ITMI970505A1 - Dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser - Google Patents

Description

DESCRIZIONE

La presente invenzione industriale concerne un dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser.

Le sorgenti laser sono ampiamente impiegate in diversi campi: industriale, scientifico, medico ecc..

In tutte le applicazioni risulta molto importante per ottenere una qualità di lavoro costante, rilevare la maggior parte dei parametri ottici che influenzano un determinato processo.

I dispositivi di rilevazione generalmente impiegati valutano solamente la potenza media del fascio laser. Tali dispositivi sono costituiti da un elemento sensibile in grado di trasformare la potenza ottica incidente in un segnale elettrico, che viene poi adeguatamente visualizzato.

Uno dei principi su cui si basano tali dispositivi di rilevazione è quello calorimetrico, in cui un fascio laser, incidendo su un materiale assorbitore interno al dispositivo di rilevazione, ne determina il riscaldamento. Mediante l'impiego di misuratori di temperatura convenzionali, quali termopile, opportunamente applicati all'elemento assorbitore sulla superficie opposta a quella colpita dal fascio laser, si trasforma la variazione di temperatura in una variazione di tensione (o di corrente).

Altri dispositivi di rilevazione noti prevedono l'uso di un elemento fotosensibile in materiale semiconduttore. In questo caso, i fotoni costituenti il fascio laser colpiscono l'elemento fotosensibile che, eccitandosi, dà luogo a un segnale elettrico.

Il particolare tipo di dispositivo di rilevazione da utilizzare dipende dal tipo di sorgente laser e dalla sua potenza. Ad esempio, per un laser a C02 e per laser di alta potenza un dispositivo tipico di rilevazione è quello con rivelatori a termopila, anche se un dispositivo di questo tipo risulta meno sensibile e veloce di un dispositivo a semiconduttore .

Nelle applicazioni industriali il dispositivo per la rilevazione della potenza di un fascio laser è generalmente posto dietro lo specchio ad alta riflettività della cavità risonante del laser; in altre applicazioni, quali quelle scientifiche, mediche ecc., detto dispositivo può anche essere posto lungo il percorso del fascio uscente dalla sorgente laser.

In entrambi i tipi di dispositivo di rilevazione sopra menzionati, l'elemento sensibile, in materiale assorbitore se del tipo calorimetrico e in materiale fotosensibile se del tipo a semiconduttore, può essere sezionato in più parti, in genere quattro quadranti, in modo da poter rilevare, oltre alla potenza media del fascio laser, anche gli spostamenti del baricentro della distribuzione di intensità del fascio stesso. Dispositivi di rilevazione di questo tipo sono denominati "dispositivi a quattro quadranti".

Utilizzando uno qualunque dei dispositivi di rilevazione descritti, non è possibile stabilire, senza un'accurata indagine che comporta la fermata e l'ispezione visiva di molti componenti del sistema, se eventuali malfunzionamenti debbano essere attribuiti ad un peggioramento delle caratteristiche del fascio laser generato o ad un deterioramento della catena ottica esterna alla sorgente stessa, che trasporta il fascio nel punto di lavoro.

Scopo della presente invenzione industriale è quello di fornire un dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser che consenta di monitorare nello stesso tempo, oltre alla potenza media e allo spostamento del baricentro della distribuzione di intensità del fascio, anche altri parametri ottici, quali il diametro ed il profilo della distribuzione di intensità del fascio stesso, indispensabili per una corretta valutazione del funzionamento della sorgente laser.

In accordo con la presente invenzione industriale, tale scopo è raggiunto mediante un dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser incidente, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo elemento sensibile, atto ad intercettare una porzione sostanzialmente centrale di un fascio incidente, ed almeno un secondo elemento sensibile, atto ad intercettare una rispettiva porzione anulare del fascio laser esterna a detta porzione centrale.

Preferibilmente, il dispositivo di rilevazione comprende una pluralità di secondi elementi sensibili, ciascuno atto ad intercettare una rispettiva porzione anulare del fascio laser distinta dalle porzioni anulari del fascio intercettate dagli altri secondi elementi sensibili della pluralità. In questo modo è possibile migliorare la risoluzione della misura della distribuzione di intensità del fascio laser incidente.

Preferibilmente, ciascuno di detti primo e secondi elementi sensibili è suddiviso in una rispettiva pluralità di regioni uguali fra loro, ciascuna regione essendo atta ad intercettare una rispettiva sottoporzione di detta porzione centrale o di dette porzioni anulari del fascio laser. Grazie a ciò è possibile valutare la posizione del baricentro della distribuzione d'intensità, il diametro e la simmetria del fascio laser.

