DE102023135411A1 - METHOD AND LASER SYSTEM FOR COMPENSATING MISALIGNMENTS - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Verfahren (21) zum Betreiben eines Lasersystems (1) sowie ein entsprechend eingerichtetes Lasersystem (1). In dem Verfahren (21) wird im Normalbetrieb des Lasersystems (1) dieses automatisch fortlaufend auf Dejustierungen (13) hin überwacht. Bei einer erkannten Dejustierung (13) wird dann wenigstens ein Betriebsparameter (8) des Lasersystems (1) bestimmt, dessen Veränderung einen der jeweiligen Dejustierung (13 entgegengesetzten Effekt hat. Der wenigstens eine so bestimmte Betriebsparameter (8) wird dann automatisch angepasst, um die erkannte Dejustierung (13) auszugleichen.
The invention relates to a method (21) for operating a laser system (1) and to a correspondingly configured laser system (1). In the method (21), during normal operation of the laser system (1), the system is automatically and continuously monitored for misalignments (13). If a misalignment (13) is detected, at least one operating parameter (8) of the laser system (1) is determined, the change of which has an effect opposite to the respective misalignment (13). The at least one operating parameter (8) determined in this way is then automatically adjusted to compensate for the detected misalignment (13).
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines Lasersystems sowie ein entsprechend eingerichtetes Lasersystemen.The present invention relates to a method for operating a laser system and a correspondingly configured laser system.
Lasersysteme werden heutzutage für vielerlei verschiedene Anwendungen eingesetzt. Dabei werden zunehmend höhere Anforderungen gestellt, beispielsweise hinsichtlich der Leistungsfähigkeit, der Präzision und der Zuverlässigkeit. Dabei können heutige Lasersysteme beispielsweise für industrielle Anwendungen jedoch eine erhebliche Komplexität aufweisen. Dies kann das Auftreten von Situationen begünstigen, in denen ein solches Lasersystem nicht präzise gemäß einer Zielvorgabe arbeitet, also beispielsweise verstellt oder dejustiert bzw. fehljustiert ist. Dazu kann es beispielsweise aufgrund von sich verändernden Umgebungsbedingungen, einer Degradation einzelner Komponenten oder einer mechanischen Verstellung von passiven optischen Elementen, beispielsweise aufgrund von Vibrationen kommen. Dies mit herkömmlichen Mitteln zu vermeiden, ist entweder nicht praktikabel möglich oder könnte einen unverhältnismäßig hohen Kostenaufwand verursachen, sodass stattdessen in entsprechenden Situationen regelmäßig manuelle Wartungsmaßnahmen erforderlich sind bzw. durchgeführt werden. Dazu muss das Lasersystem gegebenenfalls ganz oder teilweise stillgelegt oder in einen Wartungs- oder Justierungsbetrieb versetzt werden, was Aufwand und Kosten verursachen sowie zu einer reduzierten Gesamteffizienz bzw. Produktivität führen kann. Hier wären also Verbesserungen wünschenswert.Laser systems are used today for a wide variety of applications. Increasingly high demands are placed on them, for example, with regard to performance, precision, and reliability. However, today's laser systems, for example for industrial applications, can be extremely complex. This can lead to situations in which such a laser system does not operate precisely according to a specified target, for example, if it is misaligned, degraded, or misaligned. This can occur, for example, due to changing environmental conditions, degradation of individual components, or mechanical adjustment of passive optical elements, for example due to vibrations. Preventing this using conventional means is either impractical or could incur disproportionately high costs, so that regular manual maintenance measures are required or carried out instead. This may require the laser system to be shut down in whole or in part, or to be put into maintenance or adjustment mode, which incurs effort and costs and can lead to reduced overall efficiency and productivity. Improvements would therefore be desirable in this area.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen besonders robusten Betrieb und eine besonders hohe Genauigkeit eines Lasersystems auf besonders einfache und effiziente Weise zu ermöglichen.The object of the present invention is to enable particularly robust operation and particularly high accuracy of a laser system in a particularly simple and efficient manner.
Die Aufgabe wird durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche bzw. die Haupt- und Nebenansprüche gelöst. Weitere mögliche Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung angegeben. Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen, die im Rahmen der Beschreibung für einen der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche dargelegt sind, sind zumindest analog als Merkmale, Vorteile und mögliche Ausgestaltungen des jeweiligen Gegenstands der anderen unabhängigen Ansprüche sowie jeder möglichen Kombination der Gegenstände der unabhängigen Ansprüche, gegebenenfalls in Verbindung mit einem oder mehr der Unteransprüche, anzusehen.The problem is solved by the subject matter of the independent claims, or rather the main and secondary claims. Further possible embodiments of the invention are specified in the subclaims, the description, and the drawings. Features, advantages, and possible embodiments presented in the description for one of the subject matter of the independent claims are to be regarded at least analogously as features, advantages, and possible embodiments of the respective subject matter of the other independent claims, as well as any possible combination of the subject matter of the independent claims, optionally in conjunction with one or more of the subclaims.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann angewendet werden zum oder beim Betreiben eines Lasersystems bzw. einer Laseranlage. Das Verfahren umfasst mehrere Verfahrensschritte, die im Normalbetrieb des jeweiligen Lasersystems automatisch ausgeführt werden können. Der Normalbetrieb meint hier einen Betrieb des Lasersystems im regulären, produktiven Einsatz, also beispielsweise keinen Wartungsbetrieb oder Testbetrieb oder Einstell- bzw. Justierungsbetrieb. Das Lasersystem kann im Normalbetrieb also bestimmungsgemäß und beispielsweise mit voller Leistung und ohne sonstige Einschränkungen betrieben werden.The method according to the invention can be used for or during the operation of a laser system or laser installation. The method comprises several method steps that can be executed automatically during normal operation of the respective laser system. Normal operation here refers to operation of the laser system in regular, productive use, i.e., not during maintenance, testing, or setting or adjustment operations. The laser system can therefore be operated as intended during normal operation, for example, at full power and without any other restrictions.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird das Lasersystem fortlaufend auf Fehl- bzw. Dejustierungen überwacht. Dies können auftretende Abweichungen von einem vordefinierten Ziel- oder Sollverhalten des Lasersystems sein, wie beispielsweise eine Falschausrichtung eines erzeugten bzw. ausgesendeten Laserstrahls, sodass dieser beispielsweise nicht auf einen vorgegebenen Zielpunkt trifft. Dies kann beispielsweise mittels einer entsprechenden Überwachungskamera und/oder einer sonstigen Sensorik erkannt werden. Die Überwachung auf Dejustierungen kann hier beispielsweise mit einer vorgegebenen Frequenz regelmäßig wiederholt oder kontinuierlich durchgeführt werden und/oder beispielsweise jeweils durch ein oder mehr vordefinierte Triggerereignisse ausgelöst werden.In the method according to the invention, the laser system is continuously monitored for misalignments or misalignments. These can be deviations from a predefined target or desired behavior of the laser system, such as, for example, misalignment of a generated or emitted laser beam, so that it does not hit a predetermined target point. This can be detected, for example, by means of a corresponding surveillance camera and/or other sensors. Monitoring for misalignments can, for example, be carried out regularly at a predetermined frequency or continuously and/or can be triggered, for example, by one or more predefined trigger events.
Weiter wird in dem erfindungsgemäßen Verfahren bei einer erkannten Dejustierung wenigstens ein Betriebsparameter des Lasersystems bestimmt, dessen Veränderung einen der Dejustierung, also einer Richtung der entsprechenden Abweichung von dem Sollverhalten entgegengesetzten Effekt hat. Das Verändern des bzw. eines Betriebsparameters bedeutet vorliegend das Verändern des Istwertes und/oder des Sollwertes für diesen Betriebsparameter. Beispielsweise kann eine Liste oder eine Tabelle oder ein Kennfeld oder dergleichen vorgegeben sein, woraus die automatisch veränderbaren, also anpassbaren Betriebsparameter und korrespondierende Effekte oder Wirkungen ermittelt bzw. ausgelesen werden können.Furthermore, in the method according to the invention, when a misalignment is detected, at least one operating parameter of the laser system is determined, the change of which has an effect opposite to the misalignment, i.e., a direction of the corresponding deviation from the desired behavior. Changing the operating parameter(s) here means changing the actual value and/or the desired value for this operating parameter. For example, a list, a table, a characteristic map, or the like can be specified, from which the automatically changeable, i.e., adaptable, operating parameters and corresponding effects or impacts can be determined or read out.
In einem weiteren Verfahrensschritt des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der wenigstens eine bestimmte Betriebsparameter dann automatisch angepasst, also verändert, um die erkannte Dejustierung ganz oder zumindest teilweise auszugleichen, also zu kompensieren. In a further method step of the method according to the invention, the at least one specific operating parameter is then automatically adjusted, i.e. changed, in order to completely or at least partially compensate for the detected misalignment.
