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WO2009132760A1 - Vorrichtung zur analyse des strahlprofils eines laserstrahls - Google Patents

Vorrichtung zur analyse des strahlprofils eines laserstrahls Download PDF

Info

Publication number
WO2009132760A1
WO2009132760A1 PCT/EP2009/002665 EP2009002665W WO2009132760A1 WO 2009132760 A1 WO2009132760 A1 WO 2009132760A1 EP 2009002665 W EP2009002665 W EP 2009002665W WO 2009132760 A1 WO2009132760 A1 WO 2009132760A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
diodes
temperature
laser beam
measuring
diode
Prior art date
Application number
PCT/EP2009/002665
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Wolfgang Scholich-Tessmann
Marcelo-Cabaleiro Martins
Original Assignee
Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg filed Critical Trumpf Werkzeugmaschinen Gmbh + Co. Kg
Priority to CN200980115794.3A priority Critical patent/CN102099146B/zh
Publication of WO2009132760A1 publication Critical patent/WO2009132760A1/de
Priority to US12/917,643 priority patent/US8480300B2/en

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B23—MACHINE TOOLS; METAL-WORKING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • B23K—SOLDERING OR UNSOLDERING; WELDING; CLADDING OR PLATING BY SOLDERING OR WELDING; CUTTING BY APPLYING HEAT LOCALLY, e.g. FLAME CUTTING; WORKING BY LASER BEAM
    • B23K26/00—Working by laser beam, e.g. welding, cutting or boring
    • B23K26/70—Auxiliary operations or equipment
    • B23K26/702—Auxiliary equipment
    • B23K26/705—Beam measuring device

Definitions

  • the present invention relates to a device for analyzing the beam profile of a laser beam, a laser processing machine with at least one such device, and an associated method for analyzing the beam profile of a laser beam.
  • a laser processing machine it is necessary to measure a laser beam - ideally online, ie during laser processing - in its properties such as power, beam position and beam diameter and / or intensity distribution.
  • measuring devices which, however, are often suitable only for use in the laboratory due to their price and their low robustness.
  • a small, fast-moving needle is used to decouple a small part of the laser radiation and direct it to a fast IR detector. This needle is a wearing part, therefore, the meter is only partially suitable for continuous use in laser processing machines.
  • An alternative method for measuring the intensity profile of a laser beam uses a partially transparent deflection mirror in the beam path of the laser beam to decouple a small proportion of the radiation power, which corresponds approximately to the losses of the mirror, to a spatially resolving detector.
  • a deflection mirror is used for this purpose, which is already provided for beam deflection in the beam path anyway.
  • Such an arrangement is known for example from JP 02038931 A.
  • a mirror has become known, in which a diode array is incorporated as a detector for measuring the temperature distribution of the incident laser beam.
  • the combination of the functions "mirrors for laser radiation” and “integrated diodes for measuring the intensity profile” leads to a high outlay in the production of the mirror.
  • the gold coating necessary for the reflection of the laser radiation leads to a strong thermal coupling of adjacent diodes, ie adjacent temperature measuring points. As a result, the heat energy of a measuring point heated by the laser beam is partly transmitted to adjacent measuring points, whereby the thermal image of the laser beam is "smeared".
  • a sensor for measuring the beam has become known in which resistance elements or thermocouples are arranged on both sides of a substrate. One side of the sensor is exposed to the beam and the side facing away from the beam is cooled. Between each two opposing on the substrate resistance or thermocouples, a temperature difference is measured, the resistance elements, which are provided on the side facing away from the laser beam of the substrate are kept by the cooling at a constant temperature, resulting in a sensor with a small time constant should lead.
  • the resistance elements are connected on the one hand to a voltage supply and on the other hand to a respective input of a multiplexer in electrical connection in order to enable a sequential read-out.
  • the electrical connections of opposing resistance elements are arranged offset on the substrate, so that they can not influence each other.
  • US Pat. No. 4,463,362 A discloses a sensor for measuring the beam, in which pairs of thermistors are arranged as sensor elements on a substrate, wherein in each case one element of a respective pair is shielded as a reference element from the impinging radiation in order to determine the influence of fluctuations in the ambient temperature on the sensor Minimize measurement result.
  • a heat shield is needed to shield the reference elements from the laser radiation.
  • a first aspect of the invention is implemented in a device for analyzing the beam profile of a laser beam, comprising: a carrier plate, a plurality of first temperature-sensitive measuring elements, in particular of diodes, which at a plurality of measuring points in a preferably matrix-like arrangement a first side of the carrier plate are mounted, and a plurality of second temperature-sensitive measuring elements, in particular of diodes, which are mounted in a preferably matrix-shaped arrangement on a second side of the carrier plate, wherein each one of the first measuring elements one of the second measuring elements disposed directly opposite and with the first measuring element is thermally coupled via extending through the carrier plate conductor tracks.
  • the temperature-sensitive measuring elements arranged at the measuring points have at least one property which varies as a function of the temperature, i. changes depending on the incident radiation power.
  • temperature-sensitive measuring elements e.g. electronic components with a temperature-dependent electrical parameter can be used.
  • semiconductor devices e.g. Diodes, particularly well suited because their forward voltage changes largely linearly when fed with a constant current as a function of the temperature in a certain temperature range.
  • conventional resistors in particular in thin-film technology, or thermocouples (for example bi-metal strips) can also be used as measuring elements.
  • a carrier plate or a carrier substrate such as a board, not only equipped on its front with an array of measuring elements, but also provided on its back with exactly the same arrangement of measuring elements.
  • Directly opposite pairs of measuring elements on the front and back of the carrier plate are in each case electrically and thermally conductively connected to one another by metallic conductor tracks which run through the carrier plate in the region or at the measuring points.
