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Title:
DEVICE AND METHOD FOR DISTANCE MEASUREMENT FOR A LASER PROCESSING SYSTEM, AND LASER PROCESSING SYSTEM
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2019/145107
Kind Code:
A1
Abstract:
The present disclosure relates to a device (500) for distance measurement for a laser processing system (100). The device (500) comprises a light source (510), which is designed to produce a primary beam for directing at a workpiece (1), at least one detection device (520), which is designed to detect a secondary beam reflected by the workpiece (1), at least one optical amplifier (530), which is designed to amplify the primary beam and/or the secondary beam, and an evaluation unit, which is designed to evaluate interference of spectral components in the frequency range.

Inventors:
MOSER, Rüdiger (Franz-Hirth-Str. 2, Malsch, 76316, DE)
SCHÖNLEBER, Martin (Rhönstr. 8, Aschaffenburg, 63743, DE)
Application Number:
EP2018/086656
Publication Date:
August 01, 2019
Filing Date:
December 21, 2018
Export Citation:
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Assignee:
PRECITEC GMBH & CO. KG (Draisstraße 1, Gaggenau, 76571, DE)
International Classes:
A61N1/04; A41D13/12; A61B5/00; A61N1/36; B23K26/03; B23K26/70; D03D1/00; D03D11/02; D03D15/08
Domestic Patent References:
WO2002021074A22002-03-14
WO2015039741A12015-03-26
Foreign References:
DE10207535A12003-09-11
DE102015007142A12016-12-08
EP1977850A12008-10-08
Other References:
None
Attorney, Agent or Firm:
TER MEER STEINMEISTER & PARTNER PATENTANWÄLTE MBB (Nymphenburger Straße 4, München, 80335, DE)
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Claims:
Ansprüche

1. Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem (100), umfassend:

eine Lichtquelle (510), die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück (1) eingerichtet ist;

wenigstens eine Detektionsvorrichtung (520; 920, 922; 1120; 1122), die zum Erfassen eines vom Werkstück (1) reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist; wenigstens einen optischen Verstärker (530; 730; 732, 734; 736; 830; 930; 932, 934), der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls einge richtet ist; und

eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist. 2. Die Vorrichtung (500, 600, 800, 1000, 1100) nach Anspruch 1, wobei die

Lichtquelle (510) wenigstens eine Superlumineszenzdiode oder eine Superkontinu um-Quelle umfasst.

3. Die Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530; 730; 732, 734; 736; 830; 930; 932, 934) ein Faserverstärker, ein halbleiterbasierter Verstärker, ein Raman- Verstärker, ein optisch parametrischer Verstärker, ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon ist. 4. Die Vorrichtung (500, 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530) im Strahlengang des Primär strahls angeordnet ist, so dass der Primärstrahl direkt in den wenigstens einen opti schen Verstärker (530) geleitet wird. 5. Die Vorrichtung (500, 1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, ferner umfassend eine Aufteilvorrichtung zum Aufteilen des verstärkten Primär strahls in eine Vielzahl von Primärstrahlen, wobei die Aufteilvorrichtung mindestens eine Mehrkemfaser und/oder eine Mikrolinsenanordnung umfasst.

6. Die Vorrichtung (600, 800, 900 1100) nach einem der vorausgehenden An sprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530, 736, 830, 930) in ei nem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeord- net ist.

7. Die Vorrichtung (600, 800, 900, 1100) nach Anspruch 6, weiter umfassend wenigstens einen Zirkulator (570, 970), der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerichtet ist.

8. Die Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei der wenigstens eine Zirkulator ei nen ersten Zirkulator (772) und einen zweiten Zirkulator (774) umfasst, und wobei der wenigstens eine optische Verstärker (730; 732, 734) zwischen dem ersten Zirku lator (772) und dem zweiten Zirkulator (774) angeordnet ist.

9. Die Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei zwischen dem ersten Zirkulator (772) und dem zweiten Zirkulator (774) ein erster Strahlengang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundär strahl angeordnet ist. 10. Die Vorrichtung nach Anspruch 9, wobei der wenigstens eine optische Ver stärker (730) im ersten Strahlengang und/oder im zweiten Strahlengang angeordnet ist.

11. Die Vorrichtung (800) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die Vorrichtung einen optischen Kohärenztomographen umfasst und/oder wobei die

Vorrichtung eingerichtet ist, eine Tiefe einer Dampfkapillare bei einem Laser schweißvorgang zu bestimmen.

12. Die Vorrichtung (900) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, weiter umfassend einen Strahlteiler (540) zum Bereitstellen eines Objektarms (550) und eines Referenzarms (560), wobei der wenigstens eine optische Verstärker (830) und/oder wenigstens ein Zirkulator (970) zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und/oder den Sekundär strahl in einem Strahlen gang des Objektarms (550) angeordnet ist.

13. Die Vorrichtung (900) nach Anspruch 12, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (930) zwischen dem wenigstens einen Zirkulator (970) und der Detekti onsvorrichtung (920, 922) angeordnet ist, und/oder wobei der wenigstens eine opti sche Verstärker (930) zwischen dem Strahlteiler (940) und dem wenigstens einen Zirkulator (970) angeordnet ist. 14. Die Vorrichtung (1000) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei der wenigstens eine optische Verstärker (530) im Strahlengang des Sekundärstrahls vor der Detektionsvorrichtung (520) angeordnet ist.

15. Die V orrichtung (1100) nach einem der vorausgehenden Ansprüche, wobei die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detektionsvorrichtung (1120) und eine zweite Detektionsvorrichtung (1122) umfasst, wobei die Vorrichtung (1100) weiter einen ersten Strahlteiler (1140) und einen zweiten Strahlteiler (1142) umfasst, und wobei der erste Strahlteiler (1140) zum Bereitstellen eines Objektarms (550) und eines Referenzarms (560) eingerichtet ist, und wobei der zweite Strahltei- ler (1142) eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Primärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung (1120) zu leiten.

16. Die Vorrichtung (1100) nach Anspruch 15, weiter umfassend einen Zirkulator (570), der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerichtet ist, wobei der Zirkulator (570) zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker (530) und dem ersten Strahlteiler (1140) an geordnet ist, und wobei der Zirkulator (570) eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung (1122) zu leiten. 17. Laserbearbeitungssystem (100), umfassend:

einen Laserbearbeitungskopf (101) zum Bereitstellen eines Bearbeitungs strahls (10), wobei der Laserbearbeitungskopf (101) eingerichtet ist, um den Bearbei tungsstrahl (10) auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks (1) zu lenken; und die Vorrichtung (500, 600, 800, 900, 1000, 1100) nach einem der vorausge- henden Ansprüche.

18. Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem (100), um- fassend:

Leiten eines Primärstrahls auf ein Werkstück (1);

Leiten eines Sekundärstrahls vom Werkstück (1) zu einer Detektionsvorrich tung;

optisches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls; und Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich.

19. Das Verfahren nach Anspruch 18, weiter umfassend ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils einer Dampfkapillare (11) auf dem Werkstück (1) und/oder einer Topographie des Werkstücks (1) unter Verwendung des vom Werk- stück (1) reflektierten Sekundärstrahls.

Description:
Vorrichtung und Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungs system, und Laserbearbeitungssystem

Die vorliegende Offenbarung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Ab- standsmessung für ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere zum Bestimmen einer Tiefe einer Dampfkapillare (keyhole) beim Laserschweißen, und betrifft ein Laser bearbeitungssystem, wie ein System zur Materialbearbeitung mittels eines Laser- Strahls, wie etwa einen Laserbearbeitungskopf zum Laserschneiden oder Laser schweißen. Die vorliegende Offenbarung betrifft insbesondere einen Laserschweiß kopf mit einem optischen Kohärenztomographen.