Der wenigstens eine Betriebsparameter kann hier also als Stell- oder Steuergröße verwendet werden, um das vorgegebene Ziel- oder Sollverhalten des Lasersystems ganz oder teilweise zu erreichen bzw. wiederherzustellen. Dies kann dazu führen, dass dann letztlich der angepasste Wert des wenigstens einen Betriebsparameters von einem nominalen Sollwert dieses Betriebsparameter im insgesamt optimal justierten Zustand des Lasersystems abweichen kann, also abweichend dazu eingestellt sein bzw. eingestellt werden kann.The at least one operating parameter can therefore be used as a manipulated or controlled variable to fully or partially achieve or restore the specified target or desired behavior of the laser system. This can lead to the adjusted value of the at least one operating parameter ultimately deviating from a nominal target value of this operating parameter in the overall optimally adjusted state of the laser system, i.e. it can be set or adjusted differently.
Das Anpassen des wenigstens einen Betriebsparameters kann eine einmalige bzw. individuelle Anpassung oder eine fortgesetzte Regelung bedeuten oder umfassen. In letzterem Fall kann das Lasersystem beispielsweise einen entsprechenden Regler, wie etwa einen PID- oder Fuzzy-Regler für den wenigstens einen Betriebsparameter oder je Betriebsparameter aufweisen.Adjusting the at least one operating parameter may mean or include a one-time or individual adjustment or a continuous control. In the latter case, the laser system may, for example, have a corresponding controller, such as a PID or fuzzy controller, for the at least one operating parameter or for each operating parameter.
Da in dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Betriebsparameter bestimmt und zum Ausgleichen der Dejustierung verwendet werden kann, der im laufenden Normalbetrieb des Lasersystems automatisch angepasst werden kann, kann das Ausgleichen bzw. Beheben der Dejustierung nicht-invasiv erfolgen. Damit muss das Lasersystem also nicht abgeschaltet werden und es ist auch keine manuelle Wartung oder Nachjustierung notwendig. Damit kann letztlich ein besonders robuster bzw. zuverlässiger fortgesetzter, also dauerhafter Betrieb des Lasersystems mit einer besonders hohen Effizienz, also einem besonders hohen Produktiv- bzw. Nutzzeitanteil erreicht werden. Dies wiederum kann mit dem Lasersystem verknüpfte Betriebs- oder Fertigungskosten im Vergleich zu herkömmlichen Ansätzen reduzieren.Since the method according to the invention allows an operating parameter to be determined and used to compensate for the misalignment, which can be automatically adjusted during normal operation of the laser system, the misalignment can be compensated or corrected non-invasively. This eliminates the need to shut down the laser system, and manual maintenance or readjustment is also not necessary. This ultimately enables particularly robust and reliable continuous, i.e., long-term, operation of the laser system with particularly high efficiency, i.e., a particularly high percentage of productive or useful time. This, in turn, can reduce the operating or manufacturing costs associated with the laser system compared to conventional approaches.
Die vorliegende Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass heutige Lasersysteme mit ihrer erheblichen Komplexität oftmals eine Vielzahl von unterschiedlichen einstellbaren Betriebsparametern aufweisen, die eine direkte oder indirekte Einflussnahme auf verschiedene Eigenschaften bzw. einen Betriebszustand des Lasersystems haben können und damit eine entsprechende zumindest indirekte Steuerung möglich ist. Die erkannte Dejustierung kann damit beispielsweise auch dann effektiv behoben werden, wenn deren eigentliche Ursache nicht in dem letztlich angepassten Betriebsparameter liegt. Mittels der vorliegenden Erfindung kann daher ein effektiver, insbesondere unterbrechungsfreier Betrieb bzw. Weiterbetrieb bei oder nach einer Dejustierung des Lasersystems beispielsweise auch dann ermöglicht werden, wenn die Behebung der eigentlichen Ursache der Dejustierung nicht ohne Weiteres oder zum Beispiel nicht ohne Unterbrechung des Betriebs des Lasersystems, sondern beispielsweise nur im Rahmen eines Wartungs- oder Reparatureingriffs möglich ist. Dies kann dabei zudem besonders einfach, aufwandsarm und kosteneffizient ermöglicht bzw. erreicht werden, da entsprechende Betriebsparameter, die Einfluss auf das Verhalten des Lasersystems haben, oftmals bereits bei herkömmlichen Lasersystemen prinzipiell automatisch einstellbar sein können oder eine solche automatische Einstellbarkeit mit vergleichsweise geringem Aufwand realisiert werden kann. Dies kann beispielsweise rein softwarebasiert, also mittels eines entsprechenden Steuerungs- oder Regelungsprogramms möglich sein. Ebenso kann aber beispielsweise zusätzlich notwendige Hardware, wie ein zusätzlicher elektronischer Regler oder ein Ventil oder eine Heiz- oder Kühleinrichtung, oftmals vergleichsweise einfach und kostengünstig in dem Lasersystem verbaut oder in einem bestehenden Lasersystem nachgerüstet werden, beispielsweise im Vergleich zu einer nicht für Dejustierungen anfälligen Auslegung einschließlich entsprechender Kontrolle und Steuerung der Umgebungsbedingungen oder einer Verwendung präziserer und robusterer Stellmotoren für optische Elemente oder dergleichen.The present invention is based on the realization that today's laser systems, with their considerable complexity, often have a multitude of different adjustable operating parameters that can have a direct or indirect influence on various properties or an operating state of the laser system, thus enabling corresponding, at least indirect, control. The detected misalignment can thus be effectively remedied, for example, even if its actual cause does not lie in the ultimately adjusted operating parameter. By means of the present invention, effective, in particular uninterrupted operation or continued operation during or after a misalignment of the laser system can therefore be enabled, for example, even if the actual cause of the misalignment cannot be remedied easily or, for example, not without interrupting the operation of the laser system, but rather, for example, only as part of a maintenance or repair intervention. This can also be enabled or achieved in a particularly simple, low-effort, and cost-effective manner, since corresponding operating parameters that influence the behavior of the laser system can often already be automatically adjustable in conventional laser systems, or such automatic adjustability can be implemented with comparatively little effort. This can be achieved purely on a software basis, i.e., using a corresponding control or regulation program. However, additional necessary hardware, such as an additional electronic controller or valve, or a heating or cooling device, can often be installed in the laser system or retrofitted into an existing laser system relatively easily and cost-effectively, for example, compared to a design that is not susceptible to misalignment, including appropriate monitoring and control of the ambient conditions, or the use of more precise and robust servomotors for optical elements, or the like.
Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Lasersystem bzw. eine Laseranlage mit wenigstens einer Laserquelle, also wenigstens einer Licht- oder Strahlquelle für Laserlicht, einer Konditionierungs- bzw. Beeinflussungseinrichtung zum Konditionieren bzw. Beeinflussen eines von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls und einer Optik. Dabei sind die Beeinflussungseinrichtung und die Optik in einer bestimmungsgemäßen Strahlausbreitungsrichtung des Laserstrahls innerhalb des Lasersystems der Laserquelle nachgeschaltet. Ein Konditionieren bzw. Beeinflussen des Laserstrahls kann im vorliegenden Sinne beispielsweise dessen Verstärken oder Modulieren oder eine Wellenlängenkonversion oder ein Zerhacken in einzelne Laserpulse und/oder dergleichen mehr bedeuten oder umfassen. Die Konditionierungs- bzw. Beeinflussungseinrichtung kann also beispielsweise ein Verstärker und/oder ein Modulator und/oder ein Wellenlängenkonverter und/oder ein Zerhackter sein oder einen solchen umfassen. Weiter weist das erfindungsgemäße Lasersystem eine Überwachungseinrichtung zum automatischen Erkennen von Dejustierungen des Lasersystems, insbesondere hinsichtlich der Ausrichtung und/oder vorgegebener Eigenschaften des Laserstrahls, und eine Steuereinrichtung zum Steuern und/oder Regeln wenigstens eines Betriebsparameters des Lasersystems auf. Das erfindungsgemäße Lasersystem ist dabei zum, insbesondere automatischen oder teilautomatischen, Ausführen des erfindungsgemäßen Verfahrens eingerichtet. Das erfindungsgemäße Lasersystemen kann also das im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren genannte Lasersystem sein oder diesem entsprechen. Ebenso kann das erfindungsgemäße Lasersystem weitere hier nicht explizit genannte Komponenten oder Funktionen aufweisen, wie etwa eine elektrische Leistungsversorgung, eine RF-Leistungsquelle bzw. eine RF-Leistungsversorgung (RF: Radiofrequenz), ein Kühlsystem, ein Gassystem und/oder dergleichen mehr. Diese Komponenten können zusätzliche eigene Einrichtungen des Lasersystems bilden oder beispielsweise zumindest zum Teil Bestandteil der Beeinflussungseinrichtung sein.The present invention also relates to a laser system or a laser installation with at least one laser source, i.e. at least one light or beam source for laser light, a conditioning or influencing device for conditioning or influencing a laser beam generated by the laser source, and an optical system. The influencing device and the optical system are connected downstream of the laser source in a designated beam propagation direction of the laser beam within the laser system. Conditioning or influencing the laser beam in the present sense can mean or include, for example, its amplification or modulation, or a wavelength conversion or chopping into individual laser pulses and/or the like. The conditioning or influencing device can therefore be or include, for example, an amplifier and/or a modulator and/or a wavelength converter and/or a chopper. Furthermore, the laser system according to the invention comprises a monitoring device for automatically detecting misalignments of the laser system, in particular with regard to the alignment and/or predetermined properties of the laser beam, and a control device for controlling and/or regulating at least one operating parameter of the laser system. The laser system according to the invention is designed to carry out the method according to the invention, in particular automatically or semi-automatically. The laser system according to the invention can therefore be the laser system mentioned in connection with the method according to the invention or correspond thereto. Likewise, the laser system according to the invention can have further components or functions not explicitly mentioned here, such as an electrical power supply, an RF power source or an RF power supply (RF: radio frequency), a cooling system, a gas system and/or the like. These components can be additional devices of the laser system or, for example, be at least partly a component of the influencing device.
