Die Erfindung betrifft einen Laserbearbeitungskopf, aus dem im Betrieb ein Laser- strahl, insbesondere in Form von Ultrakurzpuls(UKP)-Laserpulsen, in Richtung auf ein Werkstück austritt, sowie eine Laserbearbeitungsmaschine und ein Verfahren zum Betrieb der Laserbearbeitungsmaschine. Derartige Laserbearbeitungsköpfe von Laserbearbeitungsanlagen sind hinlänglich bekannt, z.B. aus der US 2008/0003708 A1 oder der US 2009/0045179 A1.

Es ist bekannt, dass UKP-Laserpulse mit Pulsdauern im Bereich von Pikosekun- den und Femtosekunden, wenn sie auf ein Target treffen, ab einer Bestrahlungs- stärke von ca. 1x10 ¹³ W/cm ² als Nebenprodukt Röntgenstrahlung erzeugen kön- nen, deren Energie größer als 5 keV ist. Allerdings waren UKP-Laser bisher noch zu schwach, so dass keine oder nur geringe, unentdeckte Röntgenstrahlung er- zeugt wurde. Mit steigender Leistung der UKP-Laser wächst nun die Gefahr, dass höhere Dosen schädlicher Röntgenstrahlung erzeugt werden.

Die vorliegende Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, Röntgenstrahlung, die bei der Lasermaterialbearbeitung, insbesondere mittels UKP-Laserpulsen, erzeugt wird, zuverlässig zu detektieren sowie ein Verfahren zum röntgensicheren Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine anzugeben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass am Laserbearbei- tungskopf, insbesondere auf seiner laseraustrittsseitigen Seite, mindestens ein Röntgensensor angeordnet ist, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück erzeugte Röntgenstrahlung zu detektieren

Erfindungsgemäß sind am Laserbearbeitungskopf, insbesondere an der dem Werkstück („Target“) zugewandten, laseraustrittsseitigen Seite des Laserbearbei- tungskopfes, also in unmittelbarer Nähe der Auftreffstelle des Laserstrahles auf das Werkstück, ein oder mehrere Röntgensensoren installiert, die nur auf Rönt- genstrahlung reagieren. Der Laserbearbeitungskopf stellt das letzte Bauteil im Strahlengang des Laserstrahls dar, so dass der bzw. die Röntgensensoren nicht durch andere Bauteile des Laserbearbeitungskopfes vor der vom Werkstück aus- gehenden Röntgenstrahlung abgeschattet werden. Das Sensorsignal des Rönt- gensensors kann beispielsweise zur Steuerung von Prozessparametern benutzt werden. Als Anwendungsbeispiele sind zu nennen:

- Automatisches Verringern der Bestrahlungsstärke auf dem Werkstück, wenn die Röntgenschwelle erreicht ist; und

- Abschalten des Laserstrahles, wenn die Röntgenschwelle erreicht ist. Es kann beispielsweise nur ein einziger Röntgensensor vorgesehen sein, der die Austrittsöffnung beispielsweise (teil)ringförmig umgibt. Bevorzugt sind aber Aus- führungsformen, bei denen mehrere Röntgensensoren ringförmig um die Austritts- Öffnung herum angeordnet sind. Die Röntgensensoren können grundsätzlich aber auch an anderer beliebiger Stelle in der Maschine positioniert sein, wenn sie freie Sicht auf den Bearbeitungsort der Laserpulse haben. Die Anbringung am Laserbe- arbeitungskopf ist aufgrund der Nähe zum Bearbeitungsort und der unverdeckba- ren Sicht aber besonders vorteilhaft. Vorzugsweise detektieren die mehreren Röntgensensoren mit mindestens zwei unterschiedlichen physikalischen Prinzi- pien die Röntgenstrahlung. Die Röntgensensoren sind vorteilhaft parallel geschal- tet, damit von jedem der Röntgensensoren das Sensorsignal ausgewertet und so- mit die Röntgenstrahlung ortsaufgelöst und redundant detektiert werden kann. Be- sonders vorteilhaft sind mehrere Röntgensensoren an einem Sensorring angeord- net, der am Laserbearbeitungskopf insbesondere höhenverstellbar befestigt, z.B. aufgesteckt ist. Für unterschiedliche Röntgensensoren können unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sein.

