[发明专利]在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件的方法和设备

说明书

本发明涉及用于在激光材料加工时监测激光加工头(10)中的射束引导光学器件的方法和设备，在激光材料加工时测量射束引导光学器件的至少一个光学元件(16，18，26)的物理参数，物理参数与至少一个光学元件的污染程度相关；借助空间分辨传感器(36)检测焦点位置用于焦点位置调节，空间分辨传感器测量焦点(20)的区域中的射束直径；分析处理电路(48)由空间分辨传感器(36)的输出信号确定当前焦点位置并且输出用于调节驱动装置的调节信号，调节驱动装置为了焦点位置调节使射束引导光学器件的至少一个光学元件(16；18；26)移位，只要射束引导光学器件的至少一个光学元件(16，18，26)的物理参数的测量值还未达到所配属的临界值，就一直补偿测量的焦点位置变化，当射束引导光学器件的至少一个光学元件(16；18；26)的物理参数的测量值达到所配属的临界值时，输出错误信号。

技术领域

本发明涉及一种用于在激光材料加工时监测激光加工头中的射束引导光学器件并且调节焦点位置的一种方法和一种设备。

背景技术

在激光材料加工时的问题是所谓的“热透镜”，该热透镜可以归因于由于激光功率、尤其几千瓦范围内的激光功率引起的用于激光束引导和聚焦的光学元件的发热并且归因于光学玻璃的折射率的温度相关性。热透镜在激光材料加工时导致沿着射束传播方向的焦点移位。

在激光材料加工过程期间，首先出现导致光学元件发热的两种机制。对此的原因一方面是激光功率增大，而另一方面是光学元件的污染。此外，可能是光学元件经历机械变形，这导致聚焦强度(Brennkraft)变化。机械变形例如可以由光学元件的托座的热膨胀引起。为了确保高质量的激光加工，需要检测相应的焦点位置并且对焦点位置移位进行补偿，即提供快速且精确的焦点位置调节。

DE 10 2011 007 176 A1描述一种用于将激光束聚焦到工件上的设备，该设备包括至少一个透射光学元件和空间分辨的探测器，所述至少一个透射光学元件相对于与激光束的射束轴线垂直的平面成一倾斜角度来布置，该空间分辨的探测器用于检测在透射光学元件上背向反射(rückreflektieren)的激光辐射。图像分析处理装置从由探测器(例如CCD芯片)检测到的图像求取出在探测器上背向反射的激光辐射的尺寸或直径，由该激光辐射的尺寸或直径又可以确定焦点位置用以进行焦点位置调节。

DE 10 2013 021 151 B3涉及一种用于对光学装置中的热透镜至少部分地进行补偿的方法。该光学装置具有形成热透镜的一个或多个光学元件。在激光束的射束路径中布置有具有至少一个光学补偿元件的光学补偿装置，所述至少一个光学补偿元件在激光辐射的穿透区域中具有随着温度相对于光学元件中的至少一个相反的折射率变化。在此，如此选择补偿元件的直径，使得该补偿元件的热时间常数在至少一个光学元件的穿透区域中尽可能接近。借助该方法和由此得出的光学装置也可以在形成热透镜的情况下以简单的方式对暂态效应至少近似地进行补偿。由此不能够对通过污染限定的热透镜进行补偿。

DE 10 2007 039 878 A1描述用于在用于激光材料加工的高功率激光辐射的光学器件的情况下使焦点位置稳定的一种设备和一种方法，其中焦点借助可运动的光学元件和控制装置在出现激光束引起的焦点位置变化的情况下沿相反方向移位，使得焦点总体上保持在期望位置。可以通过激光束的瞬时功率来计算对于校正所需的信息。为了测量该瞬时功率，在光学器件的射束路径中以与光学轴线成一角度地布置有平面平行板，在该平面平行板上将激光束的小的恒定部分偏转到光学传感器上。在此，也不能够对通过污染限定的热透镜进行补偿。

DE 10 2011 054 941 B3涉及一种用于校正焦点位置的热移位的设备。该设备配备有传感器、计算单元和校正单元，该传感器用于求取激光束的当前焦点位置，该计算单元用于将当前焦点位置与存储在存储器中的期望焦点位置进行比较并且用于由当前焦点位置与期望焦点位置的比较推导出校正数据，该校正单元具有至少一个可变的光学元件用以根据校正数据来改变焦点位置。在此，传感器布置在激光辐射的背向反射的焦点的位置处，该激光辐射在待加工的材料前被射束方向上的最后的光学元件中的一个光学元件的面中的一个面反射。