Preferibilmente, detto primo elemento sensibile e detti secondi elementi sensibili sono posti in successione longitudinale lungo la direzione di propagazione del fascio laser.

Preferibilmente, ciascuno di detti secondi elementi sensibili è provvisto di una zona centrale trasparente al fascio laser ed è posto, rispetto alla direzione di propagazione del fascio laser, davanti a detto primo elemento sensibile, detti secondi elementi avendo detta zona centrale trasparente di dimensione crescente con la distanza da detto primo elemento sensibile. Preferibilmente, ciascuno di detti primo e secondi elementi sensibili ha simmetria uguale a quella di una sezione del fascio laser ortogonale alla direzione di propagazione del fascio stesso.

Il fascio laser incidente sugli elementi sensibili viene quindi frazionato in più parti, ciascuna incidente su un rispettivo elemento sensibile. In questo modo, elaborando i segnali elettrici provenienti dagli elementi sensibili, è possibile valutare contemporaneamente 1'andamento nel tempo della potenza media di un fascio laser, della posizione del suo baricentro, del suo profilo d'intensità e del suo diametro. Queste ed altre caratteristiche e vantaggi della presente invenzione saranno resi maggiormente evidenti dalla seguente descrizione dettagliata di alcune sue forme di realizzazione pratica, illustrate a titolo di esempi non limitativi negli uniti disegni, nei quali:

- la figura 1 mostra una sezione secondo un piano assiale di un dispositivo di rilevazione secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione;

- la figura 2 mostra una vista frontale degli elementi sensibili del dispositivo di rilevazione di figura 1;

- la figura 3 mostra la disposizione di una pluralità di termopile sul retro degli elementi sensibili del dispositivo di figura 1;

- la figura 4 mostra il dispositivo di figura 1 inserito in una sorgente laser dietro lo specchio ad alta riflettività della cavità risonante della stessa;

- la figura 5 mostra una vista frontale degli elementi sensibili di un dispositivo di rilevazione secondo una seconda forma di realizzazione dell'invenzione;

- la figura 6 mostra una vista frontale degli elementi sensibili di un dispositivo dì rilevazione secondo una terza forma di realizzazione dell'invenzione.

Con riferimento alle figure 1-3, è mostrato, a titolo di esempio, un dispositivo 100 del tipo calorimetrico per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser secondo una prima forma di realizzazione dell'invenzione.

Il dispositivo di rilevazione 100, come mostrato in figura 1, comprende un primo elemento sensibile 12 in forma di disco dotato su una superficie di uno strato 16 di materiale assorbente; anteriormente al primo elemento sensibile 12 nella direzione di propagazione di un fascio laser 9 incidente, è posto un secondo elemento sensibile 13 anch'esso in forma di disco, avente un foro centrale 130, dotato su una superficie di uno strato 18 di materiale assorbente anch'esso forato centralmente. Il dispositivo 100 comprende inoltre un circuito di raffreddamento 14, che provvede anche ad isolare termicamente i due elementi sensibili 12 e 13; a tale scopo, all'interno del circuito di raffreddamento 14 circola un fluido di raffreddamento 17.

La figura 2 è una vista frontale del dispositivo di figura 1; è visibile il secondo elemento sensibile 13 con il foro centrale 130, e posteriormente il primo elemento sensibile 12. Come visibile nella figura, il primo elemento sensibile 12 è diviso in quattro settori circolari 1-4; il secondo elemento sensibile 13 è invece suddiviso in quattro settori di corona circolare 5-8.

Posteriormente al primo e al secondo elemento sensibile 12 e 13 sono formate termopile 11 in grado di convertire la variazione di temperatura a cui sono soggetti i singoli settori 1-4 e 5-8 degli elementi sensibili in rispettivi segnali elettrici, di tensione o di corrente.

Ogni settore 1-4 e 5-8 degli elementi sensibili, in conseguenza dell'assorbimento del fascio laser 9 incidente, presenta un aumento di temperatura proporzionale alla frazione di potenza del fascio laser 9 che incide sul settore stesso. La temperatura di ogni settore, per mezzo della relativa termopila 11, viene confrontata con una temperatura di riferimento costituita ad esempio dalla temperatura del fluido di raffreddamento 17. Si ottengono così segnali elettrici proporzionali alla potenza ottica incidente su ogni singolo settore 1-4 e 5-8 dei due elementi sensibili 12 e 13.