Vorzugsweise ist der mindestens eine Röntgensensor durch eine Fotodiode gebil det, deren Empfangsfläche mit einer für Röntgenstrahlung durchlässigen, aber für Strahlung mit Energien kleiner als 30 keV, insbesondere kleiner als 10 keV oder als 5 keV, undurchlässigen Abdeckung abgedeckt ist. Eine Photonenenergie von 30 keV kann bspw. eine gesetzliche Grenzenergie für die Genehmigungspflicht von Anlagen darstellen. Durch eine ab diesem Grenzwert automatische Abschalt- einrichtung wäre ein genehmigungsfreier Betrieb möglich. Die Abdeckung kann beispielsweise durch, mit absorbierenden Stoffen wie Metallpulvern oder -fasern, gefüllte Kunststoffe, durch lichtundurchlässige Gläser oder durch Folien aus Metal- len, wie z.B. Aluminium oder Magnesium gebildet sein. Mit anderen Worten ist der mindestens eine Röntgensensor zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet.

Die Erfindung betrifft in einem weiteren Aspekt auch eine Laserbearbeitungsma- schine mit einem Laser, insbesondere UKP-Laser, zum Erzeugen eines Laser- strahls und mit mindestens einem Röntgensensor, um eine durch Wechselwirkung des Laserstrahls mit dem Werkstück erzeugte Röntgenstrahlung zu detektieren. Der mindestens eine Röntgensensor kann grundsätzlich an beliebiger Stelle positi oniert sein, sofern er freie Sicht auf den Bearbeitungsort des Laserstrahls hat. Be- sonders bevorzugt ist der mindestens eine Röntgensensor aber am Laserbearbei- tungskopf befestigt, der das letzte Bauteil im Strahlengang des Laserstrahls dar- stellt.

Vorzugsweise ist eine Maschinensteuerung programmiert, anhand des Sensorsig- nals des mindestens einen Röntgensensors Prozessparameter der Laserbearbei- tungsmaschine einzustellen, insbesondere den Laserstrahl abzuschalten. Bei mehreren um den Laserstrahl, insbesondere um eine Austrittsöffnung des Laser- bearbeitungskopfes, herum angeordneten Röntgensensoren kann die Maschinen- steuerung weiterhin programmiert sein, anhand eines Sensorsignals den jeweils zugehörigen Röntgensensor oder die Dosis der Röntgenstrahlung ortsaufgelöst zu bestimmen. Vorteilhaft können für unterschiedliche Röntgensensoren unterschied- liche zulässige Signalgrenzwerte oder für unterschiedliche Ortswinkel um die Aus- trittsöffnung unterschiedliche zulässige Signalgrenzwerte eingerichtet sein. Weiter- hin bevorzugt sind der mindestens eine Röntgensensor und die Maschinensteue- rung zur Detektion und Auswertung von ultrakurzen Röntgenpulsen eingerichtet.

Die Erfindung betrifft schließlich auch ein Verfahren zum röntgensicheren Betrieb einer Laserbearbeitungsmaschine, bei welcher zur Bearbeitung eines Werkstücks ein Laserstrahl, insbesondere in Form von UKP-Laserpulsen, in Richtung auf das Werkstück austritt, wobei während der Bearbeitung ein Sensorsignal mindestens eines Röntgensensors zur Detektion von Röntgenstrahlung von einer Maschinen- steuerung ausgewertet wird und wobei die Maschinensteuerung in Abhängigkeit des ausgewerteten Sensorsignals Prozessparameter der Laserbearbeitungsma- schine einstellt. Bevorzugt umfasst die Einstellung der Prozessparameter der La- serbearbeitungsmaschine eine Abschaltung des Laserstrahls.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung, den Ansprüchen und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch eine Laserbearbeitungsmaschine mit einem am erfin- dungsgemäßen Laserbearbeitungskopf angeordneten Sensorring; und Fig. 2 die Unteransicht des in Fig. 1 gezeigten Sensorrings mit mehreren

Röntgensensoren.