  • the device according to the invention is exposed to the laser beam on the first side, for example by being arranged behind a suitable deflecting mirror in the beam guide of a laser processing machine, thermal coupling of the individual measuring points (measuring diodes) on the front side of the board to its neighbors on the Bottom, so that the temperature difference at diode pairs, to which no laser power hits, is almost zero.
  • the temperature difference between a diode on the front side and the associated diode on the back side of the board is therefore a measure of the laser power radiated on the front side.
  • the effective thermal time constant is reduced by about a factor of 3 to 5 compared with a single-sided diode matrix and the thermal coupling measured between adjacent diodes is reduced by a factor of about 5.
  • the carrier plate has at least one thermally conductive layer for heat dissipation, wherein the thermally conductive layer is not in communication with the interconnects passing through the carrier plate.
  • the thermally conductive layer is not in communication with the interconnects passing through the carrier plate.
  • one or two thermally conductive layers consisting of a metal, preferably of copper (high thermal conductivity ⁇ of about 350 W / (m K)), for heat dissipation in the center of the carrier substrate, i. between the two matrix-like arrangements, in order to increase the power stability of the device.
  • heat sinks are arranged on the outer sides of the carrier substrate in conjunction with the thermally conductive layers.
  • opposing first and second measuring elements are connected in anti-parallel fashion, such that the cathode of a first diode is connected to the anode of a second diode in electrically conductive connection. and vice versa.
  • the temperature-dependent voltage of the first diode of a diode pair can be measured with a suitable choice of the polarity of the current used for the measurement, since the second diode is operated in the reverse direction, so that it does not contribute to the measurement.
  • the current direction it is subsequently possible to measure the temperature-dependent voltage of the second diode, the first diode being operated in the reverse direction in this case.
  • the diodes are formed as SMD diodes.
  • the device can be produced particularly cost-effectively if the surface temperature measurement is carried out with very small and inexpensive SMD (surface mounted device) diodes. This allows a detector with a measuring field of e.g. 50mm x 50mm to analyze a 30mm diameter laser beam.
  • the first and / or the second measuring elements in rows and columns of the matrix-shaped arrangement and / or the further matrixförmägen arrangement are electrically conductively connected to each other.
  • the individual measuring elements of each row or each column can be addressed for reading by means of a suitable evaluation logic.
  • a single connection matrix suffices to read both the diodes on the first and the diodes on the second side.
  • Another aspect of the invention is realized in a laser processing machine with a generating device for generating a laser beam and with at least one device as described above, which is used for analyzing the beam profile of the laser beam.
  • the measurement is usually done directly in the unfocused laser beam, ie without an intermediate focusing optics.
  • the intensity distribution in a two-dimensional field can be measured by means of the device, wherein this measuring field should be selected to be slightly larger than the laser beam to be measured in order to be able to determine, for example, deviations of the beam position.
  • the device described above can be used in the laser processing machine to measure the laser beam online and to monitor. Thus, it becomes possible to correct the pointing of the laser beam, if in the laser processing machine corresponding actuators are available, which can change the beam position targeted.
  • the laser processing machine comprises a partially transmissive deflecting mirror for Auskopplu ⁇ g a portion of the laser beam to the apparatus for analyzing the beam profile.
  • a partially transmissive deflecting mirror for Auskopplu ⁇ g a portion of the laser beam to the apparatus for analyzing the beam profile.
  • a further aspect of the invention is realized in a method for analyzing the beam profile of a laser beam, comprising: irradiating the laser beam onto a first side of a carrier plate on which a plurality of first temperature-sensitive measuring elements, in particular of diodes, at a plurality of measuring points in a preferred and determining the intensity of the laser beam at a respective measuring point by comparing a temperature-dependent property of a first measuring element with a temperature-dependent characteristic of a second temperature-sensitive measuring element, in particular a diode mounted on a second side of the carrier plate opposite the first measuring element and the first measuring element is thermally coupled via extending through the carrier plate conductor tracks.
  • the difference between the measured values or the measurement signals of the temperature-dependent property, in particular the temperature-dependent voltage drop, on two measuring elements facing each other represents a measure of the laser power radiated onto the first side of the device.
  • the cathode of a respective first diode is connected to the anode of an oppositely mounted second diode and vice versa, and between measuring the temperature-dependent voltage drop of the first diode and measuring the temperature-dependent voltage drop of the second diode, the current direction through the two diodes around- versa.
  • the temperature-dependent voltage drop of the diodes can be measured both on the front side and on the rear side of the carrier plate.
  • the heat introduced onto the carrier plate is removed by at least one thermally conductive layer within the carrier plate and / or by a gas flow on both sides of the carrier plate so that the cooling effect is symmetrical on both sides of the carrier plate.
  • a symmetrical cooling effect is understood here to mean that the cooling has the same effect on the temperature of measuring elements arranged opposite one another, so that the cooling has no effect on the determination of the intensity of the laser beam by comparison, in particular by differentiation of the temperature-dependent property of the opposing measuring elements ,
  • FIG. 1 is a schematic representation of an embodiment of a laser processing machine according to the invention with a device according to the invention for analyzing the beam profile
  • FIGS. 2a-c shows a carrier plate of the device of FIG. 1 with two matrix-shaped diode arrangements in a view from the front, from behind, as well as in a sectional illustration, and
  • FIG. 3 is a circuit diagram of a measuring device for determining the temperature-dependent resistance of the diodes of FIGS. 2a-c.
  • 1 shows a laser processing machine 1 with a laser resonator 2 for generating a laser beam 3.
  • the laser beam 3 is focused by means of a (not shown) Strahlf ⁇ hrungsoptik on a workpiece 4 to perform on this laser processing, eg a laser welding or laser cutting process.