Stand der Technik

Bei der Materialbearbeitung mittels eines Laserstrahls, wie beispielsweise Laser schweißen oder Laserschneiden, wird der von einer Laserlichtquelle, beispielsweise dem Ende einer Laserleitfaser, austretende Laserstrahl mit Hilfe einer Strahlfüh- rungs- und Fokussierungsoptik auf das zu bearbeitende Werkstück fokussiert. Stan- dardmäßig wird ein Laserbearbeitungskopf mit einer Kollimatoroptik und einer Fo kussierungsoptik verwendet, wobei das Faserlicht über eine Fichtleitfaser, auch als Faserquelle bezeichnet, zugeführt wird. Das Faserlicht tritt in einer Vorrichtung zur Materialbearbeitung mittels Faser, z.B. in einem Faserbearbeitungskopf, durch eine Vielzahl von optischen Elementen, wie z.B. Einsen, hindurch.

Bei einem Fasertiefschweißprozess entsteht während eines Schweiß Vorgangs entlang der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls eine Dampfkapillare, die auch„Keyhole“ genannt wird und die von flüssiger Schmelze umgeben ist. Die Tiefe der Dampfka pillare steht in Zusammenhang mit der Einschweißtiefe, also der Tiefe, bis zu der das Metall während des Schweißprozesses aufgeschmolzen wurde. Diese Tiefe ist von großem Interesse: Einerseits enthält sie Informationen über die Festigkeit der Schweißverbindung (also ob ausreichend tief eingeschweißt ist), andererseits kann über die Kenntnis der Tiefe sichergestellt werden, dass die Schweißnaht an der Un- terseite nicht sichtbar ist (also keine unerwünschte Durchschweißung). Neben der Messung der Kapillartiefe lässt sich auch die Oberfläche des Werkstücks im Bereich um die Dampfkapillare erfassen (Topographiemessungen). Somit kann beispielsweis die Naht unmittelbar vor dem Schweißprozess gefunden werden, oder unmittelbar nach dem Schweißprozess die Qualität der Nahtoberraupe vermessen werden.

Zur Bestimmung der Tiefe der Dampfkapillare bzw. der Einschweißtiefe kann ein Messstrahl verwendet werden, der in die Dampfkapillare gelenkt wird. Dabei handelt es sich um ein optisches Messverfahren, wobei die Messung auf der Rückreflektion von Licht vom Ende der Dampfkapillare basiert. Da die Dampfkapillare in der Regel einen geringen Durchmesser aufweist und sehr spitz zuläuft, wird das Messlicht in der Dampfkapillare sehr schlecht reflektiert, so dass aus dem Objektarm des Interfe rometers sehr wenig Licht zurückreflektiert wird. Insbesondere bei hohen Vorschub geschwindigkeiten ist die Dampfkapillare zusätzlich stark gekrümmt.

Offenbarung der Erfindung Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Offenbarung, eine Vorrichtung und ein Verfah ren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem sowie ein Laserbearbei- tungssystem, insbesondere ein System zur Materialbearbeitung mittels eines Laser strahls, wie etwa ein Laserbearbeitungskopf oder ein System zum Laserschneiden oder Laserschweißen, bereitzustellen, die eine Abstandsmessung, wie beispielsweise eine Tiefenmessung der Dampfkapillare, sowie eine Topographiemessung im Vor- und/oder Nachlauf mit hoher Präzision erlauben.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vor teilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem, insbesondere für einen Laser schweißkopf oder einen Bearbeitungskopf zum Laserschweißen, angegeben. Die Vorrichtung umfasst eine Lichtquelle, die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrichtung, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls eingerichtet ist, wenigstens einen optischen Verstärker, der zum Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich einge- richtet ist. Die Auswerteeinheit kann insbesondere dazu eingerichtet sein, eine Tiefe einer bei einem Laserbearbeitungsprozess entstandenen Dampfkapillare zu bestim men. Die Vorrichtung kann einen optischen Kohärenztomographen, wie z.B. einen Frequenzdomänen- Kohärenztomographen oder einen Fourier-Domänen-

Kohärenztomographen, umfassen.

Bevorzugte, optionale Ausführungsformen und besondere Aspekte der Offenbarung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen, den Zeichnungen und der vorliegen- den Beschreibung.

Vorzugsweise umfasst die Lichtquelle eine spektral breitbandige Lichtquelle, z.B. wenigstens eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine Superkontinuum-Quelle. Die Auswerteeinheit kann eingerichtet sein, zur Auswertung Spektraldomänen- Ko- härenztomographie (spectral domain OCT) einzusetzen. Alternativ kann eine Mono chrom-Lichtquelle mit zeitlich periodisch durchgestimmter Wellenlänge verwendet werden (swept source OCT), vorzugsweise mit einer Nachverstärkung des Primär lichts durch einen halbleiterbasierten Verstärker (semiconductor optical amplifier). Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker ein Faserverstärker, ein halbleiterbasierter Verstärker, ein Raman- Verstärker, ein optisch parametrischer Ver stärker, ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung zur Abstandsmessung eine Aufteilvorrich- tung zum Aufteilen des Primärstrahls in eine Vielzahl von Primärstrahlen. Die Auf teilvorrichtung kann mindestens eine Mehrkemfaser und/oder eine Mikrolinsenano rdnung umfassen. Vorzugsweise ist die Aufteilvorrichtung dazu eingerichtet, den Primärstrahl, insbesondere den verstärkten Primärstrahl, in eine Vielzahl von Primär- strahlen aufzuteilen. Die Vielzahl von Primärstrahlen kann anschließend auf das Werkstück gerichtet werden, sodass jedenfalls einer der Primärstrahlen trotz Fluktua tionen der Dampfkapillare in die Dampfkapillare trifft. Dadurch kann die Anzahl bzw. die Ausbeute der gültigen Messergebnisse für die Ermittlung des Abstands zum Boden der Dampfkapillare erhöht werden. Die Aufteilung in eine Vielzahl von Pri märstrahlen kann durch Verwendung einer Mehrkemfaser (multi-core fiber), die mehrere Kanäle aufweist, erfolgen. Alternativ kann der Primärstrahl, insbesondere der verstärkte Primärstrahl, z.B. durch eine Linse, aufgefächert und anschließend durch eine Mikrolinsenanordnung in die Vielzahl von Primärstrahlen gebündelt wer- den.

Vorzugsweise sind die Lichtquelle und der wenigstens eine optische Verstärker se quentiell angeordnet sind, so dass der Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker geleitet wird. Beispielsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet, so dass der Primärstrahl direkt in den wenigstens einen optischen Verstärker geleitet wird.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker in einem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeordnet. Beispielsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens einen Zirkulator, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerich tet ist. Der wenigstens eine Zirkulator kann angeordnet sein, um den Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker zu leiten und den Sekundär strahl zur De tektionsvorrichtung zu leiten.

Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine Zirkulator einen ersten Zirkulator und einen zweiten Zirkulator, wobei der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator angeordnet ist. Beispielsweise kann zwischen dem ersten Zirkulator und dem zweiten Zirkulator ein erster Strahlen- gang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundärstrahl be reitgestellt sein. Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im ersten Strahlengang oder im zweiten Strahlengang angeordnet ist.

Vorzugsweise umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten opti- sehen Verstärker und einen zweiten optischen Verstärker, wobei der erste optische Verstärker im ersten Strahlengang und der zweite optische Verstärker im zweiten Strahlengang angeordnet ist.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker ein bidirektionaler opti- scher Verstärker.

Vorzugsweise ist die Vorrichtung ein optischer Kohärenztomograph und umfasst einen Strahlteiler zum Bereitstellen eines Objektarms und eines Referenzarms, wobei der wenigstens eine optische Verstärker in einem Strahlengang des Objektarms an- geordnet ist.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung wenigstens einen Zirkulator, der zum Bereit stellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerichtet ist, wobei der wenigstens eine Zirkulator im Strahlengang des Ob- jektarms angeordnet ist. Beispielsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem wenigstens einen Zirkulator und der Detektionsvorrichtung angeord net, oder ist zwischen dem Strahlteiler und dem wenigstens einen Zirkulator ange ordnet. In einem weiteren Beispiel umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker und einen zweiten optischen Verstärker, wobei der erste optische Verstärker zwischen dem wenigstens einen Zirkulator und der Detek tionsvorrichtung angeordnet ist, und wobei der zweite optische Verstärker zwischen dem Strahlteiler und dem wenigstens einen Zirkulator angeordnet ist.