In einer möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, als Dejustierungen eine unbeabsichtigte Veränderung der Ausrichtung des Laserstrahls und/oder der Ausgangskaustik des Lasersystems und/oder einer Laserleistung zu erkennen. Eine veränderte Ausrichtung des Laserstrahls, also ein fehlerhaftes Alignment kann beispielsweise eine Verschiebung oder Verkippung einer entsprechenden optischen Achse des Lasersystems bedeuten. Eine solche veränderte Ausrichtung kann insbesondere an oder nach einem Ausgang eines Drive- bzw. Anregungslasers oder eines Verstärkers oder Vorverstärkers des Lasersystems ermittelt werden. Ebenso kann die Ausgangskaustik insbesondere in Strahlausbreitungsrichtung nach einem Vorverstärker oder Hauptverstärker, insbesondere nach dem im Strahlausbreitungsrichtung zuletzt von dem Laserstrahl durchlaufenen Verstärker des Lasersystems ermittelt werden. Die Laserleistung kann ebenso nach einem bzw. dem letzten Verstärker des Lasersystems ermittelt werden. Ebenso kann die Laserleistung beispielsweise an mehreren Stellen, insbesondere nach und/oder vor mehreren oder allen Verstärkern des Lasersystems ermittelt werden. Letzteres kann eine genauere Lokalisierung der Dejustierung und gegebenenfalls eine besser darauf abgestimmte Reaktion oder Maßnahme, also eine entsprechend angepasste Auswahl und/oder Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters ermöglichen. Damit kann gegebenenfalls ein Ausgleichen der Dejustierung mittels einer minimalen Anpassung ermöglicht bzw. erreicht werden. Die hier beschriebenen Dejustierungen können gemäß einer der vorliegenden Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis typischerweise effektiv durch einen oder mehr passend ausgewählte Betriebsparameter beeinflusst werden und eignen sich damit besonders gut für die Anwendung der vorliegenden Erfindung.In one possible embodiment of the present invention, the laser system is configured to detect, as misalignments, an unintentional change in the alignment of the laser beam and/or the output caustic of the laser system and/or a laser power. A changed alignment of the laser beam, i.e., an incorrect alignment, can mean, for example, a shift or tilt of a corresponding optical axis of the laser system. Such a changed alignment can be determined in particular at or after an output of a drive or excitation laser or of an amplifier or preamplifier of the laser system. Likewise, the output caustic can be determined, in particular in the beam propagation direction, after a preamplifier or main amplifier, in particular after the amplifier of the laser system last passed through by the laser beam in the beam propagation direction. The laser power can also be determined after one or the last amplifier of the laser system. Likewise, the laser power can be determined, for example, at multiple points, in particular after and/or before several or all amplifiers of the laser system. The latter can enable a more precise localization of the misalignment and, if necessary, a better-coordinated reaction or measure, i.e., a correspondingly adapted selection and/or adjustment of the at least one operating parameter. This can, if necessary, enable or achieve compensation for the misalignment by means of a minimal adjustment. According to a finding underlying the present invention, the misalignments described here can typically be effectively influenced by one or more appropriately selected operating parameters and are thus particularly well suited for the application of the present invention.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung umfasst die Beeinflussungseinrichtung wenigstens einen Verstärker zum Verstärken des Laserstrahls, also etwa von dessen Intensität oder Leistung. Das Lasersystem ist dann dazu eingerichtet, als den wenigstens einen Betriebsparameter wenigstens einen Betriebsparameter des Verstärkers zu bestimmen und anzupassen. Insbesondere können zum Ausgleichen der jeweiligen Dejustierung ausschließlich ein oder mehr Betriebsparameter des Verstärkers oder diesen fütternder bzw. versorgender Einrichtungen verwendet werden. Es hat sich gezeigt, dass der bzw. ein Verstärker vielfältige Möglichkeiten zum effektiven Beeinflussen des Laserstrahls und damit zum Ausgleichen von Dejustierungen bieten kann. Gleichzeitig kann dadurch, dass ein oder mehr Betriebsparameter des Verstärkers verwendet werden, das Ausgleichen der Dejustierung ermöglicht werden, ohne die Optik zu verstellen oder die Laserquelle, also die eigentliche Erzeugung des Laserlichts zu stören. Dies kann besonders günstig sein, da die Optik oftmals nur weniger präzise verstellt werden kann oder eine präzise Verstellmöglichkeit für die Optik zu sehr hohen Kosten führen kann und eine Veränderung von Betriebsparametern der Laserquelle oftmals nicht praktikabel möglich ist.In a further possible embodiment of the present invention, the influencing device comprises at least one amplifier for amplifying the laser beam, for example, its intensity or power. The laser system is then configured to determine and adapt at least one operating parameter of the amplifier as the at least one operating parameter. In particular, one or more operating parameters of the amplifier or of devices feeding or supplying it can be used exclusively to compensate for the respective misalignment. It has been shown that the amplifier or amplifiers can offer a wide range of options for effectively influencing the laser beam and thus compensating for misalignments. At the same time, by using one or more operating parameters of the amplifier, the misalignment can be compensated for without adjusting the optics or disrupting the laser source, i.e., the actual generation of the laser light. This can be particularly advantageous because the optics can often only be adjusted with less precision, or a precise adjustment option for the optics can lead to very high costs, and changing the operating parameters of the laser source is often not practically possible.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist die Beeinflussungseinrichtung mehrere Verstärker auf, also beispielsweise mehrere in Reihe geschaltete Verstärker oder Verstärkerstufen zum Verstärken des von der Laserquelle erzeugten Laserstrahls. Das Lasersystem ist dann dazu eingerichtet, die Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters automatisch auf die mehreren Verstärker aufzuteilen. Dabei kann beispielsweise ein Gesamtumfang der Anpassung eines bestimmten Betriebsparameters auf mehrere Verstärker aufgeteilt werden und/oder für verschiedene Verstärker unterschiedliche Betriebsparameter angepasst werden. Die Aufteilung kann gleichmäßig oder ungleichmäßig erfolgen. Soll bei einer gleichmäßigen Aufteilung beispielsweise ein bestimmter Betriebsparameter um insgesamt 10 % verändert werden, so kann derselbe Betriebsparameter in einem ersten Verstärker um 5 % und in einem zweiten Verstärker ebenfalls um 5 % verändert werden. Sollen zwei unterschiedliche Betriebsparameter angepasst werden, so kann beispielsweise der erste Betriebsparameter in oder an einem ersten Verstärker und der zweite Betriebsparameter in oder an einem zweiten Verstärker verändert, also angepasst werden. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann zum einen verhindert werden, dass sich das Verhalten eines individuellen Verstärkers zu stark bzw. unnötig stark verändert. Dadurch kann eine robuste Funktion der Verstärker besonders zuverlässig aufrechterhalten werden und ein Auftreten von unerwarteten Nebeneffekten einer größeren Veränderung der Betriebsparameter eines einzelnen Verstärkers vermieden werden. Zum anderen können so insgesamt besonders umfangreiche Anpassungen vorgenommen bzw. besonders große Dejustierungen ausgeglichen werden. So kann beispielsweise der maximale Anpassungs- oder Verstellumfang für einen bestimmten Betriebsparameter in einem individuellen Verstärker begrenzt sein. Durch die Ausnutzung der möglichen Anpassungs- bzw. Verstellumfänge mehrerer Verstärker für denselben und/oder mehrere unterschiedliche Betriebsparameter können dann entsprechend stärkere Effekte erzielt werden.In a further possible embodiment of the present invention, the influencing device has a plurality of amplifiers, for example, a plurality of amplifiers or amplifier stages connected in series for amplifying the laser beam generated by the laser source. The laser system is then configured to automatically distribute the adjustment of the at least one operating parameter among the plurality of amplifiers. For example, the total scope of the adjustment of a specific operating parameter can be distributed among a plurality of amplifiers and/or different operating parameters can be adjusted for different amplifiers. The distribution can be uniform or uneven. If, for example, a specific operating parameter is to be changed by a total of 10% with an even distribution, the same operating parameter can be changed by 5% in a first amplifier and also by 5% in a second amplifier. If two different operating parameters are to be adjusted, for example, the first operating parameter can be changed, i.e. adjusted, in or on a first amplifier and the second operating parameter can be changed, i.e. adjusted, in or on a second amplifier. The embodiment of the present invention proposed here can, on the one hand, prevent the behavior of an individual amplifier from changing too significantly or unnecessarily. This allows the amplifiers to maintain robust function with exceptional reliability and avoids unexpected side effects from major changes to the operating parameters of a single amplifier. Furthermore, it allows for particularly extensive adjustments to be made or for particularly large misalignments to be compensated for. For example, the maximum adjustment or adjustment range for a specific operating parameter in an individual amplifier may be limited. By utilizing the possible adjustment or adjustment ranges of multiple amplifiers for the same and/or several different operating parameters, correspondingly stronger effects can be achieved.