  • the laser beam 3 is deflected by 90 ° between the laser resonator 2 and the workpiece 4 at a deflecting mirror 5.
  • the deflection mirror 5 is designed as a beam splitter and reflects about 99% of the intensity of the incident laser beam 3.
  • the remaining intensity (about 1%) of the laser beam 3 is transmitted by the deflection mirror 5 and impinges on a device 6 for analyzing the beam profile of the laser beam 3 which are described in detail in FIGS. 2a-c is shown.
  • the device 6 has a board made of a plastic material as a support plate 7, on whose front side 7a, as shown in Fig. 2a, a matrix-shaped arrangement 8 of temperature-sensitive measuring elements in the form of first diodes 9 is mounted.
  • the laser beam 3 impinges on the carrier plate 7 in the region of the matrix-shaped arrangement 8.
  • the area which is covered by the matrix-like arrangement 8 on the carrier plate 7 is here selected to be somewhat larger than the cross-sectional area of the laser beam 3 used in the laser processing machine 1, so that deviations from the ideal, that is to say those shown in FIG. central beam position of the laser beam 3 can be determined.
  • the first diodes 9 have a temperature-dependent electrical voltage drop, which varies as a function of the intensity of the incident laser radiation, so that the first diodes 9 form a two-dimensional, matrix-shaped arrangement 8 of measuring points, on the basis of which the beam profile, i. the beam intensity of the laser beam 3 over the beam cross section can be determined.
  • the carrier plate 7 As shown in Fig. 2b, on its rear side 7 b, a second matrix-shaped arrangement 10 of second diodes 11.
  • the two matrix-like arrangements 8, 10 are in this case identically formed and positioned directly opposite one another on the front side 7a or the rear side 7b of the carrier plate 7, so that in each case one of the first diodes 9 of the first matrix-like arrangement 8 each one of the second diodes 11 of the second matrix-shaped arrangement 10 is arranged directly opposite one another.
  • first diodes 9a to 9g As shown in FIG. 2c by a section through the support plate 7 along a row of first and second diodes 9a to 9g and 11a to 11g respectively, one of the first diodes 9a to 9g is connected to an opposite second diode 11a to 11g first and second conductor tracks 12a, 13a to 12g, 13g electrically and thermally conductively connected.
  • the first diodes 9a to 9g are in this case anti-parallel to the second diodes 11 a to 11 g interconnected, i.
  • each first diode 9a to 9g is connected to the anode A of an opposite second diode 11a to 11g via a respective first conductor 12a to 12g, and accordingly, the anodes A of the first diodes 9a to 9g are connected to the cathodes K of the second diodes 11 a to 11 g connected via a respective second conductor 13 a to 13 g.
  • a thermally conductive connection is understood to mean that temperature compensation takes place via opposing first and second diodes 9a to 9g or 11a to 11g via the conductor tracks 12a, 13a to 12g, 13g.
  • first and second diodes 9a to 9g or 11a to 11g via the conductor tracks 12a, 13a to 12g, 13g.
  • the temperature difference to a respective opposite second diode 11 a to 11g be almost zero, while on impact of laser radiation on the first diodes a defined temperature difference to the second Diodes are created.
  • a laser beam 3 shown spatially localized as a heat source strikes a first diode 9 d of the device 6 during the measurement and heats it, part of the heat being transferred via the carrier plate 7 to adjacent first diodes 9 c and 9 e is transmitted. Another part of the heat is transferred to the second diode 11 d.
  • the coupling of the first diode 9d to its neighbors 9c and 9e is the same size as the coupling of the second diode 11d to its neighbors 11c and 11e, respectively. If the difference between the temperature measured values of the top and the bottom is formed for each measuring point, the thermal coupling between the individual measuring points is reduced significantly as a result. As can also be seen in FIG.
  • the first and second diodes 9a to 9g, 11a to 11g are SMD diodes which have no wire connections and with their connection pins 14a, 14b directly to soldering eyes 15a , 15b ("solder pads") on the carrier plate 7, which is formed as a printed circuit board (PCB).
  • the small dimensions of the SMD diodes make it possible to produce a measuring field in a matrix-like arrangement of, for example, 50 mm by 50 mm at low cost. With a measuring field dimensioned in this way, a laser beam 3 with a diameter of, for example, 30 mm can be analyzed.
  • a layer 16 of copper is introduced, which has a high coefficient of heat conduction, to effectively dissipate the heat generated in the support plate 7 by the laser beam 3 heat (not shown) heat sinks, which are provided at the edges of the support plate, to ensure that the performance stability of the device 6 is increased.
  • the layer 16 is typically centered in the support plate 7, so that the heat dissipation on both sides of the device in the same manner erfoigt and does not distort the measurement result.
  • the layer 16 is not connected to the strip conductors 9a to 9g or 11a to 11 g, otherwise due to the electrical connection both the measurement of the voltage drop of the individual diodes 9a to 9g or 11a to 11g not possible and, moreover, the thermal coupling of adjacent diodes would be increased.
  • gas cooling may also be provided, in which both sides 7a, 7b of the carrier plate 7 are cooled in the same way by passing a gas or air stream. It is further understood that other types of cooling are possible, with all types of cooling is common that they should have a symmetrical cooling effect with respect to the support plate 7 and a median plane of the support plate 7.
  • the effective thermal time constant can be reduced by a factor of 3 relative to a carrier plate with a single matrix arrangement of diodes which is attached only to its front side 7a to 5 and the measured between adjacent first diodes 9 and second diodes 11 thermal coupling can be reduced by a factor of 5.
  • the device 6 has a measuring device 17 shown in FIG.