Vorzugsweise ist der wenigstens eine optische Verstärker im Strahlengang des Se- kundärstrahls angeordnet, so dass der Sekundärstrahl zur Detektionsvorrichtung ge leitet wird. Vorzugsweise umfasst die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detekti onsvorrichtung und eine zweite Detektionsvorrichtung, wobei die Vorrichtung weiter einen ersten Strahlteiler und einen zweiten Strahlteiler umfasst, wobei der erste Strahlteiler zum Bereitstellen eines Objektarms und eines Referenzarms eingerichtet ist, und wobei der zweite Strahlteiler eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung zu leiten. Beispielsweise kann der zweite Strahlteiler im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet sein, oder kann im Referenzarm angeordnet sein. Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung einen Zirkulator, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerich tet ist, wobei der Zirkulator zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker und dem ersten Strahlteiler angeordnet ist, und wobei der Zirkulator eingerichtet ist, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung zu leiten.

Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist ein Laserbe arbeitungssystem bzw. ein Laserbearbeitungskopf zum Laserschweißen angegeben. Das Laserbearbeitungssystem bzw. der Laserbearbeitungskopf zum Laserschweißen umfasst die Vorrichtung zur Abstandsmessung gemäß den hier beschriebenen Aus führungsformen.

Gemäß anderen Ausführungsformen ist ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Das Verfahren umfasst ein Leiten eines Pri- märstrahls auf ein Werkstück, ein Leiten eines Sekundärstrahls vom Werkstück zu einer Detektionsvorrichtung, ein optisches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, und ein Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich. Vorzugsweise umfasst das Verfahren weiter ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils einer Dampfkapillare auf dem Werkstück und/oder einer Topographie des Werkstücks unter Verwendung des vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls. Erfindungsgemäß ist ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die FD-OCT („Fourier Domain Optical Coherence Tomogra- phie“ oder„optische Kohärenztomographie im Frequenzbereich“) verwendet wer den, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren gemessen werden. Gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung ist eine Vorrich tung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem angegeben. Die Vorrich tung umfasst eine Superkontinuum-Quelle, die zum Erzeugen eines Primärstrahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektionsvorrich tung, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls eingerich- tet ist, und eine Auswerteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Frequenzbereich eingerichtet ist. Neben der Verstärkung breitban diger Lichtquellen können damit auch alternative breitbandige Lichtquellen verwen det werden, die ohne Verstärkung hohe Licht leistungen emittieren, wie beispielswei se Superkontinuum-Quellen. Diese basieren auf der Ausnutzung von nichtlinearen Effekten in Fasern, die durch kurze und intensive Laserpulse hervorgerufen werden. Hier lassen sich Durchschnittsleistungen im Watt-Bereich bzw. Pulsspitzenleistun gen im kW-Bereich erzielen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Offenbarung sind in den Figuren dargesteht und werden im Folgenden näher beschrieben. Es zeigen:

Figur 1 eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks (oben) und eine Drauf- sicht des Werkstücks (unten) zur Darstellung einer Dampfkapillare und eines Mess strahls beim Schweißen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figur 2 Abstandswerte (Rohdaten) aus einer Dampfkapillare eines optischen Kohä renztomographen,

Figur 3 eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems gemäß Aus- führungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 4 die Zunahme gültiger Messwerte aus einer Dampfkapillare mit zunehmender Lichtleistung der Quelle, Figur 5 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenba rung,

Figur 6 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung,

Figur 7 Möglichkeiten des Einsatzes eines Verstärkers in einer Faser, die sowohl für den Hin- als auch Rücktransport des Lichts verwendet wird,

Figur 8 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, Figur 9 Alternativen zur Verstärkung im Objektarm,

Figur 10 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung, und

Figur 11 eine Vorrichtung zur Erfassung einer spektralen Intensitätsverteilung einer Lichtquelle. Ausführungsformen der Offenbarung

Im Folgenden werden, sofern nicht anders vermerkt, für gleiche und gleichwirkende Elemente gleiche Bezugszeichen verwendet.

Figur 1 zeigt eine schematische Schnittansicht eines Werkstücks (oben) und eine Draufsicht des Werkstücks (unten) zur Darstellung einer Dampfkapillare 11 und ei- nes Messstrahls 13 beim Schweißen gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Figur 2 zeigt Abstandswerte (Rohdaten) aus einer Dampfkapillare ei- nes optischen Kohärenztomographen. Die Faserleistung wurde mit zunehmender Zeit linear gesteigert, weshalb die Kapillartiefe zunimmt.

Wie in Figur 1 dargestellt, entsteht beim Fasertiefschweißprozess während eines Schweiß Vorgangs entlang der Strahlachse des Bearbeitungsstrahls 10 eine Dampfka- pillare 11, die auch Keyhole genannt wird, und die von flüssiger Schmelze 12 umge- ben ist. Die Tiefe Td der Dampfkapillare, im Folgenden auch Keyholetiefe genannt, steht in Zusammenhang mit der Schweißnaht- oder Einschweißtiefe Te. In Vorschub- richtung 20 gesehen hinter der flüssigen Schmelze 12 befindet sich die erstarrte Schmelze 14.

Um die Einschweißtiefe bzw. die Tiefe der Dampfkapillare 11 beispielweise wäh rend des Schweißprozesses zu bestimmen, kann der Messstrahl 13 eines optischen Kohärenztomographen koaxial mit dem Bearbeitungsstrahl 10 überlagert und in die Öffnung der Dampfkapillare 11 fokussiert werden. Das einfallende Ficht trifft auf den Boden bzw. das Ende der Dampfkapillare 11 , wird dort teilweise reflektiert und gelangt zurück in den optischen Kohärenztomographen, mit dessen Hilfe die Tiefe Td der Dampfkapillare 11 mit hoher Präzision gemessen werden kann.

Da es sich bei der Kohärenztomographie um ein optisches Messverfahren handelt, basiert die Messung auf der Rückreflektion von Ficht vom Ende der Dampfkapillare 11. Da die Dampfkapillare 11 in der Regel einen geringen Durchmesser aufweist und sehr spitz zuläuft, wird das Messlicht in der Dampfkapillare 11 sehr schlecht reflek tiert, so dass aus dem Objektarm des Interferometers sehr wenig Ficht zurückreflek- tiert wird. Insbesondere bei hohen Vorschubgeschwindigkeiten ist die Dampfkapilla re 11 zusätzlich stark gekrümmt.

Ab einer Einschweißtiefe von typischerweise 4-6 mm nimmt die Anzahl gültiger Abstands-Messwerte vom Keyhole-Boden rapide ab (siehe rechter Bereich in Figur 2). Dann ist eine Überwachung/Regelung der Einschweißtiefe mit einem herkömmli chen OCT-Sensor nicht mehr möglich. Typischerweise sind gültige Messdaten in jedem 0.1 mm Intervall des Schweißvorschubs von Vorteil, um eine lückenlose Qua litätssicherung zu erzielen. Bei einer Schweißgeschwindigkeit von beispielsweise 6 m/min (=100 mm/s) wird dieses Intervall in 1 ms zurückgelegt. Ein typischer Sensor hat eine Messrate von 70 kHz und absolviert demnach in diesem Zeitraum 70 Mes sungen.

Es gibt verschiedene Ursachen für die geringe Messausbeute bei großer Einschweiß tiefe:

1) Bei großer Einschweißtiefe verjüngt sich das Keyhole am Keyholeboden zu einer Röhre von wenigen pm Durchmesser. Selbst bei guter Fokussierung des Messlichts gelangt nur ein Bruchteil des Lichts ungestreift, also mit keinen bzw. wenigen Reflektionen an der Keyholewand, bis zum Keyholeboden.