Gemäß einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist oder steuert der wenigstens eine Betriebsparameter eine Eigenschaft des Lasersystems, die von einer mechanischen Stellung bzw. Winkelstellung, also der Ausrichtung eines von dem Laserstrahl beaufschlagten, also angestrahlten oder durchstrahlten, Optikelements des Lasersystems verschieden ist. Ein Optikelement kann im vorliegenden Sinne eine, insbesondere passive, Komponente der Optik, also etwa ein Spiegel oder eine Linse oder ein Prisma sein. Mit anderen Worten wird hier also durch das Anpassen bzw. Verändern des wenigstens einen Betriebsparameters nicht eine Stellung oder Ausrichtung eines Optikelements verändert. Vielmehr kann der wenigstens eine Betriebsparameter beispielsweise ein elektrischer Betriebsparameter und/oder ein thermischer Betriebsparameter und/oder ein Materialparameter sein. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung muss das Lasersystem keine typischerweise sehr aufwändige oder kostenintensive automatische präzise Einstellmöglichkeit für die Optikelemente aufweisen und kann dennoch ein automatisches Ausgleichen von Dejustierungen ermöglichen. Damit kann ein robuster und zuverlässiger Betrieb des Lasersystems besonders einfach und kostengünstig ermöglicht werden. Zudem kann dadurch gegebenenfalls ein besonders einfacher und kompakter Aufbau des Lasersystems ermöglicht oder unterstützt werden.According to a further possible embodiment of the present invention, the at least one operating parameter is or controls a property of the laser system, which is different from a mechanical position or angular position, i.e. the alignment of an optical element of the laser system that is acted upon by the laser beam, i.e. illuminated or irradiated. An optical element in the present sense can be a component of the optics, in particular a passive one, such as a mirror, a lens, or a prism. In other words, adjusting or changing the at least one operating parameter does not change the position or alignment of an optical element. Rather, the at least one operating parameter can be, for example, an electrical operating parameter and/or a thermal operating parameter and/or a material parameter. Due to the embodiment of the present invention proposed here, the laser system does not need to have a typically very complex or cost-intensive automatic precise adjustment option for the optical elements and can nevertheless enable automatic compensation of misalignments. This enables robust and reliable operation of the laser system in a particularly simple and cost-effective manner. Furthermore, this can potentially enable or support a particularly simple and compact design of the laser system.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, den wenigstens einen Betriebsparameter aus einer vorgegebenen Liste von Betriebsparametern zu bestimmen, also auszuwählen. Diese vorgegebene Liste umfasst zumindest eine Gaszusammensetzung, eine Gaswechselwartezeit, einen Gasdruck, einen Gasvolumenstrom, eine Gastemperatur, eine Kühlmitteltemperatur, einen Kühlmittelvolumenstrom, eine RF-Leistung, eine Verstärkerausschaltzeit und eine Vorpulslaserleistung. Die Gaszusammensetzung, die Gaswechselwartezeit, der Gasvolumenstrom, die Gastemperatur und der Gasdruck können für von dem Laserstrahl bzw. Laserlicht durchstrahlte Volumina innerhalb des Lasersystems gelten. Dort kann durch diese Betriebsparameter beispielsweise ein Brechungsindex oder ein Verstärkungsfaktor oder eine Kontamination oder dergleichen beeinflusst werden, um Einfluss auf den Laserstrahl zu nehmen. Ob und gegebenenfalls welcher oder welche dieser Betriebsparameter in einem bestimmten Lasersystem anpassbar sind, kann von dessen konkretem Aufbau abhängen. So kann der Gasdruck beispielsweise bei einem Lasersystemen mit kontinuierlichem Gasfluss entsprechend kontinuierlich angepasst werden. In anderen Lasersystemen kann der Gasdruck gegebenenfalls nur oder bevorzugt bei einem Gaswechsel, beispielsweise in Kombination mit einer Gasanalyse, angepasst werden.In a further possible embodiment of the present invention, the laser system is configured to determine, i.e., select, the at least one operating parameter from a predefined list of operating parameters. This predefined list includes at least a gas composition, a gas exchange waiting time, a gas pressure, a gas volume flow, a gas temperature, a coolant temperature, a coolant volume flow, an RF power, an amplifier turn-off time, and a pre-pulse laser power. The gas composition, the gas exchange waiting time, the gas volume flow, the gas temperature, and the gas pressure can apply to volumes irradiated by the laser beam or laser light within the laser system. These operating parameters can influence, for example, a refractive index, a gain factor, contamination, or the like in order to influence the laser beam. Whether and, if so, which of these operating parameters can be adapted in a particular laser system can depend on its specific design. For example, the gas pressure can be continuously adjusted accordingly in a laser system with a continuous gas flow. In other laser systems, the gas pressure may be adjusted only or preferentially during a gas change, for example in combination with a gas analysis.
Zum Anpassen der Gaszusammensetzung, also einer Gasmischung kann beispielsweise zusätzliches Helium in das entsprechende Volumen eingebracht werden oder dergleichen. Ein Anpassen der Gaswechselwartezeit kann beispielsweise das Ausnutzen von Kontaminations- und/oder Diffusionseffekten ermöglichen. Zum Anpassen beispielsweise der Gaszusammensetzung und/oder des Gasdrucks und/oder der Gastemperatur kann beispielsweise ein in oder an dem jeweiligen Gasvolumen angeordnetes Molekularersieb, etwa aus einem Zeolithmaterial verwendet werden. Dies kann insbesondere mittels einer steuerbaren Heiz- und/oder Kühleinrichtung ausgestattet sein. Dadurch kann beispielsweise eine Adsorptionsrate oder ein Abgeben von zuvor adsorbierten Molekülen automatisch gesteuert werden. Die RF-Leistung kann beispielsweise eine RF-Eingangsleistung oder RF-Versorgungsleistung des an anderer Stelle genannten Verstärkers und/oder eine reflektierte Leistung sein. Dies kann beispielsweise durch Steuerung eines Anpassungsnetzwerks zwischen einer RF-Leistungsquelle und der mit der RF-Leistung versorgten Einrichtung, insbesondere dem Verstärker, angepasst werden. Ebenso kann eine Anpassung hier beispielsweise durch entsprechende Steuerung eines Tastgrades der RF-Leistungsquelle, insbesondere bei einem nicht kontinuierlich gepumpten Verstärker, erfolgen bzw. realisiert werden.To adjust the gas composition, i.e., a gas mixture, additional helium can be introduced into the corresponding volume, for example. Adjusting the gas exchange waiting time can, for example, enable the exploitation of contamination and/or diffusion effects. To adjust, for example, the gas composition and/or the gas pressure and/or the gas temperature, a molecular sieve, such as a zeolite material, arranged in or on the respective gas volume can be used. This can, in particular, be equipped with a controllable heating and/or cooling device. This can, for example, automatically control an adsorption rate or a release of previously adsorbed molecules. The RF power can, for example, be an RF input power or RF supply power of the amplifier mentioned elsewhere and/or a reflected power. This can be adjusted, for example, by controlling a matching network between an RF power source and the device supplied with the RF power, in particular the amplifier. Likewise, an adaptation can be carried out or realized here, for example, by appropriately controlling a duty cycle of the RF power source, especially in the case of a non-continuously pumped amplifier.
