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CN102099146A - 用于分析激光光束的光束剖面的装置 - Google Patents

用于分析激光光束的光束剖面的装置 Download PDF

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CN102099146A
CN102099146A CN2009801157943A CN200980115794A CN102099146A CN 102099146 A CN102099146 A CN 102099146A CN 2009801157943 A CN2009801157943 A CN 2009801157943A CN 200980115794 A CN200980115794 A CN 200980115794A CN 102099146 A CN102099146 A CN 102099146A
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Abstract

本发明涉及一种用于分析激光光束(3)的光束剖面的装置(6)，包括：承载板(7)；多个第一温敏测量元件(9，9a至9g)、尤其是二极管，这些第一温敏测量元件被设置在该承载板(7)的第一面(7a)上的优选呈矩阵形式布置(8)的多个测量点上；以及多个第二温敏测量元件(11，11a至11g)、尤其是二极管，这些第二温敏测量元件被设置在承载板(7)的第二面(7b)上的一另外的优选为矩阵形式的布置(10)中，其中，这些第一测量元件(9a至9g)中的每一个分别与这些第二测量元件(11a至11g)中的一个对置地设置并且与其通过延伸穿过该承载板(7)的印制导线(12a至12g，13a至13g)热耦合。此外，本发明涉及一个具有一个这样的装置(6)的激光加工机以及一个用于分析激光光束(3)的光束剖面的所属方法。

Description

用于分析激光光束的光束剖面的装置
技术领域
本发明涉及一种用于分析激光光束的光束剖面的装置，一种具有至少一个这样装置的激光加工机，以及一种用于分析激光光束的光束剖面的对应方法。
背景技术
在激光加工机中，对激光光束(在理想情况下在线，即，在激光加工期间)测量其特性如功率、光束位置和光束直径和/或强度分布是必需的。为此目的已经具有可商业获得的测量装置，但这些测量装置由于其价格以及其低的鲁棒性经常仅适于在实验室中使用。在一种这样的测量仪中，例如使用一小的、快速运动的针，以便输出耦合激光光束的一小部分并将其转向到一快速IR检测器上。该针是磨损件，因此该测量装置仅有条件地适合在激光加工机中持续使用。
用于测量激光光束的强度剖面的一种替代方法是在激光光束的光路中使用一可以部分透射的转向镜，用于输出耦合大致相应于镜面损失的、光束功率的一小部分到一空间分辨()的检测器上。为此，优选使用一本来已设置在光路中用于光束转向的转向镜。例如由JP 02038931A已知这样一个组件。
由WO 2006/103104A1已知一种镜子，在该镜子中加入一个二极管阵列作为检测器用于测量照射的激光光束的温度分布。该解决方案虽然很紧凑，但是“用于激光光束的镜子”和“用于测量强度剖面的集成二极管”的功能的结合导致在制造镜子时的高费用。此外，对于激光光束的反射所必需的镀金涂层导致相邻二极管、也就是相邻温度测量点的强的热耦合。因此，被激光光束加热的测量点的热能被部分地传递到一些相邻的测量点上，由此激光光束的热图像被“涂乱”。为了补偿这种效应可以在镜子的衬底材料中开设一些沟槽，这些沟槽被用一种热绝缘材料填充。