Die in Fig. 1 gezeigte Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst einen UKP-Laser 2 zum Erzeugen eines Laserstrahls 3 in Form von UKP-Laserpulsen, sowie einen Laserbearbeitungskopf 4 mit einer Austrittsöffnung 5, aus welcher der Laserstrahl 3 in Richtung auf ein zu bearbeitendes Werkstück („Target“) 6 fokussiert austritt. Die Austrittsöffnung 5 kann z.B. durch eine Düse, ein Schutzglas oder ein anderes Optikelement gebildet sein. Beim Bearbeiten von Material mit UKP-Laserpulsen wird bei Überschreiten bestimmter Laser-Parameter an der Auftreffstelle 7 Rönt- genstrahlung 8 erzeugt, die sich von dort kugelförmig ausbreitet. Liegt diese Auf- treffstelle 7 in einem Graben oder einer Bohrung des Werkstücks 6, wird die Aus- breitung der Röntgenstrahlung 8 durch Absorption und Reflexion verändert bzw. abgeschwächt.

Um die Röntgenstrahlung 8 zu detektieren, ist auf der laseraustrittsseitigen Seite des Laserbearbeitungskopfes 4 ein Sensorring 9 mit mehreren (in Fig. 2 lediglich beispielhaft acht) Röntgensensoren 10 um die Austrittsöffnung 5 herum angeord- net. Der Sensorring 9 kann bevorzugt höhenverstellbar, bspw. am Laserbearbei- tungskopf 4 verschiebbar, ausgeführt sein, um den Sensorring 9 möglichst nahe an die Auftreffstelle 7 ausrichten. Die Röntgensensoren 10 umgeben somit die Austrittsöffnung 5 bzw. den austretenden Laserstrahl 3 ringförmig. Durch die ring- förmige Anordnung ist gewährleistet, dass auch durch Strukturen am Werkstück 6 einseitig abgestrahlte Röntgenstrahlung 8 effektiv detektiert werden kann. Sobald nur einer der Röntgensensoren 10 von der Röntgenstrahlung 8 getroffen wird, er- zeugt dieser Röntgensensor 10 bereits einen für eine Auswertung ausreichend großen Signalstrom. Die Röntgensensoren 10 sind vorteilhaft parallel geschaltet, damit von jedem der Röntgensensoren 10 das Sensorsignal ausgewertet werden kann. Besonders bevorzugt ist eine Schaltung, mit der die Röntgenstrahlung 8 ortsaufgelöst detektiert werden kann. Aus Gründen der Detektionssicherheit wird der Abstand zwischen zwei benachbarten Röntgensensoren 10 so gering wie möglichst gewählt, um eine redundante Anordnung der Röntgensensoren 10 zu erreichen.

Die Röntgensensoren 10 detektieren ausschließlich Röntgenstrahlung 8 mit Ener- gien größer als z.B. 5 keV und können beispielsweise durch eine Fotodiode (z.B. eine Cadmiumtellurid-Fotodiode oder eine in Sperrrichtung betriebene PIN-Diode aus Silizium) gebildet sein, deren Empfangsfläche mit einer für die Röntgenstrah- lung 8 durchlässigen, aber für Strahlung mit Energien kleiner als z.B. 5 keV un- durchlässigen Abdeckung 11 abgedeckt ist. Aus Sicherheitsgründen ist es vorteil- haft, redundante Röntgensensoren 10 zu positionieren, die mit unterschiedlichen physikalischen Prinzipien die Röntgenstrahlung 8 detektieren. Dadurch kann eine automatische Abschaltung gemäß den Regeln der funktionalen Sicherheit mit ei- nem besseren Performance Level bewertet werden. Als Abdeckung 11 eignen sich beispielsweise Folien aus Werkstoffen mit geringer Ordnungszahl, zum Bei- spiel mit Metallfasern gefüllte Kunststoffe, lichtundurchlässige Gläser, Folien aus Aluminium oder Magnesium, usw. So wird gewährleistet, dass die Röntgensenso- ren 10 nicht fälschlicherweise auf reflektierte Laserstrahlung des Lasers 2 reagie- ren können. Eine abgedeckte Fotodiode reagiert im ms-Bereich auf den Empfang von Röntgenstrahlung 8 und ist damit schneller als übliche Abschaltmechanismen für den Austritt des Laserstrahls 3 aus einer an einer Laserbearbeitungsmaschine vorgesehenen Schutzumhausung 13.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin eine Maschinensteuerung 12, die anhand des Sensorsignals eines der Röntgensensoren 10 Prozesspara- meter der Laserbearbeitungsmaschine 1 einstellen, insbesondere den Laserstrahl 3 abschalten kann. Insbesondere kann die Maschinensteuerung 12 anhand eines Sensorsignals den jeweils zugehörigen Röntgensensor 10 und damit die Röntgen- strahlung 8 ortsaufgelöst detektieren. Die Maschinensteuerung 12 kann so eingerichtet sein, dass bei einem Signal un- gleich 0 von einem der Röntgensensoren 10 die Einstrahlung des Laserstrahls 3 auf die Auftreffstelle 7 unterbrochen wird, z.B. indem der Laser 2 ausgeschaltet wird. Es ist auch möglich, dass lediglich die Intensität des Laserstrahls 3 an der Auftreffstelle 7 verringert wird, indem z.B. der Fokusdurchmesser des Laserstrahls 3 an der Auftreffstelle 7 vergrößert oder die Laserleistung gesenkt wird. Die Ma- schinensteuerung 12 kann auch so eingerichtet sein, dass erst ab Überschreiten eines bestimmten Grenzwerts der durch den Röntgensensor 10 gemessenen Röntgendosis oder Photonenenergie die Einstrahlung des Laserstrahls 3 auf die Auftreffstelle 7 unterbrochen oder die Intensität des Laserstrahls 3 an der Auftreff- stelle 7 verringert wird.