Insgesamt bieten die hier genannten Betriebsparameter verschiedene vergleichsweise einfach zu realisierende bzw. auszunutzende und effektive Beeinflussungsmöglichkeiten zum Ausgleichen von Dejustierungen. Das Anpassen zumindest einiger der genannten Betriebsparameter kann rein softwarebasiert möglich sein und somit auch bei bestehenden Lasersystemen ohne weiteres nachgerüstet werden. Eventuell zum Anpassen einiger der genannten Betriebsparameter im Vergleich zu herkömmlichen Lasersystemen benötigte Hardware bzw. Komponenten können vergleichsweise kostengünstig und einfach in bestehende Lasersystemdesigns integrierbar sein.Overall, the operating parameters mentioned here offer various relatively easy-to-implement and effective ways to compensate for misalignments. Adjusting at least some of the operating parameters mentioned can be achieved purely using software and can therefore be easily retrofitted to existing laser systems. Any hardware or components required to adjust some of the operating parameters mentioned, compared to conventional laser systems, can be integrated into existing laser system designs relatively inexpensively and easily.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, die Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters automatisch zu begrenzen, sodass durch die Anpassung ein vorgegebener unterer Schwellenwert für eine Laserausgangsleistung des Lasersystems nicht unterschritten wird. Mit anderen Worten kann das Lasersystem also dazu eingerichtet sein, den wenigstens einen Betriebsparameter in Abhängigkeit von oder unter Berücksichtigung einer Leistung des von dem Lasersystem ausgegebenen Laserstrahls oder Laserlichts festzulegen bzw. durchzuführen. Die hier betrachtete Laserausgangsleistung kann beispielsweise die Leistung des Laserstrahls an oder unmittelbar nach dem genannten, insbesondere dem letzten, Verstärker des Lasersystems oder in einer Zielzone, in welche der von dem Lasersysteme erzeugte Laserstrahl bestimmungsgemäß gelenkt wird, sein. Das Lasersystem kann hier ebenso dazu eingerichtet sein, die Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters so zu steuern bzw. zu begrenzen, dass die Laserleistung innerhalb einer vorgegebenen Spanne gehalten wird. Mit anderen Worten kann das Lasersystem dann also nicht nur eine vorgegebene einzuhaltende Mindestleistung, sondern auch eine vorgegebene einzuhaltende maximale Leistung des Laserstrahls berücksichtigen. Da die Anpassung verschiedener Betriebsparameter Einfluss auf die Laserausgangsleistung haben kann, muss also gegebenenfalls die Anpassung bzw. der Verstellumfang eines Betriebsparameters entsprechend limitiert werden.In a further possible embodiment of the present invention, the laser system is configured to automatically limit the adjustment of the at least one operating parameter, so that the adjustment does not fall below a predetermined lower threshold value for a laser output power of the laser system. In other words, the laser system can be configured to define or implement the at least one operating parameter depending on or taking into account a power of the laser beam or laser light output by the laser system. The laser output power considered here can, for example, be the power of the laser beam at or immediately after the aforementioned, in particular the last, amplifier of the laser system or in a target zone into which the laser beam generated by the laser system is directed as intended. The laser system can also be configured here to control or limit the adjustment of at least one operating parameter such that the laser power is kept within a predetermined range. In other words, the laser system can then take into account not only a predetermined minimum power to be maintained, but also a predetermined maximum power of the laser beam to be maintained. Since the adjustment of various operating parameters can influence the laser output power, the adjustment or adjustment range of an operating parameter must be limited accordingly if necessary.
Sollte zum Ausgleichen einer bestimmten Dejustierung nominell eine größere Anpassung bzw. ein größerer Verstellumfang dieses Betriebsparameters notwendig sein, so kann das Lasersystem dazu eingerichtet sein, zusätzlich oder alternativ wenigstens einen anderen Betriebsparameter zu bestimmen und anzupassen, der einen kleineren oder keinen oder einen entgegengesetzten Einfluss auf die Laserausgangsleistung hat. Es kann hier also der maximale Umfang der Anpassung und/oder die Auswahl des oder der anzupassenden Betriebsparameter durch eine vorgegebene einzuhaltende Mindestverstärkung eines bzw. des an anderer Stelle genannten Verstärkers des Lasersystems begrenzt sein. Der vorgegebene Schwellenwert kann dann also beispielsweise effektiv für die Mindestverstärkung des Verstärkers vorgegeben oder von dieser abhängig sein, beispielsweise auch unter Berücksichtigung bzw. Einbeziehung von nach dem Verstärker auftretenden Verlusten. Durch die in der hier beschriebenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorgeschlagene Berücksichtigung der Laserausgangsleistung beim Ausgleichen einer Dejustierung kann sichergestellt werden, dass das Lasersystem seine bestimmungsgemäße Aufgabe stets ausführen kann. Dazu kann beispielsweise das Erreichen wenigstens der vorgegebenen minimalen Laserausgangsleistung bzw. der entsprechenden Mindestverstärkung priorisiert werden über das vollständige Ausgleichen einer erkannten Dejustierung. Insgesamt kann die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ebenfalls einem besonders robusten und zuverlässigen Betrieb des Lasersystems zugutekommen.Should a larger adjustment or a larger range of adjustment of this operating parameter be nominally necessary to compensate for a specific misalignment, the laser system can be configured to additionally or alternatively determine and adjust at least one other operating parameter that has a smaller, no, or opposite influence on the laser output power. The maximum extent of the adjustment and/or the selection of the operating parameter(s) to be adjusted can therefore be limited by a predetermined minimum gain of one or more of the amplifiers of the laser system mentioned elsewhere. The predetermined threshold value can then, for example, effectively be predetermined for the minimum gain of the amplifier or be dependent on this, for example also taking into account or including losses occurring downstream of the amplifier. By taking the laser output power into account when compensating for a misalignment, as proposed in the embodiment of the present invention described here, it can be ensured that the laser system can always perform its intended task. For example, achieving at least the specified minimum laser output power or the corresponding minimum gain can be prioritized over completely compensating for a detected misalignment. Overall, the proposed embodiment of the present invention can also benefit particularly robust and reliable operation of the laser system.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, mehrere Betriebsparameter des Lasersystems in Kombination miteinander anzupassen, um die jeweilige Dejustierung auszugleichen. Das Lasersystem kann dabei insbesondere dazu eingerichtet sein, dies abhängig von der Größe bzw. Stärke der jeweiligen erkannten Dejustierung durchzuführen. Dies kann beispielsweise bedeuten, dass erst oder nur dann, wenn die Dejustierung eine vorgegebene Größe oder Stärke übersteigt oder wenn ein einzelner Betriebsparameter um mehr als einen vorgegebenen absoluten oder relativen Wert oder Betrag verändert werden müsste, um die Dejustierung vollständig auszugleichen, mehrere Betriebsparameter zum Ausgleichen dieser Dejustierung bestimmt und angepasst werden. Dadurch können kleinere Dejustierung gegebenenfalls einfacher ausgeglichen werden, während größere Dejustierungen ausgeglichen werden können, ohne einen einzelnen Betriebsparameter übermäßig stark zu verändern, wodurch gegebenenfalls unerwünschte Nebeneffekte vermieden oder reduziert werden können. Zudem kann die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung auch ein automatisches Ausgleichen von Dejustierungen ermöglichen, die durch Anpassen nur eines einzelnen Betriebsparameters nicht vollständig ausgleichbar wären. Damit kann also letztlich ein besonders robuster, zuverlässiger und präziser Betrieb des Lasersystems gegebenenfalls auch besonders langfristig erreicht bzw. sichergestellt werden.In a further possible embodiment of the present invention, the laser system is configured to adjust several operating parameters of the laser system in combination with one another in order to compensate for the respective misalignment. The laser system can in particular be configured to do this depending on the size or strength of the respective detected misalignment. This can mean, for example, that several operating parameters are determined and adjusted to compensate for this misalignment only when the misalignment exceeds a predetermined size or strength, or when an individual operating parameter would have to be changed by more than a predetermined absolute or relative value or amount in order to fully compensate for the misalignment. This makes it easier to compensate for smaller misalignments, while larger misalignments can be compensated for without excessively changing a single operating parameter, thereby avoiding or reducing unwanted side effects. Furthermore, the embodiment of the present invention proposed here can also enable automatic compensation of misalignments that could not be fully compensated by adjusting only a single operating parameter. This ultimately makes it possible to achieve or ensure particularly robust, reliable, and precise operation of the laser system, possibly even particularly long-term.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, den wenigstens einen Betriebsparameter mittels einer auf einem vorgegebenen Modell basierenden, insbesondere prädiktiven, Regelung anzupassen. Mit anderen Worten kann hier beispielsweise ein Modell verwendet werden, welches das Lasersystem oder dessen Verhalten, also insbesondere die Auswirkungen einer Anpassung bzw. Veränderung eines oder mehrerer Betriebsparameter des Lasersystems, modellieren oder simulieren kann. Damit kann dann also - gegebenenfalls in mehreren unterschiedlich parametrierten Simulationen bzw. Modelldurchläufen - der wenigstens eine anzupassende Betriebsparameter und/oder ein zum Ausgleichen der erkannten Dejustierung notwendiger Umfang oder Grad der Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters bestimmt werden, bevor tatsächlich ein Betriebsparameter des Lasersystems angepasst wird. Dabei kann das Modell gegebenenfalls auch einen jeweils aktuellen Betriebszustand des Lasersystems als Input oder Randbedingung verwenden bzw. berücksichtigen. Die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann eine besonders genaue und sichere Anpassung des wenigstens einen Betriebsparameters ermöglichen und somit also einen besonders robusten, bestimmungsgemäßen und unterbrechungsarmen Betrieb des Lasersystems ermöglichen oder unterstützen.In a further possible embodiment of the present invention, the laser system is configured to adapt the at least one operating parameter by means of a control system based on a predefined model, in particular a predictive control system. In other words, a model can be used here, for example, which can model or simulate the laser system or its behavior, i.e., in particular, the effects of an adjustment or change in one or more operating parameters of the laser system. This can then be used—if necessary in several differently parameterized simulations or model runs—to determine the at least one operating parameter to be adjusted and/or a scope or degree of adjustment of the at least one operating parameter necessary to compensate for the detected misalignment before an operating parameter of the laser system is actually adjusted. If necessary, the model can also use or consider a respective current operating state of the laser system as input or boundary condition. The embodiment of the present invention proposed here can enable particularly precise and reliable adjustment of the at least one operating parameter and thus enable or support particularly robust, intended, and low-interruption operation of the laser system.
