Laser beam during the laser processing process, for example when laser cutting or Laser welding to determine. Here is the exact knowledge of the laser power for the The quality of the connections that can be achieved by laser processing is of crucial importance Importance.

In der Praxis ist es hierzu bekannt, das optische Element im Strahlengang des Lasers anzuordnen und daraus mittels des Sensors die Leistung zu bestimmen. Bei einer solchen direkten Messung wird die Wärmewirkung der gesamten Strahlung gemessen. Als nachteilig erweist sich jedoch, daß zur Leistungsmessung die Bearbeitung unterbrochen wird, weil das optische Element hierzu in den Strahlengang eingeführt wird. In practice, it is known for this purpose that the optical element in the beam path of the laser to arrange and use it to determine the power using the sensor. With one direct measurement, the thermal effect of the entire radiation is measured. As a disadvantage However, it turns out that the processing is interrupted to measure the power because the optical element for this purpose is introduced into the beam path.

Weiterhin ist es auch bereits bekannt, die Leistung indirekt zu messen, indem Streulicht des Lasers mittels des Sensors bestimmt wird, um so eine Unterbrechung des Strahlenganges zu vermeiden. Bei einer solchen indirekten Messung erfolgt die Messung außerhalb des Strahlenganges, indem ein geringer Anteil mittels eines Reflektors einem außerhalb des Strahlenganges angeordneten Sensor zugeführt wird. Auf der Basis des bekannten Verhältnisses des so erfaßten Streulichtes gegenüber dem Laserlicht im Strahlengang des Lasers wird die Laserleistung ermittelt. Als nachteilig erweist sich hierbei jedoch, daß der Streulichtanteil einer erheblichen Schwankung bei einer Änderung des optischen Elementes und bei verschiedenen Betriebsbedingungen unterliegt. Beispielsweise führt die Erwärmung des Lasers im Betrieb sowie die Betriebsdauer zu Fehlereinflüssen, die eine Leistungsbestimmung mit der gewünschten Genauigkeit ausschließen. Furthermore, it is also already known to indirectly measure the power by stray light from the Laser is determined by means of the sensor, so as to interrupt the beam path to avoid. With such an indirect measurement, the measurement takes place outside the Beam path, by a small portion of a reflector outside the Beam path arranged sensor is supplied. Based on the known Ratio of the scattered light thus detected to the laser light in the beam path of the laser the laser power is determined. A disadvantage here proves, however, that the Scattered light component of a considerable fluctuation when the optical element changes and when is subject to various operating conditions. For example, heating the Lasers in operation as well as the operating time to influence errors, which is a performance determination exclude with the desired accuracy.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art derart auszuführen, daß die Genauigkeit der Leistungsmessung wesentlich erhöht wird. Insbesondere sollen dabei unerwünschte Fehlereinflüsse durch wechselnde Betriebsbedingungen sowie Verschleißerscheinungen weitgehend vermieden werden. Weiterhin soll eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens geschaffen werden. The invention has for its object a method of the type described so that the accuracy of the power measurement is significantly increased. In particular, undesirable influences of errors caused by changing Operating conditions and signs of wear are largely avoided. Furthermore, a Device for performing the method are created.

Die erstgenannte Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst, indem beim Durchgang des Laserlichtes durch das optische Element Lumineszenzlicht mit einer insbesondere von dem Laserlicht abweichenden Wellenlänge erzeugt und mittels des Sensors erfaßt wird. Auf diese Weise wird das beim Durchtritt des Laserlichtes durch das optische Element erzeugte Lumineszenzlicht erfaßt, wobei die erfaßte Leistung des Lumineszenzlichtes linear proportional zu der Leistung des Lasers ist. Der Wellenlängenbereich des Lumineszenzlichtes weicht dabei deutlich von dem Wellenlängenbereich des Laserlichtes ab, so daß ein das Meßergebnis beeinträchtigender Einfluß von Streulicht nahezu ausgeschlossen ist. Insbesondere ist der Wellenlängenbereich des Lumineszenzlichtes in dem Laserlicht nicht enthalten. Weiterhin ist die Erzeugung des Laserlichtes nicht mit einem Leistungsverlust des Laserlichtes verbunden, weil das Laserlicht nahezu ungehindert hindurchtreten kann. Daher ist der mittels des Sensors erfaßte Meßwert unabhängig von der Reflexion und der Beschichtung sowie der Oberflächenbeschaffenheit des optischen Elementes. Zudem ist die erfindungsgemäße Leistungsmessung unabhängig von beispielsweise betriebsbedingt auftretenden, wechselnden Beanspruchungen und Einsatzbedingungen, so daß insbesondere die Art der Beschichtung und/oder die Oberflächenbeschaffenheit nicht zu einem unerwünschten Einfluß auf die Leistungsmessung führt. Durch das Verfahren wird demnach eine weitaus höhere Genauigkeit bei der Messung realisiert, die zudem mit einem optischen Element durchführbar ist, welches keinerlei Verschleiß unterliegt. The first-mentioned object is achieved according to the invention with a method according to the Features of claim 1 solved by the passage of the laser light through the Optical element with a luminescent light that differs in particular from the laser light Wavelength generated and detected by the sensor. In this way it will be The passage of the laser light through the optical element generates luminescent light, the detected power of the luminescent light being linearly proportional to the power of the Lasers is. The wavelength range of the luminescent light differs significantly from that Wavelength range of the laser light, so that the measurement result impairing Influence of stray light is almost impossible. In particular, the wavelength range of the luminescent light is not included in the laser light. Furthermore, the generation of the Laser light is not associated with a loss of power of the laser light because of the laser light can pass through almost unhindered. Therefore, the measured value detected by the sensor regardless of the reflection and the coating as well as the surface quality of the optical element. In addition, the power measurement according to the invention is independent of, for example, operationally occurring, changing loads and Conditions of use, so that in particular the type of coating and / or the Surface quality does not lead to an undesirable influence on the performance measurement. The method therefore results in a much higher accuracy in the measurement realized, which can also be carried out with an optical element that has no wear subject.