  • the measuring device 17 comprises a plurality of switching elements, in the image by way of example SW1 to SW 13, in the form of digital components, each having eight outputs and an input connected in dependence on three control bits (control bits) with a single one of the eight outputs becomes.
  • the switching elements SW1 to SW13 serve to evaluate individual of the matrix-connected diodes 9 and 11, respectively. Sixteen lines Z1 to Z16 and columns S1 to S16 with diodes 9 and 11 are shown by way of example in each case.
  • switching elements SW 1 to SW7 At the inputs of the first arranged in a row switching elements SW 1 to SW7 here is in each case a constant current l const , which is connected in response to three first control bits 1 to 3 with one of the outputs.
  • SWI 3 By means of a further switching element SWI 3 can via three further control bits 7 to 9 a present at its input ground potential to a respective input of arranged in a column, other switching elements, of which in Fig. 3 by way of example five (SW8 to SW12) are shown applied become.
  • one of the eight outputs of the five further switching elements SW8 to SW12 can be subjected to ground potential.
  • one of the outputs of the further switching elements SW8 to SW12 is in each case electrically conductively connected to one row (for example Z1 to Z16) of the anti-parallel-connected pairs of first and second diodes 9, 11. It is understood that the respective electrically conductive connections between juxtaposed first diodes 9 and second diodes 11 have a thermal design which produces on the front and back respectively the same conditions for the coupling between adjacent diodes, so that on the difference of the Temperature readings of the front and the rear at each measuring point significantly reduces the thermal coupling of the measured values.
  • the first switching elements SW 1 to SW7 are also connected with their outputs to a respective connection of the diode pairs 9, 1 1, such that via the control bits 1 to 9 a respective diode pair to be measured can be selected via its respective row or column, eg the first diode pair 9, 1 1 in the first row Z1 and the first column S1.
  • the DC applied here l co ⁇ st. flows only through one, for example by the first diode 9, since the current flow is blocked by the second diode 11 due to the anti-parallel shading, so that only a voltage across the first diode 9 drops. If the current direction of the current l const is reversed, then the current flows l ⁇ nst.
  • the temperature of the diodes is calculated from the voltage drop.
  • the difference between the temperature measured at the first diode 9 and the second diode 11 results in a measure of the intensity of the laser beam 3 impinging on the first diode 9.
  • the antiparallel electrical connection of the diodes 9, 11 makes this a single electrical connection matrix sufficient to read both the diodes 9 on the front side 7a and the diodes 11 on the rear side 7b of the carrier plate 7.
  • the device 6 described above may e.g. in the laser processing machine 1 shown in connection with Fig. 1, to bring the laser beam 3 online, i. during the machining of the workpiece 4 to measure and monitor.
  • the position of the laser beam 3 can be detected and the pointing or the beam position of the laser beam 3 can be selectively changed or regulated by (not shown) actuators (tiltable mirrors, etc.) in the laser processing machine 1. It is understood that in this way, the beam intensity of the laser beam 3 can be determined and optionally controlled online.
  • thermocouples instead of the diodes 9, 11, other types of temperature-sensitive measuring elements, eg thermocouples, can be provided on the carrier plate 7. Also, an equidistant arrangement of the measuring points or the diodes 9, 11 is not absolutely necessary in order to analyze the beam profile of the laser beam. However, it is essential in all cases that the plate passing through a defined thermal connection between opposing measuring elements is ensured.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (6) zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3), umfassend: eine Trägerplatte (7), eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen (9a bis 9g), insbesondere von Dioden, die an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung an einer ersten Seite der Trägerplatte (7) angebracht sind, und eine Mehrzahl von zweiten temperaturempfindlichen Messelementen (11 a bis 11g), insbesondere von Dioden, die in einer weiteren bevorzugt matrixförmigen Anordnung an einer zweiten Seite der Trägerplatte (7) angebracht sind, wobei jeweils eines der ersten Messelemente (9a bis 9g) einem der zweiten Messelemente (11a bis 11g) gegenüberliegend angeordnet und mit diesem über durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufende Leiterbahnen (12a bis 12g. 13a bis 13g) thermisch gekoppelt ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Laserbearbeitungsmaschine mit einer solchen Vorrichtung (6) sowie ein zugehöriges Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3).

Description

Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls, eine Laserbearbeitungsmaschine mit mindestens einer solchen Vorrichtung, sowie ein zugehöriges Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls. In Laserbearbeitungsmaschinen ist es notwendig, einen Laserstrahl - im Idealfall online, d.h. während der Laserbearbeitung - in seinen Eigenschaften wie Leistung, Strahllage und Strahldurchmesser und/oder Intensitätsverteilung zu vermessen. Zu diesem Zweck gibt es bereits kommerziell erhältliche Messgeräte, die allerdings aufgrund ihres Preises und ihrer geringen Robustheit oft nur für einen Einsatz im Labor geeignet sind. In einem solchen Messgerät wird beispielsweise eine kleine, schnell bewegte Nadel genutzt, um einen kleinen Teil der Laserstrahlung auszukoppeln und auf einen schnellen IR-Detektor zu lenken. Diese Nadel ist ein Verschleißteil, daher ist das Messgerät für einen Dauereinsatz in Laserbearbeitungsmaschinen nur bedingt geeignet.
Ein alternatives Verfahren zur Messung des Intensitätsprofils eines Laserstrahls nutzt einen teildurchlässigen Umlenkspiegel im Strahlengang des Laserstrahls zur Auskopplung eines geringen Anteils der Strahlungsleistung, die etwa den Verlusten des Spiegels entspricht, auf einen ortsauflösenden Detektor. Vorzugsweise wird hierfür ein Umlenkspiegel genutzt, der ohnehin bereits zur Strahlumlenkung im Strahlengang vorgesehen ist. Eine solche Anordnung ist beispielsweise aus der JP 02038931 A bekannt.