Als Basis oder Input für das Modell können beispielsweise eine oder mehr Sensitivitätskurven für das Lasersystem verwendet werden, die Auswirkungen einer Veränderung eines oder mehrerer Betriebsparameter, insbesondere in Abhängigkeit von der Größe der jeweiligen Veränderung, angeben können. Derartige Sensitivitätskurven können beispielsweise vorgegeben sein, im Betrieb bestimmt werden oder basierend auf im Betrieb aufgenommenen Daten angepasst bzw. aktualisiert werden. Entsprechende Daten, also beispielsweise im Betrieb aufgenommene Mess- oder Sensordaten, aus welchen die Sensitivitätskurven generiert werden können, können beispielsweise im Betrieb mehrerer Lasersysteme gewonnen werden. Damit können entsprechende Daten besonders schnell und ohne weiteres für eine Vielzahl unterschiedlicher Situationen oder Bedingungen gewonnen werden, sodass die entsprechenden Sensitivitätskurven entsprechend robust sein und einen besonders großen Zustands- bzw. Parameterraum abdecken können. Entsprechende Daten können gegebenenfalls ohne speziellen Mess- oder Testbetrieb des Lasersystems oder der Lasersysteme gewonnen werden, da es im praktischen Einsatz nahezu unvermeidlich ohnehin zu Variationen oder Schwankungen verschiedener Betriebsparameter, des Betriebszustandes und der Bedingungen, unter denen das Lasersystem oder die Lasersysteme betrieben werden, kommt. Mit anderen Worten können die entsprechenden Daten also anhand natürlicher bzw. unvermeidbarer Variationen im Feldeinsatz bzw. produktiven Betrieb des Lasersystems oder der Lasersysteme gewonnenen werden.As a basis or input for the model, for example, one or more sensitivity curves can be used for the laser system, which can indicate the effects of a change in one or more operating parameters, in particular depending on the magnitude of the respective change. Such sensitivity curves can, for example, be predetermined, determined during operation, or adapted or updated based on data recorded during operation. Corresponding data, such as measurement or sensor data recorded during operation, from which the sensitivity curves can be generated, can, for example, be obtained during operation of several laser systems. This means that corresponding data can be obtained particularly quickly and easily for a large number of different situations or conditions, so that the corresponding sensitivity curves can be correspondingly robust and cover a particularly large state or parameter space. Corresponding data can, if necessary, be obtained without special measurement or test operation of the laser system or systems, since variations or fluctuations in various operating parameters, the operating state, and the conditions under which the laser system or systems are operated are almost inevitable in practice. In other words, the corresponding data can be obtained based on natural or unavoidable variations in field use or productive operation of the laser system(s).
In einer möglichen Weiterbildung der vorliegenden Erfindung basiert das Modell auf im vorausgehenden Betrieb aufgenommenen Betriebsdaten, also beispielsweise Mess- oder Sensordaten, nur genau des jeweiligen Lasersystems selbst. Mit anderen Worten können für das Modell, also zum Modellieren oder Simulieren der Anpassungen eines oder mehrerer Betriebsparameter, nur Daten bzw. Sensitivitätskurven genau desjenigen Lasersystems verwendet werden, in dem eine erkannte Dejustierung ausgeglichen werden soll. Es kann also jeweils ein anlagen- bzw. systemspezifisches oder systemindividuelles Modell für das jeweilige Lasersystem verwendet werden. Damit können automatisch individuelle Eigenschaften oder Besonderheiten des jeweiligen Lasersystems, die nicht notwendigerweise im Detail bekannt sind, aber das Verhalten des jeweiligen Lasersystems bestimmen oder beeinflussen können, berücksichtigt werden. Dies wiederum ermöglicht eine besonders hohe Genauigkeit des Modells und damit eine besonders präzise Bestimmung einer zum Ausgleichen der jeweiligen Dejustierung notwendigen Anpassung eines oder mehrerer Betriebsparameter. Das Lasersystem kann dazu mit entsprechenden Sensoren bzw. Datenerfassungseinrichtungen ausgestattet sein, um aktuelle Werte bzw. einen zeitlichen Verlauf eines oder mehrerer Betriebsparameter des jeweiligen Lasersystems sowie dazu korrespondierende Eigenschaften oder Verhaltensweisen oder Betriebszustände des Lasersystems als Basis bzw. Parameter des Modells und/oder diesem zugrundeliegender Sensitivitätskurven zu erfassen. Dies können beispielsweise Sensoren bzw. Datenerfassungseinrichtungen für die an anderer Stelle genannten Dejustierungen und Betriebsparameter sein.In a possible further development of the present invention, the model is based on operating data recorded during previous operation, for example measurement or sensor data, only for the respective laser system itself. In other words, for the model, i.e. for modeling or simulating the adjustments of one or more operating parameters, only data or sensitivity curves of the exact laser system in which a detected misalignment is to be compensated can be used. A system-specific or system-individual model can therefore be used for the respective laser system. This automatically takes into account individual properties or special features of the respective laser system, which are not necessarily known in detail but can determine or influence the behavior of the respective laser system. This in turn enables a particularly high level of model accuracy and thus a particularly precise determination of an adjustment of one or more operating parameters necessary to compensate for the respective misalignment. For this purpose, the laser system can be equipped with appropriate sensors or data acquisition devices to record current values or a temporal progression of one or more operating parameters of the respective laser system, as well as corresponding properties, behaviors, or operating states of the laser system as the basis or parameters of the model and/or the sensitivity curves underlying it. These can be, for example, sensors or data acquisition devices for the misalignments and operating parameters mentioned elsewhere.
In einer weiteren möglichen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung weist das Lasersystem zusätzlich eine Verstelleinrichtung zum Verstellen der Ausrichtung wenigstens eines, insbesondere passiven, Elements der Optik auf. Mittels der oder einer jeweiligen Verstelleinrichtung können also automatisch eines oder mehrerer der an anderer Stelle genannten Optikelemente, also beispielsweise Spiegel, Linsen, Prismen oder dergleichen, bewegt werden. Dies kann beispielsweise eine Translation, eine Rotation, ein Verkippen und/oder dergleichen mehr bedeuten oder umfassen. Die Verstelleinrichtung kann beispielsweise einen, insbesondere elektrischen, Stellmotor, eine Spule bzw. einen Elektromagneten für eine elektromagnetische Verstellung, einen Linearantrieb und/oder dergleichen mehr umfassen. In der hier vorgeschlagenen Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist das Lasersystem dazu eingerichtet, erst und nur dann, wenn eine erkannte Dejustierung durch maximales Anpassen, also durch vollständiges Ausnutzen des maximalen Veränderungs- oder Verstellumfangs des wenigstens einen Betriebsparameters nicht vollständig ausgeglichen werden kann, die Dejustierung - zumindest so weit wie möglich - zusätzlich oder alternativ mittels der Verstelleinrichtung auszugleichen. Die Verstelleinrichtung bzw. die Möglichkeit zum Ausgleichen der Dejustierung durch Verstellen bzw. Verändern der Ausrichtung wenigstens eines Elements der Optik kann hier also als Rückfalllösung dienen bzw. implementiert sein. Diese kann beispielsweise genutzt werden, wenn ein Ausgleichen der Dejustierung mittels entsprechender Einstellungen oder Anpassungen eines oder mehrerer Betriebsparameter des an anderer Stelle genannten wenigstens einen Verstärkers dazu führen würde, dass beispielsweise eine vorgegebene Mindestverstärkung damit dann nicht mehr erreicht würde. Durch die hier vorgeschlagene Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann einerseits für entsprechend kleinere Dejustierungen ein besonders genaues und flexibles Ausgleichen ermöglicht werden. Andererseits können letztlich aber auch besonders große Dejustierungen ausgeglichen werden, zumindest sofern diese sich in einer fehlerhaften Ausrichtung bzw. Ausbreitungsrichtung des Laserstrahls zeigen.In a further possible embodiment of the present invention, the laser system additionally comprises an adjustment device for adjusting the alignment of at least one, in particular passive, element of the optics. By means of the respective adjustment device, one or more of the optical elements mentioned elsewhere, for example, mirrors, lenses, prisms, or the like, can be automatically moved. This can mean or include, for example, a translation, a rotation, a tilt, and/or more of the like. The adjustment device can, for example, comprise a servomotor, in particular an electric one, a coil or an electromagnet for electromagnetic adjustment, a linear drive, and/or more of the like. In the embodiment of the present invention proposed here, the laser system is configured to compensate for the misalignment—at least as far as possible—additionally or alternatively by means of the adjustment device only if and only if a detected misalignment cannot be fully compensated by maximum adjustment, i.e., by fully utilizing the maximum range of change or adjustment of the at least one operating parameter. The adjustment device or the possibility of compensating for the misalignment by adjusting or changing the alignment of at least one element of the optics can therefore serve or be implemented as a fallback solution here. This can be used, for example, if compensating for the misalignment by means of corresponding settings or adjustments to one or more operating parameters of the at least one amplifier mentioned elsewhere would result in, for example, a predetermined minimum gain no longer being achieved. The embodiment of the present invention proposed here can, on the one hand, enable particularly precise and flexible compensation for correspondingly smaller misalignments. On the other hand, ultimately, even particularly large misalignments can be compensated for, at least if they manifest themselves in an incorrect alignment or propagation direction of the laser beam.