Essendo gli elementi sensibili 12 e 13 suddivisi ciascuno in quattro parti uguali, il dispositivo 100, tramite le termopile 11, può segnalare eventuali spostamenti del baricentro (centroide) della distribuzione d'intensità della sezione del fascio laser 9 incidente su di esso. Infatti, quando il baricentro della distribuzione d'intensità è perfettamente centrato sul centro dell'elemento sensibile 12, ad esempio utilizzando traslatori meccanici di centraggio del dispositivo o offset sui segnali elettrici generati dalle termopile 11, le potenze rilevate dai quattro settori 1-4 dell'elemento sensibile 12 sono uguali. Lo stesso vale per i quattro settori di corona circolare 5-8 dell'elemento sensibile 13. Lo spostamento della distribuzione d'intensità da questa posizione causa una disuniformità delle potenze incidenti sui quattro settori 1-4 dell'elemento sensibile 12 e sui settori di corona circolare 5-8 dell'elemento sensible 13, e si può quindi agire in modo da ripristinare il centraggio del baricentro della distribuzine d'intensità del fascio laser 9.

ZI dispositivo 100, oltre a rilevare la potenza media e il baricentro della distribuzione d'intensità del fascio laser 9 incidente, è anche in grado di rilevare la distribuzione spaziale della potenza. Tale distribuzione, rilevata dai singoli settori 1-8, è funzione della distribuzione spaziale d'intensità della radiazione laser 9 che intercetta il dispositivo. Da tale distribuzione si ricava il grado di simmetria della distribuzione spaziale d'intensità del fascio incidente 9.

La frazione della potenza totale del fascio 9 che incide sull'elemento sensibile 12 è funzione del diametro e del profilo d'intensità della radiazione del fascio 9 stesso. Tale frazione diminuisce con l'aumentare del diametro del fascio, nel caso in cui il profilo della distribuzione d'intensità rimanga immutato, dato che una maggiore frazione di potenza ottica incide sul secondo elemento sensibile 13. La distribuzione di potenza tra il primo elemento sensibile 12 ed il secondo elemento sensibile 13 è quindi strettamente correlata al diametro della sezione del fascio laser 9 incidente e, previa un'opportuna calibrazione, è possibile calcolare il valore effettivo del diametro del fascio stesso. A parità di potenza totale misurata su entrambi gli elementi sensibili 12 e 13, la variazione della frazione di potenza che incide sull'elemento sensibile 12 è indice del cambiamento della distribuzione d'intensità (modo) o del diametro della sezione del fascio 9 incidente.

Monitorando nel tempo 1'andamento della potenza assorbita da ogni settore del primo e del secondo elemento sensibile 12 e 13, è possibile stabilire se le caratteristiche del fascio 9 incidente, quali la potenza totale, il diametro, il baricentro e il grado di simmetria della sua distribuzione d'intensità, cambino nel tempo e quindi predisporre opportuni interventi correttivi per ripristinare le caratteristiche ottimali del fascio laser.

La figura 4 mostra un possibile impiego del dispositivo di figura 1. Dietro lo specchio posteriore 22 ad alta riflettività di un risonatore ottico composto dagli specchi 22 e 23 di una sorgente laser 50 è normalmente montato un misuratore di potenza che effettua il monitoraggio della potenza emessa dalla sorgente. Lo specchio 22 trasmette al misuratore di potenza una piccola frazione 9 della potenza ottica che oscilla nel risonatore, proporzionale alla potenza del fascio 40 uscente dalla sorgente. Sostituendo al misuratore di potenza tradizionale il presente dispositivo 100, è possibile avere una analisi in linea delle caratteristiche del fascio emesso dalla sorgente e impostare delle soglie di allarme oltre le quali le caratteristiche del fascio non garantiscono più le specifiche nominali del sistema di lavorazione in cui è inserita detta sorgente laser 50.

Una corretta impostazione delle soglie di allarme permette di stabilire con rapidità e precisione quando il sistema non risponde alle specifiche impedendo sprechi ed elevando la qualità del lavoro.

Inoltre le problematiche relative alla sorgente laser possono così essere diagnosticate tempestivamente mantenendole distinte da quelle associate alla catena ottica del sistema.

La figura 5 mostra una vista frontale degli elementi sensibili di un dispositivo di rilevazione secondo una seconda forma di realizzazione dell'invenzione.

Si può notare che, oltre al primo elemento sensibile 12 formato dai settori 1-4 e al secondo elemento sensibile 13 a forma di corona circolare comprendente settori 5-8, sono presenti altri elementi sensibili 13' e 13", a forma di corone circolari, posti anteriormente ai precedenti ed aventi l'asse di simmetria comune; anche gli elementi 13' e 13" sono suddivisi in settori di corona circolare, rispettivamente 29-32 e 33-36. Gli elementi sensibili 13, 13' e 13" hanno fori centrali aventi diametri crescenti man mano che ci si allontana dal primo elemento sensibile lungo l'asse di propagazione del fascio laser.