2) Das Keyhole fluktuiert mit ca. 100-1000 kHz in seiner Position, seiner Breite und Tiefe, sowie in der Geradheit seines Verlaufs. Ein Lichttranssport hin und zurück mit wenigen Reflexionen an der Keyholewand wird immer selte ner.

3) Die Änderung der Tiefe des Keyholebodens während eines Belichtungstakts sorgt für eine Verschmierung der Interferenzstreifen, wodurch die Signalstär ke reduziert wird.

4) Zum Teil wird die Polarisationsrichtung des Keyhole-Reflexes gedreht, so dass bei linear polarisiertem Input keine Interferenz mit dem Licht aus dem Referenzarm möglich ist.

5) Eine Lichtabsorption am Metalldampf im Keyhole kann erfolgen.

6) Für Messraten im MHz-Bereich, um beispielsweise sequentiell im Vorlauf, im Keyhole und im Nachlauf Messungen durchzuführen, sind höhere Lichtin tensitäten aufgrund der deutlich kürzeren Belichtungszeiten erforderlich. Um die oben genannten Nachteile zu vermeiden ist erfindungsgemäß ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine spektral breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die LD- OCT („Lourier Domain Optical Coherence Tomographie“ oder„optische Kohä renztomographie im Lrequenzbereich“) verwendet werden, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren noch gemessen werden. Bei einer spektral breitbandigen Lichtquelle, wie etwa eine Super lumineszenzdiode oder eine Superkontinuum-Quelle, kann optische Lrequenzdomä- nen-Kohärenztomographie, insbesondere optische Spektraldomänen- Kohärenztomographie (spectral domain OCT), zur Messung verwendet werden. Al ternativ kann bei einer Monochrom-Lichtquelle mit zeitlich periodisch durchge- stimmter Wellenlänge für ein sogenanntes swept source OCT Messverfahren ver wendet werden. Hier kann eine Nachverstärkung des Primär lichts z.B. mit einem halbleiterbasierten optischen Laserverstärker (semiconductor optical amplifier) erfol gen. In einer Ausführungsform kann die Lichtmenge, die in das Keyhole eintritt, durch einen optischen Verstärker um einen Laktor 10 von ca. 50mW auf ca. 500mW erhöht werden. Dadurch gelangt das zehnfache reflektierte Messlicht in eine Detektionsvor richtung und die Signalstärke von aus dem Keyhole reflektiertem Licht kann um ei nen Laktor 3,16 erhöht werden. Hier wird angemerkt, dass die Signalstärke proporti- onal zur Wurzel aus dem Produkt der Intensitäten des Referenzlichts und des reflek tierten Messlichts sqrt(I_ref* I mess) angenommen werden kann. Damit liegt das Messsignal deutlich über dem Rauschen, der durch das Dunkelrauschen der Detekti onsvorrichtung hervorgerufen wird. Wenn das zusätzliche Rauschen im OCT- Messsignal auf Grund von ASE, d.h. von spontan emittierter Strahlung, weniger als um Laktor 3,16 verstärkt wird, kann eine verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis (signal to noise ratio) erzielen. In einer weiteren Ausführungsform kann der Primärstrahl, d.h. der Messstrahl, zu nächst verstärkt und anschließend in eine Vielzahl von Primärstrahlen aufgeteilt werden. Die Vielzahl von Primärstrahlen kann anschließend auf das Werkstück ge richtet werden, sodass jedenfalls einer der Primärstrahlen trotz Fluktuationen der Dampfkapillare genau in die Dampfkapillare trifft. Der Primärstrahl kann durch Verwendung einer Mehrkemfaser (multi-core fiber), die mehrere Kanäle aufweist, in eine Vielzahl von Primärstrahlen aufgeteilt werden. Alternativ kann der verstärkte Primärstrahl z.B. durch eine Linse aufgefächert und anschließend durch eine Mikro linsenanordnung in eine Vielzahl von Primärstrahlen gebündelt werden. Der Anteil an Messlicht, das in die Dampfkapillare (keyhole) trifft, kann dabei durch einen Strahlteiler, wie etwa einen Twin-Spot Strahlteiler, auf Kosten des Anteils an Mess licht, das auf die Werkstückoberfläche trifft, vergrößert werden.

Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Laserbearbeitungssystems 100 gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. Das Laserbearbeitungs- system 100 umfasst einen Laserbearbeitungskopf 101, und insbesondere einen Laser schweißkopf zum Lasertiefschweißen. Das Laserbearbeitungssystem 100 kann eine Laservorrichtung 110 zum Erzeugen eines Bearbeitungsstrahls 10 (auch als„Laserstrahl“ oder„Bearbeitungslaserstrahl“ bezeichnet) umfassen. Das Laserbearbeitungssystem 100 umfasst ferner die Vorrich tung 200 zur Abstandsmessung, insbesondere zur Tiefenmessung einer Dampfkapil lare beim Laserschweißen, gemäß den hier beschriebenen Ausfährungsformen. Der Laserbearbeitungskopf 101 ist eingerichtet, um den Bearbeitungsstrahl 10 auf einen Bearbeitungsbereich eines Werkstücks 1 zu lenken. Der Laserbearbeitungskopf 101 kann eine Kollimatorlinse 120 zur Kollimation des Bearbeitungsstrahls 10 aufwei sen. Die Vorrichtung 200 zur Abstandsmessung erzeugt den Primärstrahl, der auf das Werkstück, und insbesondere in das Keyhole, gelenkt wird. Der Primärstrahl kann auch als „Messstrahl“ oder„optischer Messstrahl“ bezeichnet werden. Der bei- spielsweise vom Keyholeboden reflektierte Teil des Messstrahls wird als„Sekundär strahl“ bezeichnet.

Die Vorrichtung 200 zur Abstandsmessung umfasst typischerweise eine Kollimator- Optik 210, die eingerichtet ist, um den optischen Messstrahl 13 (Primärstrahl) zu kollimieren, eine Ablenk-Optik 220 zum Ablenken des kollimierten optischen Mess- strahls 13 von einer optischen Achse, und eine Fokussier-Optik 230, die eingerichtet ist, um den abgelenkten optischen Messstrahl 13 auf das Werkstück 1 zu fokussieren. In einigen Ausführungsformen können der Bearbeitungsstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 zumindest streckenweise koaxial sein, und können insbesondere zu- mindest streckenweise koaxial überlagert sein. Beispielsweise kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um den optischen Messstrahl 13 in einen Strahlengang des Laserbearbeitungskopf 101 einzukoppeln. Die Zusammenführung des optischen Messstrahls 13 und des Bearbeitungsstrahls 10 kann nach der Ablenk-Optik 220 und vor der Fokussier-Optik 230 erfolgen.

In typischen Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungs formen kombiniert werden können, sind die Kollimator-Optik 210, die Ablenk-Optik 220 und die Fokussier-Optik 230 in den Schweißkopf 101 integriert. Beispielsweise kann der Schweißkopf 101 ein Kollimatormodul 102 umfassen, das in den Schweiß - kopf 101 integriert oder am Schweißkopf 101 montiert ist. Das Kollimatormodul 102 kann die Kollimator-Optik 210 und die Ablenk-Optik 220 umfassen. Die Fokussier- Optik 230 kann eine gemeinsame Fokussier-Optik, wie beispielsweise eine Fokuslin- se, für den Bearbeitungsstrahl 10 und den Messstrahl 13 sein.