由US 3939706A已知一种用于光束测量的传感器，其中在衬底的两侧设置有阻抗元件或热电偶。传感器的一侧承受光束而背离光束的一侧被冷却。在各两个在衬底上对置的阻抗元件或热电偶之间测量一个温度差，其中，设置在衬底的背离激光光束的一侧上的阻抗元件通过冷却被保持在一个恒定的温度上，这应导致一具有较小时间常数的传感器。这些阻抗元件在一侧与电压源形成电连接并且在另一侧与乘法器的对应输入端形成电连接，以便能够连续读取。在此，彼此对置的阻抗元件的电接头在衬底上错开设置，使得它们不能相互影响。
由US 4463262A已知一种用于光束测量的传感器，在该传感器中在一衬底上设置了热敏电阻对作为传感器元件，其中，每对中各一个元件作为参考元件被屏蔽照射的光束，以便减小环境温度的波动对测量结果的影响。需要隔热屏用于对于参考元件屏蔽激光光束。
发明内容
本发明的任务是，可以借助一种装置分析激光光束的光束剖面，该装置可被价格有利地制造并且具有小的热时间常数。
本发明的第一方面被实现为一种用于分析激光光束的光束剖面的装置，包括：承载板，多个第一温敏测量元件、尤其是二极管，这些第一温敏测量元件被设置在承载板的第一面上的优选矩阵形式布置的多个测量点上，以及多个第二温敏测量元件、尤其是二极管，这些第二温敏测量元件优选以矩阵形式的布置设置在承载板的第二面上，其中，这些第一测量元件中的每一个各与这些第二测量元件中的一个直接对置地设置，并且，第二测量元件与第一测量元件通过延伸穿过承载板的印制导线热耦合。
这些设置在测量点上的温敏测量元件具有至少一种特性，该特性根据温度、即根据照射的光束功率改变。作为温敏测量元件例如可应用具有与温度有关的电参数的电子部件。半导体组件、例如二极管特别好地适于测量，因为在用恒定电流供电时半导体组件的正向电压在一定的温度范围内根据温度很大程度地线性变化。可理解的是，也可以使用尤其是薄膜技术的常规阻抗或者热电偶(例如双金属片)作为测量元件。
为了减小测量元件的热耦合和热时间常数，根据本发明的承载板或载体衬底、例如电路板不仅在其正面装备有测量元件布置，而且在其背面也设有测量元件的精确相同的布置。在此，在承载板的正面和背面上直接对置的测量元件对分别通过在测量点的范围内或在测量点上延伸穿过承载板的金属印制导线导电及导热地彼此连接。虽然设置在承载板上的其它印制导线也可以被设置用于测量元件的导电连接，以便能够读取测量元件，但是在此产生的热耦合如对底面元件一样以相同方式适用于上面的元件。因此，如果在正面上测量到的温度曲线减去在承载板背面上测量到的温度曲线，就可以避免激光光束的热图像的涂乱。
如果根据本发明的装置在第一面上承受激光光束，例如其方式在于，该装置设置在激光加工机的光束导向装置中的一合适的转向镜后面，则存在电路板的正面上的各个测量点(测量二极管)与电路板背面上的相邻点的热耦合，使得没有激光功率的二极管对上的温度差近似为零。因此，在电路板正面上的二极管与电路板背面上的对应二极管之间的温度差是入射到正面上的激光功率的尺度。通过检测器的根据本发明的构造，有效热时间常数与仅一侧有二极管矩阵相比减小了大约因数3至5并且在相邻二极管之间测量到的热耦合减小了大约因数5。
在一个优选的实施方式中，承载板具有至少一个用于散热的导热层，其中，导热层并不与延伸穿过承载板的印制导线形成连接。通常将一个或两个由金属、优选由铜(约350W/(mk)的高热导率λ)制成的导热层为了散热设置在载体衬底的中部，即，在两个矩阵形式的布置之间，以便提高装置的功率稳定性。在此，在载体衬底的外侧上与导热层相连接地设置了一些热沉。可理解的是，散热应在装置的两侧沿着这些层相同地起作用，因此该层(这些层)以典型的方式关于承载板的中心平面对称地延伸。附加地或替代地也可实现一种散热，其方式在于，承载板的两侧通过引导气流、尤其是空气流以相同的方式冷却。
在一个特别有利的实施方式中，彼此对置的第一和第二测量元件如此反并联地连接，使得第一二极管的阴极与第二二极管的阳极形成导电连接并且第一二极管的阳极与第二二极管的阴极形成导电连接。在二极管这样一种反并联连接中，可以在适当选择用于测量的电流的极性时测量一个二极管对的第一二极管的与温度有关的电压，因为第二二极管工作在截止方向上，使得该第二二极管对测量不起作用。通过反转电流方向，可以接着进行对第二二极管的与温度有关的电压的测量，其中，第一二极管在此情况下工作在截止方向上。