Die zweitgenannte Aufgabe, eine mit einem Sensor ausgestattete Vorrichtung zur Bestimmung der mittleren Leistung eines Lasers, welche ein im Strahlengang des Lasers angeordnetes optisches Element aufweist, zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, wird erfindungsgemäß gelöst, indem mittels des Sensors das beim Durchgang des Laserlichtes durch das optische Element erzeugte Lumineszenzlicht bestimmbar ist. Hierdurch werden in einfacher Weise mögliche Fehlereinflüsse, verursacht durch Streulicht des Lasers, vermieden, weil der Wellenlängenbereich des erfaßten Lumineszenzlichtes von dem Wellenlängenbereich des Laserlichtes erheblich abweicht. Dabei tritt das Laserlicht durch das optische Element annähernd verlustfrei hindurch, so daß ein störender Einfluß des optischen Elementes auf den Strahlengang des Laserlichtes sehr gering ist. Dabei kann zudem auf eine Beschichtung der Oberfläche verzichtet werden, so daß insbesondere kein Verschleiß auftritt. Selbst eine Veränderung der Oberflächenbeschaffenheit führt dabei aufgrund der erfindungsgemäßen Erfassung des Lumineszenzlichtes nicht zu einer unerwünschten Abweichung des Meßwertes, so daß insbesondere thermische Einflüsse ausgeschlossen sind. The second task, a device equipped with a sensor for Determination of the average power of a laser, which is in the beam path of the laser arranged optical element to create the method is solved according to the invention by using the sensor when the laser light passes through the luminescent light generated can be determined. This will result in possible avoidance of possible influences of errors caused by scattered light from the laser, because the wavelength range of the detected luminescent light from that Wavelength range of the laser light deviates considerably. The laser light passes through the optical one Element almost without loss, so that a disruptive influence of the optical element on the beam path of the laser light is very low. You can also click on a Coating of the surface can be dispensed with, so that in particular no wear occurs. Even a change in the surface condition results due to the detection of the luminescent light according to the invention does not become an undesirable one Deviation of the measured value, so that in particular thermal influences are excluded.

Hierbei ist es besonders vorteilhaft, wenn der Sensor einen Filter mit einer annähernd auf die Wellenlänge des Lumineszenzlichtes beschränkten Durchlässigkeit aufweist. Hierdurch wird ein möglicher Streulichtanteil des Lasers bereits aufgrund der Abstimmung des Sensors auf die entsprechende Wellenlänge des Lumineszenzlichtes nicht von dem Sensor erfaßt. Daher ist eine Abdeckung oder Kapselung des Sensors gegenüber dem Streulicht nicht erforderlich, so daß der konstruktive Aufbau vereinfacht werden kann. It is particularly advantageous here if the sensor has a filter with an approximation to the Wavelength of the luminescent light has limited transmittance. This will a possible amount of scattered light from the laser due to the tuning of the sensor the corresponding wavelength of the luminescent light is not detected by the sensor. Therefore is not a cover or encapsulation of the sensor against the scattered light required so that the construction can be simplified.

Besonders praxisnah ist es auch, wenn das optische Element als ein Plättchen ausgeführt ist. It is also particularly practical if the optical element is designed as a plate is.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, daß das optische Element gegenüber der optischen Achse mit einem Neigungswinkel angeordnet ist, der dem Brewster-Winkel entspricht. Hierdurch wird die an der Oberfläche des optischen Elementes auftretende Reflexion weiter verringert und dadurch die auftretenden Leistungsverluste des Laserstrahles reduziert. A particularly advantageous embodiment of the invention is also achieved in that the optical element is arranged at an angle of inclination with respect to the optical axis which corresponds to the Brewster angle. As a result, the surface of the optical Element occurring reflection further reduced and thereby the occurring Power loss of the laser beam reduced.