Das Laserbearbeitungssystem 100 oder Teile davon, wie beispielsweise der Schweißkopf 101, kann gemäß Ausführungsformen entlang einer Bearbeitungsrich tung 20 bewegbar sein. Die Bearbeitungsrichtung 20 kann eine Schneidrichtung und/oder eine Bewegungsrichtung des Laserbearbeitungssystems 100, wie beispiels weise des Schweißkopfes 101, bezüglich des Werkstücks 1 sein. Insbesondere kann die Bearbeitungsrichtung 20 eine horizontale Richtung sein. Die Bearbeitungsrich tung 20 kann auch als„Vorschubrichtung“ bezeichnet werden. In typischen Ausführungsformen basiert die Bestimmung oder Messung der Tiefe der Dampfkapillare in Echtzeit auf dem Prinzip der optischen Kohärenztomographie, die sich unter Zuhilfenahme eines Interferometers die Kohärenzeigenschaften von Lichts zunutze macht. Insbesondere kann die Vorrichtung 200 ein Kohärenz- Interferometer oder einen optischen Kohärenztomograph umfassen. Die Vorrichtung 200 kann einen Auswerteeinheit 240 und (bzw. mit) eine breitbandige Lichtquelle (z.B. einer Superlumineszenzdiode, SLD) umfassen, die den Primärstrahl in einen Lichtwellenleiter 242 koppelt. In einem Strahlteiler 244, der vorzugsweise einen La serkoppler aufweist, wird das Messlicht in einen Referenzarm 246 und einen Objekt arm (auch als„Messarm“ bezeichnet) aufgespalten, der über einen Lichtwellenleiter 248 in den Schweißkopf 101 führt. Die Vorrichtung 200 umfasst weiter den opti schen Verstärker, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen zu verstärken, so dass auch tiefe Keyholes zuverlässig und präzise gemessen werden können.

Die Kollimator-Optik 210 (auch als„Kollimatormodul“ bezeichnet) dient dazu, das aus dem Lichtwellenleiter 248 austretende Messlicht (Primärstrahl/optischer Mess strahl 13) zu kollimieren. Gemäß einigen Ausführungsformen kann der optische Messstrahl 13 im Schweißkopf 101 mit dem Bearbeitungsstrahl 10 koaxial überlagert werden kann. Anschließend können der Bearbeitungslaserstrahl 10 und der optische Messstrahl 13 durch die Lokussier-Optik 230, die eine gemeinsame Linse oder Lo- kussierlinse sein kann, auf das Werkstück 1 fokussiert werden. Lokuslage und Lo kusdurchmesser des optischen Messstrahls 13 können dabei durch die Ablenk-Optik 220 so eingestellt werden, dass das Messlicht in die Dampfkapillare gelenkt wird.

Das aus der Dampfkapillare zurückreflektierte Messlicht, also der Sekundärstrahl, wird durch die Lokussier-Optik 230 auf die Austritts-/Eintrittsfläche des Lichtwellen leiters 248 abgebildet, im Laserkoppler 244 mit dem zurückreflektierten Licht aus dem Referenzarm 246 überlagert und anschließend zurück in die Auswerteeinheit 240 gelenkt. Das überlagerte Licht enthält Informationen über den Weglängenunter schied zwischen dem Referenzarm 246 und dem Objektarm. Diese Informationen werden in der Auswerteeinheit 240 ausgewertet, wodurch der Benutzer Informatio- nen über den Abstand zwischen Boden der Dampfkapillare und beispielsweise dem Schweißkopf 101 erhält.

Gemäß Ausführungsformen kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um mittels des optischen Messstrahls 10 einen Abstand zum Werkstück 1 beispielsweise bezüg- lich eines durch die Vorrichtung 200 definierten Referenzpunkts zu messen. Insbe- sondere kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um eine Abstandsänderung zu messen, während sich der Schweißkopf 101 entlang der Bearbeitungsrichtung 20 bewegt. Hierdurch kann beispielsweise ein Tiefenprofil der Dampfkapillare erstellt werden. Alternativ oder zusätzlich zur Messung der Tiefe der Dampfkapillare kann eine Topographiemessung des Werkstücks 1, beispielsweise der Schweißnaht, erfol- gen. Die Topographiemessung kann gemäß Ausführungsformen zur Fehlerdetektion und/oder Regelung einer oder mehrerer Prozesseingangsgrößen verwendet werden. Die Prozesseingangsgrößen können z.B. eine Bearbeitungsgeschwindigkeit, eine Laserleistung, ein Laserfokus, und/oder Betriebsparameter des Laserbearbeitungs- kopfs umfassen.

In einigen Ausführungsformen kann eine Topographiemessung im Bereich um die Bearbeitungsposition durchgeführt werden. Hierzu kann der optische Messstrahl 13 lateral verschoben und gleichzeitig Höheninformationen aufgenommen werden. Hierdurch entsteht ein Höhenprofil. Interessante Höhenprofile bei der Laserbearbei- tung können beispielswese Topographien im Vorlauf quer zur Vorschubrichtung sein, um beispielsweise eine Stoßgeometrie zu erkennen, die verschweißt werden soll. Weiterhin kann eine quer zur Vorschubrichtung verlaufende Topographie im Nachlauf gemessen werden, um das Höhenprofil der beim Schweißprozess entste- henden Nahtoberraupe zu erfassen.

Gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung kann der Messstrahl wäh rend der Laserbearbeitung in seiner Auftreffposition verlagert werden. Beispielswei- se kann die Vorrichtung 200 eingerichtet sein, um den Messstrahl bezüglich einer Bearbeitungsrichtung 20 des Bearbeitungsstrahls auf dem Werkstück 1 vor dem Be- arbeitungsstrahl, nach dem Bearbeitungsstrahl, oder am Ort des Bearbeitungsstrahls bereitzustellen. Mögliche Messpositionen umfassen beispielsweise: In Vorschubrich- tung des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls gesehen vor der Bearbeitung, im Bearbeitungsbereich und hinter der Bearbeitung. Weiterhin kann der optische Mess- strahl 13 während der Bearbeitung quer und längs zur Vorschubrichtung durch den Auftreffpunkt des hochenergetischen Bearbeitungsstrahls verschoben werden. Somit lassen sich Tiefenprofile der bei der Bearbeitung mit einem hochenergetischen Bear beitungsstrahl auftretenden Dampfkapillare erstellen.

Wie unter Bezugnahme auf die Figuren 1 und 2 erläutert ist, treten bei herkömmli chen Messungen der Keyhole-Tiefe Probleme hinsichtlich einer Fluktuation der Posi- tion und Tiefe des Keyholes, einer Enge und Krümmung des Keyholes, einer Depo- larisierung des Keyhole-Reflexes, einer Lichtabsorption am Metalldampf, und einer kürzeren Belichtungszeit bei höheren Messraten auf.

Um die vorstehenden Probleme zu lösen ist eine Erhöhung der Lichtmenge vorteil- haft. Figur 4 zeigt die Zunahme gültiger Messwerte aus einer Dampfkapillare mit zunehmender Lichtleistung der Lichtquelle eines FD-OCT Systems. Bei allen Mes sungen hatte die Dampfkapillare die gleiche Tiefe. In dem dargestellten Leistungsbe reich ist ein näherungsweise linearer Zusammenhang zu erkennen. Es kann davon ausgegangen werden, dass mit zunehmender Leistung die Anzahl gültiger Messwerte aus der Dampfkapillare weiter steigt. Im Umkehrschluss können bei höherer Licht leistung auch tiefere Dampfkapillaren noch gemessen werden, da dann noch eine ausreichende Anzahl gültiger Messwerte zur Verfügung steht.

Bei der Fourier-Domain (Frequenzbereich) Optischen Kohärenztomographie (FD- OCT) können breitbandige Lichtquellen verwendet werden, die eine gewisse spektra le Breite besitzen und dennoch kohärentes Licht aussenden. Hier können beispiels weise Superlumineszenzdioden (SLDs) verwendet werden. Kohärentes Licht ist er forderlich, damit es zu Interferenzeffekten bei der Überlagerung von Licht aus dem Objekt- und Referenzarm des Interferometers kommt. Die spektrale Bandbreite ist erforderlich, um eine ausreichende axiale Auflösung zu erreichen. Diese ist gegeben durch:

Dz gibt die axiale Auflösung an, lo die zentrale Wellenlänge, und Dl die volle spekt rale Bandbreite bei halber Höhe des Spektrums (FWHM) (Annahme: gaußförmiges Spektrum).