In questo modo si fraziona il fascio laser 9 incidente in molte parti, ottenendo una risoluzione più accurata della sua distribuzione d'intensità. Procedendo a ritroso, in base alla risoluzione richiesta in un processo, è possibile ottimizzare il numero di elementi sensibili da impiegare per la formazione del dispositivo di rilevazione dei parametri ottici del fascio laser 9.

Gli elementi sensibili dei dispositivi di rilevazione finora illustrati sono particolarmente adatti alla misurazione delle caratteristiche dei fasci laser aventi una simmetria circolare. Nel caso si vogliano monitorare fasci laser con simmetria diversa, è preferibile che il dispositivo di rilevazione abbia una forma simile alla sezione del fascio laser. Se ad esempio la sezione del fascio laser fosse rettangolare, come indicato dal profilo 60 in figura 6, anche gli elementi sensibili potrebbero essere rettangolari con fori rettangolari.

La figura 6 è una vista frontale di un dispositivo di rilevazione analogo al dispositivo di rilevazione 100 di figura 1, ma con elementi sensibili di forma rettangolare.

Nella figura è visibile un secondo elemento sensibile 63 con foro centrale 70 e, posteriormente, un primo elemento sensibile 62. In particolare il primo elemento sensibile 62 è diviso in quattro quadranti 71-74, il secondo elemento sensibile 63 è diviso in quattro parti uguali 75-78.

Anche in questa realizzazione dell'invenzione, il fascio laser incidente 60 viene frazionato in più parti giungendo a considerazioni analoghe a quelle rilevate nella descrizione del precedente dispositivo di rilevazione 100.

Claims (11)

1. RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo per la rilevazione di parametri ottici di un fascio laser incidente, caratterizzato dal fatto di comprendere un primo elemento (12;62) sensibile, atto ad intercettare una porzione sostanzialmente centrale di un fascio laser (9) incidente, ed almeno un secondo elemento sensibile (13;63), atto ad intercettare una rispettiva porzione anulare del fascio laser esterna a detta porzione centrale.
2. 2. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto di comprendere una pluralità di secondi elementi sensibili (13,13',13"), ciascuno atto ad intercettare una rispettiva porzione anulare del fascio laser distinta dalle porzioni anulari del fascio intercettate dagli altri secondi elementi sensibili della pluralità.
3. 3. Dispositivo di rilevazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primo e secondi elementi sensibili sono suddivisi in una rispettiva pluralità di regioni (1-4,5-8,29-32,33-36;71-74, 75-78) uguali fra loro, ciascuna regione essendo atta ad intercettare una rispettiva sottoporzione di detta porzione centrale o di dette porzioni anulari del fascio laser.
4. 4. Dispositivo di rilevazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detto primo elemento sensibile (12;62) e detto almeno un secondo elemento sensibile (13,131,13”;63) sono posti in successione longitudinale lungo la direzione di propagazione del fascio laser.
5. 5. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 4 in guanto dipendente dalla rivendicazione 2 o 3, caratterizzato dal fatto che detti secondi elementi sensibili (13,13',13";63) sono provvisti di una zona centrale trasparente al fascio laser e sono posti, rispetto alla direzione di propagazione del fascio laser, davanti a detto primo elemento sensibile (12;62), detti secondi elementi sensibili (13,13',13";63) avendo detta zona centrale trasparente di dimensione crescente con la distanza da detto primo elemento sensibile (12;62).
6. 6. Dispositivo di rilevazione secondo una qualunque delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che detti primo (12;62) e secondi elementi sensibili (13,13',13";63) hanno simmetria uguale a quella di una sezione del fascio laser ortogonale alla direzione di propagazione del fascio stesso.
7. 7. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che le regioni di detta pluralità di regioni (1-4,5-8,29-32, 33-36;71-74,75-78) sono in materiale semiconduttore .
8. 8. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 6, caratterizzato dal fatto che le regioni di detta pluralità di regioni (1-4,5-8,29-32,33-36;71-74, 75-78) sono in materiale assorbente il fascio laser incidente, a dette regioni essendo associato almeno un rispettivo elemento termosensibile (11) in grado di convertire un innalzamento di temperatura in un segnale elettrico.
9. 9. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 8, caratterizzato dal fatto che detto elemento termosensibile (11) è una termopila.
10. 10. Dispositivo di rilevazione secondo le rivendicazioni 7 o 9, caratterizzato dal fatto che detti primo (12;62) e secondi elementi sensibili (13,13 13";63) sono separati tra loro mediante un circuito di raffreddamento (14) in modo da isolarli termicamente .
11. 11. Dispositivo di rilevazione secondo la rivendicazione 10, caratterizzato dal fatto che in detto circuito di raffreddamento circola un fluido refrigerante (17).