Eine andere besonders einfache Weiterbildung der Erfindung wird auch dadurch erreicht, daß das optische Element derart an einem den Strahlengang des Laserlichtes abschnittsweise einschließenden Gehäuse angeordnet ist, daß dieses zugleich als ein Schutzfenster dient. Hierdurch erfüllt das optische Element neben seiner Eigenschaft, Lumineszenzlicht zu erzeugen, darüber hinaus auch die Aufgabe als Schutzfenster für das Gehäuse des Lasers oder für nichtlineare Module. Hierdurch kann die Anzahl der erforderlichen Bauelemente verringert werden. Another particularly simple development of the invention is also achieved by that the optical element in such a way that the beam path of the laser light sectionally enclosing housing is arranged that this at the same time as a protective window serves. As a result, in addition to its property, the optical element also fulfills luminescent light generate, also the task as a protective window for the housing of the laser or for nonlinear modules. This allows the number of components required be reduced.

Eine weitere besonders günstige Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung wird auch dann erreicht, wenn das optische Element gemeinsam mit einem weiteren optischen Element zu einer eigenständigen und zusätzliche Elemente zur Frequenzkonvertierung des Laserstrahles einschließenden Baueinheit verbunden ist, wobei das jeweils durch die abweichenden Wellenlängenbereiche des Laserlichtes erzeugte Lumineszenzlicht durch eines der beiden optischen Elemente bestimmbar ist. Hierdurch wird die Leistungsmessung einerseits an dem ersten optischen Element, andererseits nach der Konvertierung des Laserstrahles durch das zweite optische Element vorgenommen, wobei die optischen Elemente zugleich als Schutzfenster der Baueinheit ausgeführt sind. Diese Baueinheit ist daher gegen äußere Einflüsse optimal geschützt und kann daher zu einem modularen Aufbau der Vorrichtung wahlweise in den Strahlengang eingesetzt und im Servicefall problemlos ausgetauscht werden. A further particularly favorable embodiment of the present invention is then also achieved when the optical element together with another optical element an independent and additional elements for frequency conversion of the Laser unit enclosing unit is connected, each by the different Wavelength ranges of the laser light generated luminescent light by one of the two optical elements can be determined. As a result, the performance measurement on the one hand first optical element, on the other hand after the conversion of the laser beam by the made second optical element, the optical elements at the same time as Protective window of the unit are executed. This unit is therefore against external influences optimally protected and can therefore be used in a modular design of the device the beam path used and easily replaced when servicing.

Eine besonders praxisnahe Ausgestaltung der Erfindung wird auch dann erreicht, wenn der Laser ein YAG-Laser ist, der dabei beispielsweise Laserlicht der Wellenlänge 1064 nm emittiert und hierdurch ein Lumineszenzlicht im Wellenlängenbereich zwischen 1400 und 1600 nm erzeugt wird. Hierzu dient insbesondere ein als YAG : Cr⁴⁺ ausgeführtes Plättchen. Bei einer Eingangswellenlänge von 355 nm wird dabei mittels eines YAG : Nd³⁺ Plättchens ein Lumineszenzlicht im Wellenlängenbereich zwischen 900 und 1300 nm erzeugt. Die Intensität des Lumineszenzlichtes wird dabei durch die Dicke und die Dotierung bestimmt, wodurch eine einfach Anpassung an die jeweiligen Einsatzbedingungen ermöglicht wird. A particularly practical embodiment of the invention is also achieved if the laser is a YAG laser, which, for example, emits laser light with a wavelength of 1064 nm and thereby generates a luminescent light in the wavelength range between 1400 and 1600 nm. A plate designed as YAG: Cr ⁴⁺ is used in particular for this purpose. At an input wavelength of 355 nm, a luminescent light in the wavelength range between 900 and 1300 nm is generated using a YAG: Nd ³⁺ plate. The intensity of the luminescent light is determined by the thickness and the doping, which enables simple adaptation to the respective conditions of use.