Somit scheiden Laser für die FD-OCT aufgrund der geringen Linienbreite aus. Leuchtdioden (LEDs) und andere breitbandige Lichtquellen besitzen eine zu geringe Kohärenzlänge. Die maximal erreichbare Ausgangsleistung von SLDs ist im Allge- meinen auf einige zehn Milliwatt bzw. wenige 100 Milliwatt begrenzt, abhängig von der Emissionswellenlänge. Würden SLDs mit höheren Strömen betrieben, um größe re Ausgangsleistungen zu erreichen, dann würde die SLD in den Laserbetrieb über gehen, wodurch sich die spektrale Bandbreite erheblich reduziert und somit die axia le Auflösung des OCT Systems verloren geht. Somit stehen für die Messung der Ein- schweißtiefe mit Hilfe von FD-OCT keine leistungsstarken Lichtquellen zur Verfü gung, um die großen Verluste, die in der Dampfkapillare auftreten, zu kompensieren.

Das Zusammenführen von Licht aus mehreren Lichtquellen zur Leistungssteigerung, wie es bei LEDs häufig angewendet wird, ist keine Alternative, da nur Licht aus der- selben Quelle mit sich selbst interferieren kann. Bei zwei unterschiedlichen SLDs stimmt die Phase der beiden Lichtwellen nicht überein. Ein Anwendungsfeld der optischen Kohärenztomographie ist die Medizintechnik, und hier speziell die Unter suchung des Augeninneren. Um bei der Untersuchung Schäden am Auge zu vermei den, müssen hier die Lichtleistungen gering sein, so dass in diesem Bereich keine Notwendigkeit besteht, OCT Systeme mit hoher Leistung zu entwickeln. Auch für die reine Topographiemessung sind keine leistungsstarken Lichtquellen erforderlich, da Oberflächen, auch wenn sie stark streuen oder absorbieren, immer noch genügend Licht für eine Abstandsmessung zurückreflektieren. Streulicht einer Oberfläche ist deutlich intensiver als das aus dem Keyhole zurückreflektierte Licht.

Erfindungsgemäß wird das Problem der zu geringen, aus der Dampfkapillare zurück reflektierten Lichtleistung durch das Vorsehen eines zusätzlichen Elements, nämlich des optischen Verstärkers, gelöst. Der optischen Verstärker kann an verschiedenen Positionen in der erfindungsgemäßen Vorrichtung angeordnet sein, um den Primar- strahl, den Sekundär strahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Die Lichtquelle und der optische Verstärker können voneinander getrennte Elemente sein.

Zum einen kann das aus der Lichtquelle ankommende Licht verstärkt werden, so dass mehr Licht in die Dampfkapillare gelenkt wird und folglich auch mehr zurück reflektiert wird. Zum anderen kann das schwache aus der Dampfkapillare zurückre- flektierte Licht verstärkt werden, bevor es im Spektrometer spektral aufgespalten wird und auf die Detektorzeile räumlich verteilt wird, wodurch die Licht leistung pro Detektorpixel weiter sinkt.

Verschiedene Ausführungsformen für die Lichtverstärkung sind im Lolgenden erläu- tert.

Ligur 5 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 500 zur Abstandsmes- sung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 500 der Ligur 5 erfolgt eine Verstärkung der Licht quelle.

Die Vorrichtung 500 umfasst eine Lichtquelle 510, die zum Erzeugen eines Primär strahls zum Lenken auf ein Werkstück eingerichtet ist, wenigstens eine Detektions vorrichtung 520, die zum Erfassen eines vom Werkstück reflektierten Sekundär strahls eingerichtet ist, wenigstens einen optischen Verstärker 530, der zum Verstär- ken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls eingerichtet ist, und eine Aus werteeinheit, die für eine Auswertung einer Interferenz spektraler Komponenten im Lrequenzbereich eingerichtet ist. Die Vorrichtung 500 kann ein optischer Kohä renztomograph für den Lrequenzbereich (LD-OCT) sein. Die Detektionsvorrichtung 520 und die Auswerteeinheit können in einer Systemkomponente integriert sein. Bei- spielsweise können die Detektionsvorrichtung 520 und die Auswerteeinheit ein Spektrometer bilden. Ein Verfahren zur Abstandsmessung für ein Laserbearbeitungssystem unter Verwen dung der Vorrichtung 500 umfasst ein Leiten des Primärstrahls auf das Werkstück, ein Leiten des Sekundärstrahls vom Werkstück zur Detektionsvorrichtung, ein opti- sches Verstärken des Primärstrahls und/oder des Sekundärstrahls, und ein Auswerten einer Interferenz spektraler Komponenten im Lrequenzbereich. Das Verfahren kann weiter ein Bestimmen einer Tiefe oder eines Tiefenprofils der Dampfkapillare 11 auf dem Werkstück und/oder einer Topographie des Werkstücks unter Verwendung des vom Werkstück reflektierten Sekundärstrahls umfassen. Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, kann die Lichtquelle 510 eine Superlumineszenzdiode (SLD) oder eine Superkontinuum-Quelle umfassen oder sein. Typischerweise kann der wenigstens eine optische Verstärker 530 ein Laserverstärker (DLA, doped über amplifier), ein halbleiterbasierter Verstärker (SOA, semiconductor optical amplifier), ein Raman- Verstärker, ein optisch parametrischer Verstärker (OPA, optical para- metric amplifier), ein bidirektionaler Verstärker oder eine Kombination davon sein.

Die Lichtquelle 510 und der wenigstens eine optische Verstärker 530 können sequen tiell angeordnet sein, so dass der Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Ver- stärker 530 geleitet wird. Beispielsweise kann der wenigstens eine optische Verstär ker 530 im Strahlengang des Primärstrahls angeordnet sein, so dass der Primärstrahl direkt von der Lichtquelle 510 in den wenigstens einen optischen Verstärker 530 geleitet wird. Die Intensität der Lichtquelle 510 kann so angepasst werden, dass der Verstärker 530 im optimalen Arbeitspunkt betrieben wird und somit ein optimales Signal-zu-Rauschen Verhältnis liefert. Eine Ursache für Rauschen bei einem Ver stärker ist eine verstärkte spontane Emission (ASE, amplified spontaneous emission) aufgrund von angeregten Ladungsträgern, die spontan in den Grundzustand überge hen, dabei ein Photon aussenden, welches durch die anderen angeregten Ladungsträ ger im Verstärkermedium verstärkt wird.

Zur Reduktion der ASE bzw. der Optimierung des Signal-zu-Rauschen Verhältnisses gibt es verschiedene Einstellparameter. Zum einen kann das Verstärkermedium selbst variiert werden. So besitzen Laserverstärker im Vergleich zu halbleiterbasier- ten Verstärkern oftmals einen langlebigeren angeregten Zustand, weshalb weniger Ladungsträger spontan in den Grundzustand übergehen, wodurch die ASE geringer ausfällt. Weiter kann die Pumpleistung des Verstärkers (bei optisch gepumpten Ver stärkern auch die Pumpwellenlänge) beeinflusst werden. Außerdem beeinflusst die in den Verstärker einfallende Licht leistung aus der zu verstärkenden Lichtquelle die ASE. Zusätzlich kann das Verstärker design auf die jeweilige Anwendung optimiert werden.

Gemäß Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 500 einen Strahlteiler 540 zum Bereitstellen eines Objektarms 550 und eines Referenzarms 560. Der Strahlteiler 540 weist vorzugsweise einen Laserkoppler auf, so dass der Primärstrahl in den Refe- renzarm 560 und den Objektarm 550, der beispielsweise über einen Lichtwellenleiter in den Schweißkopf führt, aufgespalten wird. In einigen Ausführungsformen, wie es in der Ligur 5(a) dargestellt ist, umfasst die Vorrichtung 500 wenigstens einen Zirkulator 570, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und/oder den Sekundär strahl eingerich tet ist. Insbesondere kann der Zirkulator 570 zur Trennung der hin- und zurücklau fenden Lichtwelle eingerichtet sein. Ligur 5(b) zeigt einen vereinfachten Aufbau der Vorrichtung ohne Zirkulator.