在一个有利的实施方式中，二极管被构造为SMD二极管。如果用很小及物美价廉的SMD(surface mounted device)二极管进行平面的温度测量，则该装置可以特别成本有利地制造。由此，可用小的成本费用制造具有例如50mm×50mm测量区域的检测器，以便分析具有30mm直径的激光光束。
在另一个优选的实施方式中，在该矩阵形式的布置和/或该另外的矩阵形式的布置的行和列中的第一和/或第二测量元件导电地彼此连接。每行或每列的各个测量元件可以此方式借助一合适的计算逻辑被寻址用于读取。如上所述，在应用反并联连接的二极管时一个唯一的连接矩阵就足够使得不仅读取在第一面上的二极管而且读取在第二面上的二极管。
本发明的另一方面被实现为一种激光加工机，具有一用于产生激光光束的产生装置以及具有至少一个如上所述的用于分析激光光束的光束剖面的装置。在此，通常直接在未聚焦的激光光束中进行测量，也就是没有连接在中间的聚焦光学系统。在此，借助该装置可以在二维区域中测量强度分布，其中该测量区域应被选择稍微大于待测量的激光光束，以便例如能够确定光束位置的偏差。上述装置可以在激光加工机中使用，以便在线测量及监控激光光束。如果在激光加工机中可以使用能够有目的地改变光束位置的、相应的调整元件，则可以调整激光光束的指向(Pointing)。
在一个特别有利的实施方式中，激光加工机包括一个部分透射的转向镜，用于将激光光束的一部分输出耦合到用于分析光束剖面的装置上。对于在激光加工机中典型应用的高激光功率有利的是，典型地激光功率的仅约1％的一小部分输出耦合并照射到该装置上，以便保护该装置防止由于太大的放热造成的损坏并且同时激光光束仅具有小的功率损失。
本发明的另一方面被以一种用于分析激光光束的光束剖面的方法实现，包括：将激光光束照射到承载板的第一面上，在该承载板上将多个第一温敏测量元件、尤其是二极管设置在优选呈矩阵形式布置的多个测量点上，以及通过比较第一测量元件的与温度有关的特性与第二温敏测量元件、尤其是二极管的与温度有关的特性来确定在对应测量点上的激光光束的强度，所述第二温敏测量元件在该承载板的第二面上与第一测量元件对置地设置并且通过延伸穿过承载板的印制导线与第一测量元件热耦合。在此，两个对置的测量元件上的与温度有关的特性、尤其是与温度有关的电压降的测量值或测量信号的差是照射到该装置的第一面上的激光功率的尺度。
在一个有利的变型中，每一个第一二极管的阴极与一个对置地设置的第二二极管的阳极形成连接并且每一个第一二极管的阳极与一个对置地设置的第二二极管的阴极形成连接，并且流过这两个二极管的电流方向在测量第一二极管的与温度有关的电压降和测量第二二极管的与温度有关的电压降之间被反转。以此方式可以借助一个唯一的连接矩阵不仅测量承载板正面上的而且测量承载板背面上的二极管的与温度有关的电压降。
在一个特别优选的变型中，被带入到承载板上的热量通过在承载板内部的至少一个导热层和/或通过承载板两侧的气流这样排出，使得承载板两侧上的冷却作用是对称的。在此对称的冷却作用被理解为：以相同的方式对对置地设置的测量元件的温度产生冷却作用，使得冷却不会影响通过对对置的测量元件的与温度有关的特性的比较、尤其是通过求差来确定激光光束的强度。
本发明的更多优点由说明书和附图给出。同样，前面所述的以及还进一步说明的特征可单独地或多个地以任意的组合进行应用。这些所示出及描述的实施方式并不可理解为全部列举，而是具有用于描述本发明的示例性特征。
附图说明
附图示出：
图1具有根据本发明的用于分析光束剖面的装置的、根据本发明的激光加工机的一个实施方式的示意图，
图2a-c图1的装置的承载板的前视图、后视图以及剖面图，具有两个矩阵形式的二极管布置，以及
图3用于确定图2a-c的二极管的与温度有关的阻抗的测量装置的电路图。