Weitere Merkmale der Erfindung können sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung sowie anhand der Zeichnung ergeben. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung und/oder in den Figuren allein gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.Further features of the invention can be seen from the following description of the figures and from the drawing. The above-mentioned The features and combinations of features mentioned in the description as well as the features and combinations of features shown below in the description of the figures and/or in the figures alone can be used not only in the combination specified in each case, but also in other combinations or on their own, without departing from the scope of the invention.
Die Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Darstellung eines Lasersystems mit automatischem Dejustierungsausgleich; -
2 eine schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung der Einflüsse verschiedener Betriebsparameter des Lasersystems auf ein Laserstrahlalignment; -
3 eine schematische Diagrammdarstellung zur Veranschaulichung eines Bereichs, in dem ein fehlerhaftes Laserstrahlalignment ausgeglichen werden kann; und -
4 einen beispielhaften schematischen Ablaufplan für ein Verfahren zum Betreiben eines entsprechenden Lasersystems.
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1 a schematic representation of a laser system with automatic misalignment compensation; -
2 a schematic diagram illustrating the influences of various operating parameters of the laser system on a laser beam alignment; -
3 a schematic diagram illustrating an area in which an incorrect laser beam alignment can be compensated; and -
4 an exemplary schematic flow chart for a method for operating a corresponding laser system.
Gleiche oder funktionsgleiche Elemente sind in den Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.Identical or functionally identical elements are provided with the same reference symbols in the figures.
Der erzeugte Laserstrahl 3 kann innerhalb des Lasersystems 1 verstärkt werden. Dazu weist das Lasersystem 1 wenigstens einen Verstärker 4b auf. Der Verstärker 4b kann ein einzelner Verstärker sein oder hier schematisch mehrere, beispielsweise in Reihe geschaltete Verstärker oder Verstärkerstufen repräsentieren.The generated
Weiter weist das Lasersystem 1 eine Optik auf, die hier beispielhaft durch ein dem Verstärker 4b nachgestelltes passives Optikelement 5 angedeutet ist. Die Optik kann ebenso weitere Optikelemente 5 aufweisen, die ebenso beispielsweise zwischen der Laserquelle 2 und dem Verstärker 4b angeordnet sein können. Die Optik kann als Optikelemente 5 beispielsweise eine oder mehr Linsen und/oder einen oder mehr Spiegel oder dergleichen umfassen. Es können auch weitere aktive optische Elemente enthalten sein, wie beispielsweise ein akusto-optischer und/oder elekro-optischer Modulator.The laser system 1 further comprises an optical system, which is indicated here by way of example by a passive
Das Lasersysteme 1 kann beispielsweise für die EUV-Lichterzeugung vorgesehen sein. Dabei kann Laserlicht auf ein entsprechendes Ziel- bzw. Reaktionsmaterial, wie etwa einen Zinntropfen, gelenkt werden, welches in der Folge EUV-Strahlung freisetzen kann. Für ein effizientes und reibungsloses Funktionieren dieses Prozesses ist eine zielgenaue Bestrahlung des Reaktionsmaterials mit dem Laserlicht erforderlich. Daher wird das Lasersystem 1 typischerweise an seinem bestimmungsgemäß Einsatzort entsprechend justiert. Bei korrekter Justierung kann der mittels des Verstärkers 4b verstärkte Laserstrahl 3 als entsprechend justierter Laserstrahl 6 von dem Lasersystem 1 ausgegeben werden und dann auf ein vorgegebenes Sollziel 7, also beispielsweise das genannte Reaktionsmaterial oder einen entsprechenden Raumbereich treffen.The laser system 1 can, for example, be designed for EUV light generation. Laser light can be directed onto a corresponding target or reaction material, such as a tin droplet, which can subsequently release EUV radiation. For this process to function efficiently and smoothly, precise irradiation of the reaction material with the laser light is required. Therefore, the laser system 1 is typically adjusted accordingly at its intended location. With correct adjustment, the
Eine Verstärkung des Laserstrahls 3 mit möglichst hoher Effizienz und Verstärkungsleistung in einem praktikablen Wellenlängenbereich kann eine komplexe Aufgabe darstellen. Daher kann das Lasersystem 1 entsprechend viele verschiedene hier schematisch angedeutete Betriebsparameter 8 aufweisen bzw. nutzen. Beispielhaft sind hier mehrere Betriebsparameter, die insbesondere den Verstärker 4b betreffen, angedeutet. Dabei kann es sich beispielsweise um einstellbare Eigenschaften einer Gaszufuhr, einer RF- bzw. Hochfrequenzleistungsversorgung, einer Kühleinrichtung, eines beheizbaren und/oder kühlbaren Molekularsiebs und/oder dergleichen mehr handeln. Zum Überwachen und Steuern bzw. Regeln dieser Betriebsparameter 8 bzw. von Ist- und Sollwerten der Betriebsparameter 8 weist das Lasersystem 1 hier auch eine entsprechende Steuereinrichtung 9 auf. Die Steuereinrichtung 9 kann beispielsweise über entsprechende Schnittstellen 10 mit den Betriebsparametern 8 zugeordneten Einrichtungen und/oder Sensoren gekoppelt sein. Zum Ausführen der vorliegend beschriebenen Maßnahmen bzw. Steuerungsabläufe kann die Steuereinrichtung 9 eine entsprechende Elektronik und/oder Schaltungslogik aufweisen, was hier schematisch angedeutet ist durch einen Prozessor 11 einen damit gekoppelten computerlesbaren Datenspeicher 12. Der Prozessor 11 kann beispielsweise ein Mikroprozessor oder Mikrochip oder Mikrocontroller oder dergleichen sein. In dem Datenspeicher 12 können beispielsweise ein entsprechendes Betriebs- oder Computerprogramm sowie gegebenenfalls ein vorgegebenes Modell für das Lasersystem 1 und/oder sonstige Daten gespeichert sein, das bzw. die dann mittels des Prozessors 11 ausgeführt bzw. verarbeitet werden können.Amplifying the
In der Praxis können im Betrieb von komplexen Systemen wie dem Lasersystem 1 immer wieder letztlich ungewollte Situationen auftreten, in denen es zu Abweichungen von der optimalen Justierung des jeweiligen Systems kommt. Dies kann unterschiedliche Ursachen haben, wie beispielsweise eine Änderung der Umgebungsbedingungen, thermische Effekte, die beispielsweise zu einer veränderten Wärmeausdehnung von Komponenten des Lasersystems 1 führen können, eine Degradation oder einen Defekt einzelner Komponenten, eine mechanische Verstellung beispielsweise des wenigstens einen passiven Optikelements 5, eine unbeabsichtigte Veränderung oder Fehleinstellung eines der Betriebsparameter 8 und/oder dergleichen mehr. Damit kann es dann also zu einer hier schematisch angedeuteten Dejustierung 13 kommen. Eine solche Dejustierung 13 kann dann beispielsweise dazu führen, dass sich statt des justierten Laserstrahls 6 ein entsprechend dejustierter Laserstrahl 14 ergibt, der nicht auf das Sollziel 7, sondern auf ein dann davon verschiedenes fehlerhaftes bzw. unerwünschtes Fehlziel 15 gerichtet ist bzw. trifft.In practice, during the operation of complex systems such as Laser System 1, unwanted situations can occur again and again, in which deviations from the optimal adjustment of the respective system occur. This can be have various causes, such as a change in the ambient conditions, thermal effects which can lead, for example, to a changed thermal expansion of components of the laser system 1, a degradation or a defect in individual components, a mechanical adjustment, for example of the at least one passive
Derartige Dejustierungen 13, können prinzipiell behoben bzw. korrigiert werden, indem das Lasersystem 1 abgeschaltet oder in einen speziellen Justierungsbetriebsmodus versetzt wird und dann eine manuelle Justierung durchgeführt wird. Da dies jedoch aufwendig ist und eine unerwünschte Unterbrechung des Produktivbetriebs des Lasersystems 1 erfordern kann, ist das Lasersystem 1 hier zum automatischen Ausgleichen von entsprechenden Dejustierungen 13 eingerichtet. Dies erfolgt hier durch automatische Anpassung von Einstellungen oder Betriebsbedingungen des Lasersystems 1, also insbesondere der einstellbaren Betriebsparameter 8 des optischen Verstärkers 4b, gegebenenfalls unter Berücksichtigung vorgegebener Anforderungen oder Randbedingungen.