In der vorliegenden Ausführungsform wird sowohl die Licht leistung im Objekt- als auch im Referenzarm verstärkt. Daher ist es vorteilhaft, dass die Rückreflektion aus dem Referenzarm 560 so gering ist, dass die Detektionsvorrichtung 520, die ein Spektrometer sein kann, nicht übersteuert. Dies kann entweder durch ein angepasstes Koppelverhältnis zwischen Objekt- und Referenzarm erfolgen (weniger Licht in den Referenzarm) oder durch Abschwächung im Referenzarm 560. Im Lall von Laserver- stärkem kann die Lichtleistung um mehr als zwei Größenordnungen gesteigert wer den.

Ligur 6 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 600 zur Abstandsmes sung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vor liegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 600 der Ligur 6 erfolgt eine Verstärkung in der Faser, die Lichtquelle bzw. Spektrometer und Objekt- bzw. Referenzarm ver bindet („common path faser“). Figur 7 zeigt Möglichkeiten des Einsatzes eines Ver stärkers in einer Faser, die sowohl für den Hin- als auch Rücktransport des Lichts verwendet wird.

Gemäß Ausführungsformen ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 in einem gemeinsamen Strahlengang des Primärstrahls und des Sekundärstrahls angeordnet, wie beispielsweise an einer Faser, die Lichtquelle bzw. Spektrometer und Objekt- bzw. Referenzarm verbindet.

Die Vorrichtung 600 kann einen Strahlteiler 540 zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560 umfassen. Typischerweise umfasst die Vorrichtung 600 wenigstens einen Zirkulator 570, der zum Bereitstellen zwei oder mehrerer Strahlengänge für den Primärstrahl und den Sekundär strahl eingerichtet ist. Der we- nigstens eine optische Verstärker 530 kann zwischen dem Zirkulator 570 und dem Strahlteiler 540 angeordnet sein. Der wenigstens eine Zirkulator 570 kann weiter angeordnet sein, um den Primärstrahl in den wenigstens einen optischen Verstärker 530 zu leiten und um den Sekundär strahl zur Detektionsvorrichtung 520, wie bei spielsweise dem Spektrometer, zu leiten.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform durchläuft das Licht den Verstärker an dieser Stelle sowohl auf dem Hin- als auch auf dem Rückweg. Der Verstärker kann beispielsweise bidirektional betrieben werden, wie es im Beispiel der Ligur 7d) dar gestellt ist. Laserverstärker sind für einen bidirektionalen Betrieb nicht ausgelegt. Deshalb kann hier mit Hilfe von Zirkulatoren das Licht getrennt auf Hin- und/oder Rückweg verstärkt werden.

Gemäß Ausführungsformen kann der wenigstens eine Zirkulator einen ersten Zirku lator 772 und einen zweiten Zirkulator 774 umfassen, wobei der wenigstens eine optische Verstärker zwischen dem ersten Zirkulator 772 und dem zweiten Zirkulator 774 angeordnet ist. In den Liguren 7a)-c) ist zwischen dem ersten Zirkulator 772 und dem zweiten Zirkulator 774 ein erster Strahlengang für den Primärstrahl und ein zweiter Strahlengang für den Sekundärstrahl bereitgestellt. Im Beispiel der Figur 7a) umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ers ten optischen Verstärker 732 und einen zweiten optischen Verstärker 734, wobei der erste optische Verstärker 732 im ersten Strahlengang und der zweite optische Ver- stärker 734 im zweiten Strahlengang angeordnet ist. Anders gesagt sind getrennte Verstärker für den Hin- und Rückweg bereitgestellt.

Gemäß weiteren Ausführungen kann der wenigstens eine optische Verstärker 730 im ersten Strahlengang oder im zweiten Strahlengang angeordnet sein. In der Figur 7b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 730 im ersten Strahlengang angeordnet. Anders gesagt wird (nur) der Primärstrahl verstärkt, es erfolgt also eine Verstärkung nur auf dem Hinweg. In der Figur 7c) ist der wenigstens eine optische Verstärker 730 im zweiten Strahlengang angeordnet. Anders gesagt wird (nur) der Sekundär strahl verstärkt, es erfolgt also eine Verstärkung nur auf dem Rückweg.

In anderen Ausführungsformen ist ein einziger Strahlengang für den Primärstrahl und den Sekundärstrahl zwischen dem Zirkulator und dem Strahlteiler bereitgestellt, wobei der wenigstens eine optische Verstärker ein bidirektionaler optischer Verstär ker 736 ist. Dies ist beispielhaft in der Figur 7d) illustriert.

Figur 8 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 800 zur Abstandsmes sung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vor liegenden Offenbarung. In der Vorrichtung 800 der Figur 8 erfolgt eine Verstärkung im Objektarm 550. Figur 8(a) zeigt eine Vorrichtung 800 mit einem Zirkulator 570. Figur 8(b) zeigt eine vereinfachte Vorrichtung ohne Zirkulator.

Die Vorrichtung 800 umfasst den Strahlteiler 540 zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560. Der wenigstens eine optische Verstärker 830 kann in einem Strahlengang des Objektarms 550 angeordnet sein. Erfolgt die Verstärkung im Objektarm 550, kann hier ebenfalls die hin- und zurücklaufende Lichtwelle berück sichtigt werden. Es stehen beispielsweise die in Figur 7 gezeigten Varianten zur Ver fügung, die mit der hier beschriebenen Ausführungsform kombiniert werden können. Zur Verstärkung im Objektarm kann auch ein alternativer Aufbau verwendet werden, der ebenfalls die getrennte Verstärkung der hin- und/oder zurücklaufenden Lichtwel- le erlaubt. Zusätzlich kann durch die Verwendung eines zweiten Spektrometers eine zeitgleiche Auswertung der spektralen Form der Lichtverteilung ermöglicht werden. Beispiele hierfür sind in der Figur 9 gezeigt.

Gemäß Ausführungsformen umfasst die Vorrichtung 900 ein erstes Spektrometer 920 und ein zweites Spektrometer 922. Das erste Spektrometer 920 und das zweite Spektrometer 922 können jeweils eine Detektionsvorrichtung und eine Auswerteein- heit gemäß der vorliegenden Offenbarung umfassen. Die Vorrichtung 900 kann wei- ter einen ersten Strahlteiler 940 und einen zweiten Strahlteiler 942 umfassen. Der erste Strahlteiler 940 kann den Objektarm 550 und den Referenzarm 560 bereitstel- len. Typischerweise ist der erste Strahlteiler 940 zwischen der Lichtquelle 510 und wenigstens einem Zirkulator 970 angeordnet. Der wenigstens eine Zirkulator 970 kann im Strahlengang des Objektarms 550 angeordnet sein. Der zweite Strahlteiler 942 kann mit dem ersten Spektrometer 920, dem zweiten Spektrometer 922, dem Referenzarm 560 und dem Zirkulator 970 (beispielsweise über den wenigstens einen optischen Verstärker 930) verbunden sein. Im Beispiel der Figur 9(a) ist der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und der Detektionsvorrichtung (bzw. dem ers- ten Spektrometer 920 und zweiten Spektrometer 922) angeordnet. Insbesondere kann der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen Zirku- lator 970 und dem zweiten Strahlteiler 942 angeordnet sein. Im Beispiel der Figur 9(b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 930 zwischen dem wenigstens einen

Zirkulator 970 und dem ersten Strahlteiler 940 angeordnet.