具体实施方式
图1示出了激光加工机1，具有用于产生激光光束3的激光谐振器2。激光光束3借助(没有示出的)光束导向光学系统聚焦在工件4上，以便在该工件上进行激光加工，例如激光焊接过程或激光切割过程。在此，激光光束3在激光谐振器2与工件4之间在转向镜5上转向90°。该转向镜5被构造为分束器(Strahlteiler)并且反射入射的激光光束3的强度的约99％。激光光束3的剩余强度(约1％)由转向镜5透射并且照射到用于分析激光光束3的光束剖面的装置6上，在图2a-c中详细描述该装置。
装置6具有由塑料材料制成的电路板作为承载板7，如在图2a中所示，在该承载板的正面7a上施加呈第一二极管9形式的温敏测量元件的矩阵形式的布置8。激光光束3在矩阵形式的布置8区域中照射到承载板7上。在此，在承载板7上被矩阵形式的布置8覆盖的面积被选择得稍微大于通常在激光加工机1中应用的激光光束3横截面，使得也可以确定与激光光束3的在图2a中示出的理想的、即中心的光束位置的偏差。第一二极管9具有与温度有关的电压降，该电压降根据照射的激光辐射的强度改变，使得这些第一二极管9形成一个二维的、矩阵形式的测量点布置8，光束剖面、即激光光束3在光束横截面上的光束强度可以根据这些测量点确定。
为了减小在相邻的第一二极管9之间的热耦合以及为了减小第一二极管9的热时间常数，如在图2b中所示，承载板7在其背面7b上具有第二二极管11的第二矩阵形式的布置10。在此，这两个矩阵形式的布置8，10被相同地构造并且彼此直接对置地定位在承载板7的正面7a或背面7b上，使得第一矩阵形式的布置8的第一二极管9中的每一个各与第二矩阵形式的布置10的第二二极管11中的一个直接对置地设置。
如在图2c中借助承载板7的沿着一排第一或第二二极管9a至9g或11a至11g的截面所示，第一二极管9a至9g中的每一个各与一个对置的第二二极管11a至11g通过第一和第二印制导线12a，13a至12g，13g导电和导热地连接。在此，第一二极管9a至9g反并联地连接到第二二极管11a至11g，即，每一个第一二极管9a至9g的阴极K与一个对置的第二二极管11a至11g的阳极A通过对应的第一印制导线12a至12g连接并且相应地第一二极管9a至9g的阳极A与第二二极管11a至11g的阴极K通过对应的第二印制导线13a至13g连接。
对导热连接应理解为，通过印制导线12a，13a至12g，13g进行在对置的第一和第二二极管9a至9g或11a至11g之间的温度平衡。尤其是对于激光光束没有照射到对应的第一二极管9a至9g上的情况，相对于对应对置的第二二极管11a至11g的温差应近似为零，而当激光光束照射到第一二极管上时，产生相对于第二二极管的、确定的温差。
如在图2c中所示，在测量时，为了简化而在空间上局部地示出的激光光束3作为热源照射到装置6的第一二极管9d上并且加热该二极管，其中，热量的一部分通过承载板7传递到相邻的第一二极管9c或9e上。热量的另一部分传递到第二二极管11d上。第一二极管9d在其相邻二极管9c或9e上的耦合与第二二极管11d在其相邻二极管11c或11e上的耦合一样大。如果对于每个测量点形成上侧和下侧的温度测量值的差，则结果明显减小了各个测量点之间的热耦合。
如在图2c中同样可见，第一或第二二极管9a至9g，11a至11g是SMD二极管，所述二极管不具有导线接头并且用其连接管脚14a，14b直接与承载板7上的焊眼(英文为“solder pads”)15a，15b连接，该承载板被构造为印制电路板(PCB“printed circuit board”)。SMD二极管的小尺寸允许以小的成本费用制成例如呈50mm乘50mm矩阵形式布置的测量区域。用一个如此确定尺寸的测量区域可分析一个具有例如30mm直径的激光光束3。