Die Laserbearbeitungsmaschine 1 umfasst weiterhin einen Bearbeitungsbereich 13, in welchem die Bearbeitungsstelle 7 positioniert ist, und eine Schutzumhau- sung 14, welche die Umgebung zumindest teilweise zumindest gegen Laserstrah- lung 3 aus dem Bearbeitungsbereich 13 abschirmt. Bevorzugt wird die gesamte Umgebung durch die Schutzumhausung 14 gegen Laserstrahlung und alle Sekun- därstrahlung aus dem Bearbeitungsbereich 13 abgeschirmt. Besonders bevorzugt wird außerdem die Umgebung durch die Schutzumhausung 14 zumindest bis zu einer bestimmten Dosisleistung gegen Röntgenstrahlung 8 abgeschirmt. Die Schutzumhausung 14 kann auch so ausgeführt sein, dass bestimmte Teile der Schutzumhausung 14 stärker abschirmend ausgeführt sind als andere.

Insbesondere bei einer Laserbearbeitungsmaschine 1 , bei welcher der Röntgen- sensor 10 die Röntgenstrahlung 8 ortsaufgelöst detektiert, kann der Grenzwert der zulässigen Röntgendosis in unterschiedliche Abstrahlungsrichtungen unterschied- lich hoch sein. So kann der Grenzwert z.B. in einer Richtung, in welcher sich übli cherweise ein Maschinenbediener aufhält, also bspw. in Richtung eines Bedien- pults oder einer Zugrifföffnung, niedriger sein als in der Gegenrichtung. Weiter können in der Laserbearbeitungsmaschine 1 empfindlichere Einrichtungen, wie bestimmte Sensoren, vorgesehen sein, in deren Richtung ein niedrigerer Grenz- wert vorgesehen sein kann. Auch kann in bestimmten Richtungen eine Schutzum- hausung 14 stärker abschirmend ausgeführt sein und in dieser Richtung ein höhe- rer Grenzwert zulässig sein. Durch die Verwendung von Laserstrahlung 3 in Form von ultrakurzen Laserpulsen tritt auch die Röntgenstrahlung 8 typischerweise als ultrakurze Röntgenpulse auf. Es ist daher darauf zu achten, dass die Röntgensensoren 10 zur Detektion der ult- rakurzen Röntgenpulse geeignet sind, d.h., das Ansprechverhalten muss ausrei- chend schnell sein, und der Röntgensensor 10 muss, da die ultrakurzen Röntgen- pulse eine hohe Intensität aufweisen, ausreichend robust sein. Auch die Maschi- nensteuerung 12 muss ein ausreichend schnelles Ansprechverhalten aufweisen.