Bezugnehmend auf die Figur 9(c) umfasst der wenigstens eine optische Verstärker einen ersten optischen Verstärker 932 und einen zweiten optischen Verstärker 934. Der erste optische Verstärker 932 ist zwischen dem wenigstens einen Zirkulator 970 und der Detektionsvorrichtung (bzw. dem ersten Spektrometer 920 und zweiten Spektrometer 922) angeordnet. Der zweite optische Verstärker 934 ist zwischen dem ersten Strahlteiler 940 und dem wenigstens einen Zirkulator 970 angeordnet. Figur 10 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1000 zur Abstands messung für ein Laserbearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung. In der Vorrichtung der Figur 10 erfolgt eine Verstärkung vor der Detektion. Insbesondere erfolgt eine Verstärkung der zurücklaufenden, durch Objekt- und Referenzarm modulierten, Lichtwelle. Figur 10(a) zeigt eine Vorrich tung mit einem Zirkulator 570. Figur 10(b) zeigt eine vereinfachte Vorrichtung ohne Zirkulator. Gemäß Ausführungsformen ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 im Strahlengang des Sekundärstrahls angeordnet, so dass der verstärkte Sekundär strahl zur Detektionsvorrichtung 520 geleitet wird. Im Beispiel Figuren 10(a) und (b) ist der wenigstens eine optische Verstärker 530 zwischen dem Zirkulator 570 und der Detektionsvorrichtung 520 angeordnet.

Gemäß der vorliegenden Ausführungsform kann die Verstärkung unmittelbar vor der Detektion, also unmittelbar vor dem Spektrometer, erfolgen. Es wird die durch Ob jekt- und Referenzarm modulierte Lichtwelle verstärkt. Tritt das Licht ohne Verstär kung in das Spektrometer, so wird es spektral aufgespalten und beispielsweise auf 256, 512, 1024 oder 2048 Pixel verteilt. Das bedeutet, dass die geringe Intensität auf eine große Anzahl von Detektorpixeln verteilt wird und somit pro Detektorpixel nur noch ein geringer Bruchteil des ursprünglichen Lichts zur Verfügung steht. Somit wird am Detektor schnell die Schwelle erreicht, an der das Signal nicht mehr vom Detektorrauschen unterschieden werden kann.

Im Vergleich dazu steht am Verstärker noch die volle vom Objekt- und Referenzarm zurücklaufende Intensität zur Verfügung. Auch ein Verstärker besitzt eine Schwelle für einlaufendes Licht, die erforderlich ist, damit eine rauscharme Verstärkung statt findet. Da das Licht beim Eintritt in den Verstärker noch nicht spektral aufgespalten wurde, kann diese Schwelle jedoch signifikant höher liegen als die Schwelle der De tektorpixel. Wird die Schwelle für die Verstärkung des Lichts im Verstärker passend gewählt (beispielsweise durch angepasste Pumpleistung oder Verstärkerdesign), dann werden nur die Intensitätsmaxima des modulierten Lichts signifikant verstärkt, wodurch das Interferenzmuster stärker ausgeprägt ist und somit besser im Spektro- meter ausgewertet werden kann. Auch bei ungünstigen Keyholeformen bzw. großen Tiefen, wodurch sehr wenig Licht aus dem Objektarm bereitsteht, ist eine Signal auswertung noch möglich. Wird weiterhin das Sättigungsverhalten des Verstärkers passend gewählt, dann wird das Spektrometer nicht übersteuert, falls neben dem Keyhole beispielsweise eine sehr gut reflektierende Oberfläche gemessen wird.

Figur 11 zeigt eine schematische Darstellung einer Vorrichtung 1100 für ein Laser bearbeitungssystem gemäß weiteren Ausführungsformen der vorliegenden Offenba- rung. In der Vorrichtung der Figur 11 wird eine spektrale Intensitätsverteilung er fasst. Figur 11(a) zeigt eine Erfassung unmittelbar nach der Verstärkung. Figur 11(b) zeigt eine Erfassung im Referenzarm 560.

Bei der FD-OCT kann es erforderlich sein, den spektralen Intensitätsverlauf der Lichtquelle zu kennen. Das emittierte Spektrum verläuft typischerweise spektral nicht flach, sondern weist im Bereich der Mitte ein Maximum auf. Vor der Fourier- Transformation des detektierten Interferenzmusters kann das Spektrum so korrigiert werden, dass es, abgesehen von der Interferenzstruktur, spektral flach verläuft. Hier zu ist der spektrale Intensitätsverlauf der Lichtquelle erforderlich. Bleibt der Verlauf zeitlich konstant, dann kann der Verlauf einmal erfasst und gespeichert werden. Än dert sich der Verlauf aber zeitlich, dann ist es vorteilhaft, die spektrale Form während jeden Messtaktes zu erfassen. Figur 11 zeigt beispielhaft zwei Möglichkeiten, um den von der Lichtquelle emittierten spektralen Intensitätsverlauf während jeden Messtaktes zu detektieren.

Gemäß Ausführungsformen, die mit anderen hier beschriebenen Ausführungsformen kombiniert werden können, umfasst die wenigstens eine Detektionsvorrichtung eine erste Detektionsvorrichtung (bzw. ein erstes Spektrometer 1120) und eine zweite Detektionsvorrichtung (bzw. ein zweites Spektrometer 1122). Die Vorrichtung 1100 kann weiter einen ersten Strahlteiler 1140 und einen zweiten Strahlteiler 1142 umfas sen. Der erste Strahlteiler 1140 kann zum Bereitstellen des Objektarms 550 und des Referenzarms 560 eingerichtet sein. Der erste Strahlteiler 1140 kann weiter einge richtet sein, um zumindest einen Teil des Sekundär Strahls beispielsweise über den Zirkulator 570 in die zweite Detektionsvorrichtung (bzw. das zweite Spektrometer 1122) zu leiten. Der zweite Strahlteiler 1142 kann eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Primärstrahls in die erste Detektionsvorrichtung (bzw. das erste Spekt rometer 1120) zu leiten. Der Zirkulator 570 kann zwischen dem wenigstens einen optischen Verstärker 530 und dem ersten Strahlteiler 1140 angeordnet sein. Der Zir kulator 570 kann eingerichtet sein, um zumindest einen Teil des Sekundärstrahls in die zweite Detektionsvorrichtung (bzw. das zweite Spektrometer 1122) zu leiten.

Im Beispiel der Figur 11(a) ist der zweite Strahlteiler 1142 im Strahlengang des Pri- märstrahls angeordnet. Insbesondere kann der zweite Strahlteiler 1142 zwischen dem Zirkulator 570 und der Lichtquelle 510 (oder zwischen dem Zirkulator 570 und dem optischen Verstärker 530) angeordnet sein.

Im Beispiel der Figur 11(b) ist der zweite Strahlteiler 1142 im Referenzarm 560 an- geordnet. Insbesondere kann der zweite Strahlteiler 1142 zwischen ersten Strahlteiler 1140 und der ersten Detektionsvorrichtung (bzw. dem erste Spektrometer 1120) an geordnet sein.

Erfindungsgemäß ist ein zusätzliches Element, nämlich der optische Verstärker, in den Strahlengang eingefügt, um den Primärstrahl, den Sekundärstrahl, oder beide Strahlen optisch zu verstärken. Damit kann eine breitbandige Lichtquelle mit einer geringen Leistung für die FD-OCT („Fourier Domain Optical Coherence Tomogra phie“ oder„optische Kohärenztomographie im Frequenzbereich“) verwendet wer den, wodurch eine Tiefe einer Dampfkapillare zuverlässig und mit hoher Präzision bestimmt werden kann. Durch die optische Verstärkung können insbesondere auch tiefere Dampfkapillaren gemessen werden.

Die verstärkte Lichtmenge kann zum einen dazu verwendet werden, um die Messfre- quenz steigern, sodass mehr Messungen pro Zeit durchgeführt werden können und damit mehr Daten für die statistische Auswertung zu Verfügung stehen. Außerdem kann eine Belichtungszeit verkürzt werden. Ein Einfluss einer axialen Bewegung des Keyhole-Bodens auf die spektrale Modulation und eine daraus resultierende Ver schmierung bzw. Unschärfe der spektralen Modulation wird verringert. Zum anderen kann die verstärkte Lichtmenge dazu verwendet werden, um die Menge an Messlicht im Objektarm, insbesondere den Anteil von Messlicht, der in das Keyhole eintritt, zu steigern.