在承载板7中置入一个由具有高导热系数的铜制成的层16，以便保证将在承载板7中由激光光束3产生的热量有效地向着设置在承载板边缘上的(未示出的)散热器排出，由此提高了装置6的功率稳定性。与在图2c中示出的不同，层16典型地在承载板7中在中部延伸，由此在装置的两侧以相同方式进行散热并且不会使测量结果失真。在此重要的是，层16与印制导线9a至9g或11a至11g不连接，因为否则由于该电连接将不仅不能测量各个二极管9a至9g或11a至11g的电压降并且此外还会提高相邻二极管的热耦合。当然，附加地或替代该导热层16也可以设置气体冷却，在气体冷却时承载板7的两侧面7a，7b以同一方式通过气流或空气流的流过来冷却。此外可理解的是，也可以是其它冷却类型，其中，对所有冷却类型共同的是，它们关于承载板7或承载板7的中心平面应当具有对称的冷却作用。
通过图2a-c中示出的装置6，与具有唯一的、仅设置在承载板正面7a上的矩阵形式二极管布置的承载板相比，有效热时间常数可以减小因数3至5，在相邻的第一二极管9或第二二极管11之间测量到的热耦合可以减小因数5。
为了求得第一或第二二极管9，11的与激光光束的强度有关的温度，装置6具有一示出在图3中的测量装置17。该测量装置17包括多个开关元件，在图中示例性地为SW1至SW13，呈数字式功能块的形式，这些开关元件分别具有八个输出端以及一个输入端，输入端分别根据三个控制位(Control Bits)每次与八个输出端中的唯一一个相连通。这些开关元件SW1至SW13用于对这些矩阵形式连接的二极管9或11中的各个求值。在图中示例性地示出具有二极管9或11的各十六行Z1至Z16以及十六列S1至S16。在此，在布置在一行中的第一开关元件SW1至SW7的输入端上分别作用一恒定电流Iconst，该恒定电流根据三个第一控制位1至3与输出端中的一个相连接。在开关元件SW1至SW7的每个输出端上各有一个与二极管9或11连接的列导线，在这些列导线中在图3中示例性地示出了列S1至S16。借助另一开关元件SW13可通过另外三个控制位7至9将在该开关元件的输入端上存在的地电势施加到设置在一列中的另外的开关元件的每一个输入端上，在这些开关元件中在图3中示例性地示出了五个(SW8至SW12)。借助另外三个控制位4至6可对五个另外的开关元件SW8至SW12的八个输出端中的各一个加载地电势。这些另外的开关元件SW8至SW12的输出端中的各一个分别与反并联连接的第一第二二极管9，11对的一行(例如Z1至Z16)导电连接。可理解的是，在彼此并排设置的第一二极管9或第二二极管11之间的每个导电连接都具有热设计，该热设计分别在正面和背面上对于相邻二极管之间的耦合产生相同的情况，使得通过在每个测量点中对正面及背面的温度测量值的求差明显减小测量值的热耦合。
第一开关元件SW1至SW7用其输出端同样与二极管对9，11的各一个接头这样连接，使得通过控制位1至9可通过二极管对对应的行或列选择一个对应的待测量的二极管对，例如在第一行Z1和第一列S1中的第一二极管对9，11。在此施加的直流电Iconst仅仅流过一个二极管、例如流过第一二极管9，因为由于反并联的连接，流过第二二极管11的电流被截止，使得仅在第一二极管9上电压下降。如果电流Iconst的电流方向反转，则电流Iconst相应地仅流过第二二极管11，使得可以测量在该二极管上下降的电压。二极管的温度可由该电压降计算出。由在第一二极管9及第二二极管11上测量出的温度之间的差得出照射到第一二极管9上的激光光束3的强度的尺度。为此，通过二极管9，11的反并联的电连接，一个唯一的电连接矩阵就足够使得不仅可以读取在承载板7正面7a上的二极管9而且可以读取在承载板7背面7b上的二极管11。
上述装置6例如可以被使用在结合图1示出的激光加工机1中，以便在线地、即在加工工件4期间测量及监控激光光束3。在此，尤其是可以检测激光光束3的位置并且通过激光加工机1中(未示出)的调整元件(可翻转的镜子等)有目的地改变或调节激光光束3的指向或光束位置。可理解的是，以此方式也可确定并且必要时在线调节激光光束3的光束强度。