Aus der WO 2006/103104 A1 ist ein Spiegel bekannt geworden, in dem ein Diodenarray als Detektor zur Messung der Temperaturverteilung des auftreffenden Laserstrahls eingearbeitet ist. Diese Lösung ist zwar sehr kompakt, aber die Zusammenführung der Funktionen "Spiegel für Laserstrahlung" und "integrierte Dioden zur Messung des Intensitätsprofils" führt zu einem hohen Aufwand bei der Herstellung des Spiegels. Außerdem führt die für die Reflexion der Laserstrahlung notwendige Goldbeschichtung zu einer starken thermischen Verkopplung benachbarter Dioden, d.h. benachbarter Temperaturmesspunkte. Dadurch überträgt sich die Wärmeenergie eines vom Laserstrahl erwärmten Messpunkts zum Teil auf benachbarte Messpunkte, wodurch das thermische Abbild des Laserstrahls "verschmiert". Zur Kompensation dieses Effekts können Gräben in das Trägermaterial des Spiegels eingebracht werden, die mit einem thermisch isolierenden Material gefüllt werden. Aus der US 3939706 A ist ein Sensor zur Strahlvermessung bekannt geworden, bei dem auf beiden Seiten eines Substrats Widerstandselemente oder Thermoelemente angeordnet sind. Eine Seite des Sensors wird dem Strahl ausgesetzt und die dem Strahl abgewandte Seite wird gekühlt. Zwischen jeweils zwei sich auf dem Substrat gegenüberliegenden Widerstands- bzw. Thermoelementen wird eine Temperaturdifferenz gemessen, wobei die Widerstandselemente, die an der dem Laserstrahl abgewandten Seite des Substrats vorgesehenen sind, durch die Kühlung auf konstanter Temperatur gehalten werden, was zu einem Sensor mit geringer Zeitkonstante führen soll. Die Widerstandselemente stehen einerseits mit einer Spannungsversorgung und andererseits mit einem jeweiligen Eingang eines Multiplexers in elektrischer Verbindung, um ein sequentielles Auslesen zu ermöglichen. Die elektrischen Anschlüsse von einander gegenüberliegenden Widerstandselementen sind hierbei auf dem Substrat versetzt angeordnet, so dass diese sich nicht gegenseitig beeinflussen können.
Aus der US 4463262 A ist ein Sensor zur Strahlvermessung bekannt, bei dem auf einem Substrat Paare von Thermistoren als Sensorelemente angeordnet sind, wobei jeweils ein Element eines jeweiligen Paars als Referenzeiement von der auftreffenden Strahlung abgeschirmt ist, um den Einfluss von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf das Messergebnis zu minimieren. Zur Abschirmung der Referenzelemente vor der Laserstrahlung wird ein Hitzeschild benötigt.
Aufgabe der Erfindung
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls mittels einer Vorrichtung zu ermöglichen, die preisgünstig herzustellen ist sowie eine geringe thermische Zeitkonstante aufweist.
Gegenstand der Erfindung
Ein erster Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls, umfassend: eine Trägerplatte, eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen, insbesondere von Dioden, die an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung an einer ersten Seite der Trägerplatte angebracht sind, und eine Mehrzahl von zweiten temperaturempfindlichen Messelementen, insbesondere von Dioden, die in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung an einer zweiten Seite der Trägerplatte angebracht sind, wobei jeweils eines der ersten Messelemente einem der zweiten Messelemente unmittelbar gegenüberliegend angeordnet und mit dem ersten Messelement über durch die Trägerplatte hindurch verlaufende Leiterbahnen thermisch gekoppelt ist.
Die an den Messpunkten angeordneten temperaturempfindlichen Messelemente weisen mindestens eine Eigenschaft auf, die sich in Abhängigkeit von der Temperatur, d.h. in Abhängigkeit von der auftreffenden Strahlungsleistung ändert. Als temperaturempfindliche Messselemente können z.B. elektronische Bauteile mit einem temperaturabhängigen elektrischen Parameter verwendet werden. Für die Messung sind Halbleiterbauelemente, z.B. Dioden, besonders gut geeignet, da deren Durchlass-Spannung sich bei Speisung mit einem konstanten Strom in Abhängigkeit von der Temperatur in einem bestimmten Temperaturbereich weitgehend linear verändert. Es versteht sich, dass als Messelemente auch herkömmliche Widerstände, insbesondere in Dünnschicht-Technologie, oder Thermoelemente (z.B. Bi-Metall- Streifen) eingesetzt werden können.
Zur Reduktion der thermischen Kopplung und der thermischen Zeitkonstante der Messelemente wird erfindungsgemäß eine Trägerplatte bzw. ein Trägersubstrat, z.B. eine Platine, nicht nur auf ihrer Vorderseite mit einer Anordnung von Messelementen bestückt, sondern auch auf ihrer Rückseite mit exakt derselben Anordnung von Messelementen versehen. Sich unmittelbar gegenüberliegende Paare von Messelementen auf der Vorder- und Rückseite der Trägerplatte sind dabei jeweils durch metallische Leiterbahnen, die im Bereich bzw. an den Messpunkten durch die Trägerplatte hindurch verlaufen, elektrisch und thermisch leitend miteinander verbunden. Zwar können auch weitere Leiterbahnen, die auf der Trägerplatte aufgebracht sind, zur elektrisch leitenden Verbindung der Messelemente vorgesehen sein, um ein Auslesen der Messelemente zu ermöglichen, die hierbei entstehenden thermischen Kopplungen gelten aber für die Elemente der Ober- wie der Unterseite auf die gleiche Weise. Das Verschmieren des thermischen Abbilds des Laserstrahls kann damit verhindert werden, wenn das auf der Rückseite der Trägerplatte gemessene Temperaturprofil von jenem auf der Vorderseite subtrahiert wird.