Die Erfindung läßt verschiedene Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in einer Prinzipskizze eine erfindungsgemäße Vorrichtung 1 zur Bestimmung der Leistung eines Lasers 2. Hierzu ist im Strahlengang 3 des Lasers 2 ein als Plättchen ausgeführtes optisches Element 4 angeordnet. Beim Durchgang des Laserlichtes entsteht in dem optischen Element 4 Lumineszenzlicht, welches mittels eines Sensors 5 erfaßt wird. Dabei ist das durch den Sensor 5 erfaßte Lumineszenzlicht linear proportional zu der Leistung des Lasers 2, so daß aus dem erfaßten Lumineszenzlicht problemlos auf die Leistung des Lasers 2 geschlossen werden kann. Die Wellenlänge des Lumineszenzlichtes weicht zudem wesentlich von der Wellenlänge des Laserlichtes ab, so daß mögliche Streulichteinflüsse nicht zu einer Abweichung der mittels des Sensors 5 erfaßten Meßwerte führen. Zusätzlich weist der Sensor 5 einen Filter 6 auf, durch den lediglich das Lumineszenzlicht hindurchtreten kann. Bei dem optischen Element 4 ist daher ein unerwünschter Einfluß auf die Leistungsmessung durch die Art der Beschichtung oder die Oberflächenbeschaffenheit ausgeschlossen. Weiterhin tritt eine lediglich unerhebliche Reflexion an der Oberfläche des optischen Elementes 4 auf, die zudem durch eine geneigte Anordnung, bei der das optische Element 4 mit einer optischen Achse 7 des Lasers 2 den Brewster-Winkel 8 einschließt, weiter verringert wird. Das optische Element 4 ist darüber hinaus auch zugleich als Schutzfenster 9 für eine gekapselte Anordnung des Lasers 2 ausgeführt, um auf diese Weise eine platzsparende Gestaltung zu ermöglichen. The invention allows various embodiments. To further clarify its basic principle, one of these is shown in the drawing and is described below. This shows a schematic diagram of a device 1 according to the invention for determining the power of a laser 2 . For this purpose, an optical element 4 designed as a plate is arranged in the beam path 3 of the laser 2 . When the laser light passes, luminescent light is generated in the optical element 4 and is detected by a sensor 5 . The luminescent light detected by the sensor 5 is linearly proportional to the power of the laser 2 , so that the power of the laser 2 can be inferred from the detected luminescent light. The wavelength of the luminescent light also deviates significantly from the wavelength of the laser light, so that possible effects of scattered light do not lead to a deviation in the measured values detected by the sensor 5 . In addition, the sensor 5 has a filter 6 through which only the luminescent light can pass. In the case of the optical element 4 , an undesirable influence on the power measurement due to the type of coating or the surface condition is therefore excluded. Furthermore, an insignificant reflection occurs on the surface of the optical element 4 , which is further reduced by an inclined arrangement in which the optical element 4 includes the Brewster angle 8 with an optical axis 7 of the laser 2 . In addition, the optical element 4 is also designed as a protective window 9 for an encapsulated arrangement of the laser 2 , in order in this way to enable a space-saving design.

Claims

1. Method for determining the average power of a laser beam, in which the light emitted by a laser ( 2 ) is introduced into an optical element ( 4 ) arranged in the beam path ( 3 ) of the laser ( 2 ) and by means of a sensor ( 5 ) from the introduced light, the power determination is carried out, characterized in that when the laser light passes through the optical element ( 4 ), luminescent light is generated with a wavelength which differs in particular from the laser light and is detected by means of the sensor ( 5 ).

2. A device ( 1 ) equipped with a sensor ( 5 ) for determining the average power of a laser ( 2 ), which has an optical element ( 4 ) arranged in the beam path ( 3 ) of the laser ( 2 ), characterized in that by means of of the sensor ( 5 ) the luminescent light generated when the laser light passes through the optical element ( 4 ).

3. Device ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the sensor ( 5 ) is designed exclusively for determining the wavelength of the luminescent light deviating from the laser light.

4. Device ( 1 ) according to claims 2 or 3, characterized in that the sensor ( 5 ) has a filter ( 6 ) with a transmittance approximately limited to the wavelength of the luminescent light.

5. The device ( 1 ) according to claim 4, characterized in that the optical element ( 4 ) is designed as a plate.

6. The device ( 1 ) according to at least one of claims 2 to 5, characterized in that the optical element ( 4 ) with respect to the optical axis ( 7 ) is arranged with an inclination angle ( 8 ) which corresponds to the Brewster angle.

7. Device ( 1 ) according to claims 2 to 6, characterized in that the optical element ( 4 ) is arranged on a section including the beam path ( 3 ) of the laser light in such a way that it also serves as a protective window ( 9 ).

8. Device ( 1 ) according to claims 2 to 7, characterized in that the optical element is connected together with a further optical element to form an independent and additional elements for frequency conversion of the laser beam including the unit, each by the different wavelength ranges of the laser light generated luminescent light can be determined by one of the two optical elements.

9. Device ( 1 ) according to claims 2 to 8, characterized in that the laser ( 2 ) is a YAG laser which emits in particular laser light of the wavelength 355 nm or 1064 nm and a luminescent light in the wavelength range between 1400 and 1600 nm or generated between 900 and 1300 nm.