显然也可变换上述装置6，这些变换同样允许以小的温度常数测量。因此，代替二极管9，11也可以在承载板7上设置其它类型的温敏测量元件、例如热电偶。为了分析激光光束的光束剖面，测量点或二极管9，11的等距布置也不是强制地必需的。但是在这种情况下重要的是，通过延伸穿过承载板的印制导线保证对置的测量元件之间确定的热连接。

Claims (10)

1.用于分析激光光束(3)的光束剖面的装置(6)，包括：承载板(7)，多个第一温敏测量元件(9，9a至9g)、尤其是二极管，这些第一温敏测量元件被设置在该承载板(7)的第一面(7a)上的优选呈矩阵形式布置(8)的多个测量点上，以及多个第二温敏测量元件(11，11a至11g)、尤其是二极管，这些第二温敏测量元件被设置在承载板(7)的第二面(7b)上的一另外的优选为矩阵形式的布置(10)中，其中，这些第一测量元件(9a至9g)中的每一个分别与这些第二测量元件(11a至11g)中的一个对置地设置并且与其通过延伸穿过该承载板(7)的印制导线(12a至12g，13a至13g)热耦合。
2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述承载板(7)具有至少一个用于散热的导热层(16)，其中，该导热层(16)与所述延伸穿过承载板(7)的印制导线(12a至12g，13a至13g)不形成连接。
3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，彼此对置的第一和第二二极管被如此反并联地连接，使得第一二极管的阴极(K)与第二二极管的阳极(A)形成导电连接并且第一二极管的阳极(A)与第二二极管的阴极(K)形成导电连接。
4.根据前述权利要求中一项的装置，其特征在于，其中，所述二极管被构造为SMD二极管。
5.根据前述权利要求中一项的装置，其特征在于，在所述矩阵形式的布置(8)和/或所述另外的矩阵形式的布置(10)的行(Z1至Z16)和列(S1至S16)中的第一和/或第二测量元件(9，11)导电地彼此连接。
6.激光加工机(1)，具有一用于产生激光光束(3)的产生装置(2)以及具有至少一个根据前述权利要求中一项所述的用于分析所产生的激光光束(3)的光束剖面的装置(6)。
7.根据权利要求6的激光加工机，此外包括：部分透射的转向镜(5)，用于将该激光光束(3)的一部分输出耦合到所述用于分析光束剖面的装置(6)上。
8.用于分析激光光束(3)的光束剖面的方法，包括：将该激光光束(3)照射到承载板(7)的第一面(7a)上，在该面上将多个第一温敏测量元件(9，9a至9g)、尤其是二极管设置在优选为矩阵形式的布置(8)中的多个测量点上，以及通过比较第一测量元件(9，9a-9g)的一个与温度有关的特性与第二温敏测量元件(11，11a-11g)、尤其是二极管的一个与温度有关的特性来确定该激光光束(3)在对应测量点上的强度，该第二温敏测量元件在承载板(7)的第二面(7b)上与第一测量元件(9，9a-9g)对置地设置并且与该第一测量元件(9，9a-9g)通过延伸穿过该承载板(7)的印制导线(12a至12g，13a至13g)热耦合。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于，每一个第一二极管的阴极(K)与一个对置地设置的第二二极管的阳极(A)形成连接并且每一个第一二极管的阳极(A)与一个对置地设置的第二二极管的阴极(K)形成连接，并且其中，流过这两个二极管的电流方向在测量第一二极管的与温度有关的电压降与测量第二二极管的与温度有关的电压降之间被反转。
10.根据权利要求8或9的方法，其特征在于，带入到所述承载板(7)上的热量通过在承载板(7)内部的至少一个导热层(16)和/或通过该承载板(7)两面的气流被如此排出，使得承载板(7)两面的冷却作用是对称的。
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