Wird die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der ersten Seite dem Laserstrahl ausgesetzt, beispielsweise indem sie hinter einem geeigneten Umlenkspiegel in der Strahlführung einer Laserbearbeitungsmaschine angeordnet wird, so besteht eine thermische Verkopplung der einzelnen Messpunkte (Mess-Dioden) auf der Vorderseite der Platine zu ihren Nachbarn auf der Unterseite, so dass die Temperaturdifferenz an Diodenpaaren, auf die keine Laserleistung trifft, nahezu Null beträgt. Die Temperaturdifferenz zwischen einer Diode auf der Vorderseite und der zugehörigen Diode auf der Rückseite der Platine ist daher ein Maß für die auf der Vorderseite eingestrahlte Laserleistung. Durch diesen erfindungsgemäßen Aufbau des Detektors verringert sich die effektive thermische Zeitkonstante gegenüber einer nur einseitigen Diodenmatrix etwa um den Faktor 3 bis 5 und die zwischen benachbarten Dioden gemessene thermische Verkopplung etwa um den Faktor 5.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Trägerplatte mindestens eine thermisch leitende Schicht zur Wärmeabfuhr auf, wobei die thermisch leitende Schicht nicht mit den durch die Trägerpiatte hindurch verlaufenden Leiterbahnen in Verbindung steht. Üblicher Weise werden eine oder zwei thermisch leitende Schichten, die aus einem Metall, vorzugsweise aus Kupfer (hohe Wärmeleitfähigkeit λ von ca. 350 W/(m K)), bestehen, zur Wärmeabfuhr in der Mitte des Trägersubstrats, d.h. zwischen den beiden matrixförmigen Anordnungen, angebracht, um die Leistungsbeständigkeit der Vorrichtung zu erhöhen. An den Außenseiten des Trägersubstrats werden hierbei in Verbindung mit den thermisch leitenden Schichten Wärmesenken angeordnet. Es versteht sich, dass die Wärmeabfuhr entlang der Schichten auf beiden Seiten der Vorrichtung gleich wirken soll, weshalb die Schicht(en) typischer Weise symmetrisch zur Mittelebene der Trägerplatte verlaufen. Zusätzlich oder alternativ kann eine Wärmeabfuhr auch erreicht werden, indem beide Seiten der Trägerplatte auf gleiche Weise durch das Überleiten eines Gas-, insbesondere eines Luftstroms gekühlt werden.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind einander gegenüberliegende erste und zweite Messelemente anti-parallel geschaltet, derart, dass die Kathode einer ersten Diode mit der Anode einer zweiten Diode in elektrisch leitender Verbin- dung steht und umgekehrt. Bei einer solchen anti-parallelen Verschaltung der Dioden kann bei geeigneter Wahl der Polarität des zur Messung verwendeten Stromes die temperaturabhängige Spannung der ersten Diode eines Diodenpaares gemessen werden, da die zweite Diode in Sperrrichtung betrieben wird, so dass diese nicht zur Messung beiträgt. Durch Umkehren der Stromrichtung kann nachfolgend die Vermessung der temperaturabhängigen Spannung der zweiten Diode erfolgen, wobei die erste Diode in diesem Fall in Sperrrichtung betrieben wird.
In einer vorteilhaften Ausführungsform sind die Dioden als SMD-Dioden ausgebildet. Die Vorrichtung kann besonders kostengünstig hergestellt werden, wenn die flächige Temperaturmessung mit sehr kleinen und preiswerten SMD (surface mounted device)-Dioden erfolgt. Hierdurch kann mit geringem Kostenaufwand ein Detektor mit einem Messfeld von z.B. 50 mm x 50 mm hergestellt werden, um einen Laserstrahl mit 30 mm Durchmesser zu analysieren.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind die ersten und/oder die zweiten Messelemente in Zeilen und Spalten der matrixförmigen Anordnung und/oder der weiteren matrixförmägen Anordnung elektrisch leitend miteinander verbunden. Auf diese Weise können die einzelnen Messelemente jeder Zeile bzw. jeder Spalte für das Auslesen mittels einer geeigneten Auswertelogik adressiert werden. Wie oben ausgeführt genügt bei Verwendung von anti-parallel geschalteten Dioden eine einzige Verbindungsmatrix, um sowohl die Dioden auf der ersten als auch die Dioden auf der zweiten Seite auszulesen.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einer Laserbearbeitungsmaschine mit einer Erzeugungseinrichtung zur Erzeugung eines Laserstrahls sowie mit mindestens einer Vorrichtung wie oben beschrieben, die zur Analyse des Strahlprofils des Laserstrahls dient. Die Messung erfolgt hierbei üblicher Weise direkt im unfokussierten Laserstrahl, d.h. ohne eine zwischengeschaltete fokussierende Optik. Mittels der Vorrichtung kann hierbei die Intensitätsverteilung in einem zweidimensionalen Feld vermessen werden, wobei dieses Messfeld etwas größer als der zu vermessende Laserstrahl gewählt werden sollte, um z.B. Abweichungen der Strahllage ermitteln zu können. Die oben beschriebene Vorrichtung kann in der Laserbearbeitungsmaschine eingesetzt werden, um den Laserstrahl online zu vermessen und zu überwachen. So wird es möglich, das Pointing des Laserstrahls auszuregeln, wenn in der Laserbearbeitungsmaschine entsprechende Stellglieder verfügbar sind, welche die Strahllage gezielt verändern können.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsmaschine einen teildurchlässigen Umlenkspiegel zur Auskoppluπg eines Anteils des Laserstrahls auf die Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils. Bei den in Laserbearbeitungsmaschinen typischer Weise verwendeten hohen Laserleistungen ist es günstig, nur einen geringen Anteil von typischer Weise ca. 1 % der Laserleistung auszukoppeln und auf die Vorrichtung einzustrahlen, um diese vor Zerstörung durch zu große Wärmeentwicklung zu schützen und gleichzeitig nur einen geringen Leistungsverlust des Laserstrahls zu haben.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist realisiert in einem Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls, umfassend: Einstrahlen des Laserstrahls auf eine erste Seite einer Trägerplatte, an der eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen, insbesondere von Dioden, an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung angebracht sind, sowie Bestimmen der Intensität des Laserstrahls an einem jeweiligen Messpunkt durch Vergleichen einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines ersten Messelements mit einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines zweiten temperaturempfindlichen Messelements, insbesondere einer Diode, das an einer zweiten Seite der Trägerplatte dem ersten Messelement gegenüberliegend angebracht und mit dem ersten Messelement über durch die Trägerplatte hindurch verlaufende Leiterbahnen thermisch gekoppelt ist. Die Differenz der Messwerte bzw. der Messsignale der temperaturabhängigen Eigenschaft, insbesondere des temperaturabhängigen Spannungsabfalls, an zwei sich gegenüberliegenden Messelementen stellt hierbei ein Maß für die auf die erste Seite der Vorrichtung eingestrahlte Laserleistung dar.