Um eine solche automatische Anpassung umzusetzen, weist das Lasersysteme 1 hier auch eine Überwachungseinrichtung 16 zum automatischen Erkennen von Dejustierungen 13 auf. Zudem ist die Steuereinrichtung 9 dazu eingerichtet, einen oder mehr der Betriebsparameter 8 zu bestimmen, die zum Ausgleichen der jeweils erkannten Dejustierung 13 angepasst, also in ihrem Wert verändert werden können, und den entsprechenden wenigstens einen Betriebsparameter 8 dann automatisch entsprechend anzupassen. Zusätzlich weist das Lasersystem 1 hier auch eine automatisch steuerbare Verstelleinrichtung 17 zum, insbesondere mechanischen bzw. geometrischen, Verstellen des wenigstens einen Optikelements 5 auf. Diese Verstelleinrichtung 17 kann hier ebenfalls mit automatisch von der Steuereinrichtung 9 steuerbar sein.To implement such automatic adjustment, the laser system 1 here also has a
Da es nicht notwendigerweise ohne weiteres offensichtlich ist, in welchen Bereichen die Betriebsparameter 8 jeweils verstellbar sind, ohne die Funktionalität oder Aufgabe des Lasersystems 1 zu behindern bzw. zu stark zu behindern, und welche konkreten Auswirkungen Veränderungen eines oder mehrerer der Betriebsparameter 8 auf die Eigenschaften oder den Betrieb des Lasersystems 1, also beispielsweise auf die Laserstrahlausrichtung haben, kann zunächst eine entsprechende Sensitivitätsanalyse durchgeführt werden. Dies kann in einem entsprechenden Mess- oder Testbetrieb oder anhand im laufenden produktiven Betrieb des Lasersystems 1 auftretender Schwankungen oder Variationen der Betriebsparameter 8 erfolgen. Zur Veranschaulichung zeigt
In der Praxis können mehrere der Betriebsparameter 8 gleichzeitig bzw. in Kombination miteinander angepasst, also verstellt werden. Wie schematisch in
Würde bei einer größeren Dejustierung 13 das Fehlziel 15 außerhalb des Ausgleichsbereich 19 liegen, so könnte das Fehlziel 15 durch entsprechende Anpassung eines oder mehrerer der Betriebsparameter 8 gegebenenfalls näher an das Sollziel 7 verschoben werden, ohne dieses letztlich vollständig zu erreichen.If, in the case of a
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt
Basierend auf den im Verfahrensschritt S1 gesammelten Daten können in einem Verfahrensschritt S2 die Sensitivitätskurven 18 bzw. das entsprechende Modell des Lasersystems 1 generiert werden.Based on the data collected in process step S1, the sensitivity curves 18 or the corresponding model of the laser system 1 can be generated in a process step S2.
In einem Verfahrensschritt S3 kann dann der mögliche Ausgleichsbereich 19 bestimmt werden.In a method step S3, the possible compensation range 19 can then be determined.
Im laufenden Normal- bzw. Produktivbetrieb des Lasersystems 1 kann in einem Verfahrensschritt S4 dann fortlaufend oder regelmäßig wiederholt eine Überwachung auf Dejustierungen 13 hin durchgeführt werden. Dazu kann beispielsweise das Sollziel 7 sowie ein umgebender, beispielsweise zumindest dem Ausgleichsbereich 19 entsprechender Bereich mittels der Überwachungseinrichtung 16 beobachtet werden. Dazu kann die Überwachungseinrichtung 16 beispielsweise eine Kamera sein oder umfassen. Ebenso kann dazu beispielsweise ein Teil des Laserlichts nach Verlassen des Verstärkers, insbesondere nach Durchtreten der Optik bzw. des wenigstens einen Optikelements 5, zu der Überwachungseinrichtung 16 bzw. zu der entsprechenden Kamera gelenkt werden, um Dejustierungen 13 zu erkennen. Mittels der Überwachungseinrichtung 16 kann ebenso eine Überwachung auf weitere Arten von Dejustierungen 13 hin durchgeführt werden. Dazu kann die Überwachungseinrichtung 16 beispielsweise eine Leistung des Laserlichts am oder nach dem Ausgang des Verstärkers 4b mittels eines entsprechenden Sensors überwachen.During normal or productive operation of the laser system 1, monitoring for
Auf eine erkannte Dejustierung 13 hin kann dann in einem Verfahrensschritt S5 mittels der Steuereinrichtung 9 ermittelt werden, welcher oder welche der Betriebsparameter 8 in welcher Weise bzw. in welchem Umfang anzupassen sind, um die erkannte Dejustierung 13 auszugleichen, und die entsprechende Anpassung gegebenenfalls automatisch durchgeführt werden. Wird hier erkannt, dass ein vollständiges Ausgleichen der Dejustierung 13 durch Anpassen eines oder mehrerer der Betriebsparameter 8 nicht möglich ist, so kann zusätzlich oder alternativ die Verstelleinrichtung 17 zum Ausgleichen der Dejustierung 13 automatisch angesteuert werden. Bei einer Kombination der Anpassung wenigstens eines der Betriebsparameter 8 und des Verstellens des wenigstens einen Optikelements 5 mittels der Verstelleinrichtung 17 kann letzteres gegebenenfalls minimiert werden. Dadurch kann beispielsweise bei einer Verwendung eines anisotropen bzw. abhängig von einer Lichteinfallsrichtung wirkenden Optikelements 5 eine entsprechende unerwünschte Beeinflussung des Laserlichts vermieden oder minimiert werden.Upon detection of a
Das automatische Anpassen der Betriebsparameter 8 und/oder der Verstelleinrichtung 17 kann beispielsweise kontinuierlich bzw. als fortlaufende Regelung im laufenden Betrieb des Lasersystems 1 durchgeführt werden. Dazu kann die Steuereinrichtung 9 also einen entsprechenden Regler bilden oder implementieren bzw. das Lasersystem 1 wenigstens einen entsprechenden Regler aufweisen.The automatic adjustment of the
Gemäß dem hier vorgeschlagenen Verfahren können eine oder mehrere Stell- oder Steuergrößen des Lasersystems 1, insbesondere an dem Verstärker 4b, automatisch angepasst werden, um Dejustierungen 13 an oder nach dem Ausgang des Verstärkers 4b auszugleichen, also zu korrigieren, ohne dabei andere wichtige Ausgangsgrößen signifikant zu beeinflussen. Letzteres kann erreicht werden, indem in Abhängigkeit entsprechender vorgegebener Anforderungen oder Randbedingungen beispielsweise der Ausgleichsbereich 19 entsprechend begrenzt wird. Bei dem hier vorgeschlagenen automatischen Ausgleichen der Dejustierungen 13 kann deren jeweilige Ursache behoben werden oder nicht, was von der jeweiligen Ursache und den Steuerungs- bzw. Einstellmöglichkeiten des jeweiligen Lasersystems 1 abhängen kann.According to the method proposed here, one or more manipulated or controlled variables of the laser system 1, in particular at the
Insgesamt zeigen die beschriebenen Beispiele wie an einer Laseranlage eine Laserstrahlalignmentsteuerung beispielsweise über Verstärkereinstellungen realisiert und angewendet werden kann.Overall, the examples described show how laser beam alignment control can be implemented and applied on a laser system, for example via amplifier settings.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 11
- LasersystemLaser system
- 22
- LaserquelleLaser source
- 33
- Laserstrahllaser beam
- 44
- BeeinflussungseinrichtungInfluencing device
- 4b4b
- Verstärkeramplifier
- 55
- Optikelementoptical element
- 66
- justierter Laserstrahladjusted laser beam
- 77
- SollzielTarget goal
- 88
- BetriebsparameterOperating parameters
- 99
- SteuereinrichtungControl device
- 1010
- Schnittstelleinterface
- 1111
- Prozessorprocessor
- 1212
- DatenspeicherData storage
- 1313
- DejustierungMaladjustment
- 1414
- dejustierter Laserstrahlmisaligned laser beam
- 1515
- FehlzielMissing target
- 1616
- Überwachungseinrichtungmonitoring device
- 1717
- Verstelleinrichtungadjustment device
- 1818
- SensitivitätskurvenSensitivity curves
- 1919
- AusgleichsbereichCompensation area
- 2020
- Verschiebungshift
- 2121
- AblaufplanSchedule
- S1 - S5S1 - S5
- VerfahrensschritteProcedural steps
Claims (12)
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|---|---|---|---|
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2023
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-
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- 2024-12-03 TW TW113146829A patent/TW202529350A/en unknown
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Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| TW202529350A (en) | 2025-07-16 |
| WO2025124902A1 (en) | 2025-06-19 |
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|
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Representative=s name: BUERGEL, PATRICK FABIAN, DE |