In einer vorteilhaften Variante steht die Kathode einer jeweiligen ersten Diode mit der Anode einer gegenüberliegend angebrachten zweiten Diode in Verbindung und umgekehrt, und zwischen dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der ersten Diode und dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der zweiten Diode wird die Stromrichtung durch die beiden Dioden um- gekehrt. Auf diese Weise kann mittels einer einzigen Verbindungsmatrix der temperaturabhängige Spannungsabfall der Dioden sowohl an der Vorderseite als auch an der Rückseite der Trägerplatte gemessen werden.
In einer besonders bevorzugten Variante wird die auf die Trägerplatte eingebrachte Wärme durch mindestens eine thermisch leitende Schicht innerhalb der Trägerplatte und/oder durch eine Gasströmung beidseitig der Trägerplatte so abgeführt, dass die Kühlwirkung auf beiden Seiten der Trägerplatte symmetrisch ist. Unter einer symmetrischen Kühlwirkung wird hierbei verstanden, dass sich die Kühlung auf die Temperatur von gegenüberliegend angeordneten Messelementen in gleicher Weise auswirkt, so dass die Kühlung keine Auswirkung auf die Bestimmung der Intensität des Laserstrahls durch Vergleichen, insbesondere durch Differenzbildung der temperaturabhängigen Eigenschaft der gegenüberliegenden Messelemente hat.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung 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 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Analyse des Strahlprofils,
Fign. 2a-c eine Trägerplatte der Vorrichtung von Fig. 1 mit zwei matrixförmigen Dioden-Anordnungen in einer Ansicht von vorne, von hinten, sowie in einer Schnittdarstellung, und
Fig. 3 ein Schaltbild einer Messeinrichtung zur Bestimmung des temperaturabhängigen Widerstands der Dioden der Fign. 2a-c. Fig. 1 zeigt eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einem Laserresonator 2 zur Erzeugung eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird mittels einer (nicht gezeigten) Strahlfϋhrungsoptik auf einem Werkstück 4 fokussiert, um an diesem eine Laserbearbeitung, z.B. einen Laserschweiß- oder Laserschneidprozess durchzuführen. Der Laserstrahl 3 wird hierbei zwischen dem Laserresonator 2 und dem Werkstück 4 an einem Umlenkspiegel 5 um 90° umgelenkt. Der Umlenkspiegel 5 ist als Strahlteiler ausgebildet und reflektiert ca. 99 % der Intensität des einfallenden Laserstrahls 3. Die restliche Intensität (ca. 1 %) des Laserstrahls 3 wird vom Umlenkspiegel 5 transmittiert und trifft auf eine Vorrichtung 6 zur Analyse des Strahlprofils des Laserstrahls 3, welche im Detail in Fign. 2a-c dargestellt ist.
Die Vorrichtung 6 weist eine Platine aus einem Kunststoffmaterial als Trägerplatte 7 auf, an deren Vorderseite 7a, wie in Fig. 2a gezeigt ist, eine matrixförmige Anordnung 8 von temperaturempfindlichen Messelementen in Form von ersten Dioden 9 angebracht ist. Der Laserstrahl 3 trifft auf die Trägerplatte 7 im Bereich der matrixförmigen Anordnung 8 auf. Die Fläche, welche von der matrixförmigen Anordnung 8 auf der Trägerplatte 7 überdeckt wird, ist hierbei etwas größer als die üblicher Weise in der Laserbearbeituπgsmaschine 1 verwendete Querschnittsfiäche des Laserstrahls 3 gewählt, so dass auch Abweichungen von der in Fig. 2a gezeigten, idealen, d.h. mittigen Strahllage des Laserstrahls 3 ermittelt werden können. Die ersten Dioden 9 weisen einen temperaturabhängigen elektrischen Spannungsabfall auf, der sich in Abhängigkeit von der Intensität der auftreffenden Laserstrahlung verändert, so dass die ersten Dioden 9 eine zweidimensionale, matrixförmige Anordnung 8 von Messpunkten bilden, anhand derer das Strahlprofil, d.h. die Strahlintensität des Laserstrahls 3 über den Strahlquerschnitt bestimmt werden kann.
Zur Reduktion der thermischen Verkopplung zwischen benachbarten ersten Dioden 9 sowie zur Reduktion der thermischen Zeitkonstante der ersten Dioden 9 weist die Trägerplatte 7, wie in Fig. 2b gezeigt, an ihrer Rückseite 7b eine zweite matrixförmige Anordnung 10 von zweiten Dioden 11 auf. Die beiden matrixförmigen Anordnungen 8, 10 sind hierbei identisch ausgebildet und einander direkt gegenüberliegend auf der Vorderseite 7a bzw. der Rückseite 7b der Trägerplatte 7 positioniert, so dass jeweils eine der ersten Dioden 9 der ersten matrixförmigen Anordnung 8 jeweils einer der zweiten Dioden 11 der zweiten matrixförmigen Anordnung 10 unmittelbar gegenüberliegend angeordnet ist.
Wie in Fig. 2c anhand eines Schnitts durch die Trägerplatte 7 entlang einer Reihe von ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g gezeigt, ist jeweils eine der ersten Dioden 9a bis 9g mit einer gegenüberliegenden zweiten Diode 11a bis 11 g über erste und zweite Leiterbahnen 12a, 13a bis 12g, 13g elektrisch und thermisch leitend verbunden. Die ersten Dioden 9a bis 9g sind hierbei anti-parallel zu den zweiten Dioden 11 a bis 11 g verschaltet, d.h. die Kathode K einer jeweiligen ersten Diode 9a bis 9g ist mit der Anode A einer gegenüberliegenden zweiten Diode 11a bis 11g über eine jeweilige erste Leiterbahn 12a bis 12g verbunden und entsprechend sind die Anoden A der ersten Dioden 9a bis 9g mit den Kathoden K der zweiten Dioden 11 a bis 11 g über eine jeweilige zweite Leiterbahn 13a bis 13g verbunden.
Unter einer thermisch leitenden Verbindung wird verstanden, dass über die Leiterbahnen 12a, 13a bis 12g, 13g ein Temperaturausgleich zwischen gegenüberliegenden ersten und zweiten Dioden 9a bis 9g bzw. I Ia bis 11g stattfindet. Insbesondere soll für den Fall, dass keine Laserstrahlung auf eine jeweilige erste Diode 9a bis 9g auftrifft, die Temperaturdifferenz zu einer jeweils gegenüberliegenden zweiten Diode 11 a bis 11g nahezu Null betragen, während bei Auftreffen von Laserstrahlung auf die ersten Dioden eine definierte Temperaturdifferenz zu den zweiten Dioden entsteht.
Wie in Fig. 2c dargestellt, trifft bei der Messung ein zur Vereinfachung räumlich lokalisiert dargestellter Laserstrahl 3 als Wärmequelle auf eine erste Diode 9d der Vorrichtung 6 und erwärmt diese, wobei ein Teil der Wärme über die Trägerplatte 7 auf benachbarte erste Dioden 9c bzw. 9e übertragen wird. Ein anderer Teil der Wärme überträgt sich auf die zweite Diode 11 d. Die Verkopplung der ersten Diode 9d auf ihre Nachbarn 9c bzw. 9e ist gleich groß wie die Verkopplung der zweiten Diode 11d auf ihre Nachbarn 1 1c bzw. 1 1 e. Wird für jeden Messpunkt die Differenz aus den Temperaturmesswerten der Ober- und der Unterseite gebildet, so reduziert sich im Ergebnis die thermische Verkopplung zwischen den einzelnen Messpunkten deutlich. Wie in Fig. 2c ebenfalls zu erkennen ist, handelt es sich bei den ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g, 11 a bis 11g um SMD-Dioden, die keine Drahtanschlüsse aufweisen und mit ihren Anschluss-Pins 14a, 14b direkt mit Lötaugen 15a, 15b (engl, „solder pads") auf der Trägerplatte 7 verbunden werden, die als gedruckte Platine (PCB „printed circuit board") ausgebildet ist. Die kleinen Abmessungen der SMD- Dioden erlauben es, ein Messfeld in einer matrixförmige Anordnung von z.B. 50 mm auf 50 mm mit geringem Kostenaufwand herzustellen. Mit einem so dimensionierten Messfeld kann ein Laserstrahl 3 mit einem Durchmesser von beispielsweise 30 mm analysiert werden.
In die Trägerplatte 7 ist eine Schicht 16 aus Kupfer eingebracht, das einen hohen Wärmeleitungskoeffizienten aufweist, um eine effektive Abfuhr der in der Trägerplatte 7 durch den Laserstrahl 3 erzeugten Wärme hin zu (nicht gezeigten) Wärmesenken, die an den Rändern der Trägerplatte vorgesehen sind, zu gewährleisten, wodurch die Leistungsbeständigkeit der Vorrichtung 6 erhöht wird. Anders als in Fig. 2c gezeigt verläuft die Schicht 16 typischer Weise mittig in der Trägerplatte 7, damit die Wärmeabfuhr auf beiden Seiten der Vorrichtung auf die gleiche Weise erfoigt und das Messergebnis nicht verfälscht. Wesentlich ist hierbei, dass die Schicht 16 nicht mit den Leiterbahnen 9a bis 9g bzw. 11 a bis 11 g in Verbindung steht, da sonst aufgrund der elektrischen Verbindung sowohl die Messung des Spannungsabfalls der einzelnen Dioden 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g nicht möglich wäre und darüber hinaus die thermische Kopplung benachbarter Dioden erhöht würde. Es versteht sich, dass zusätzlich oder alternativ zu der wärmeleitenden Schicht 16 auch eine Gaskühlung vorgesehen sein kann, bei der beide Seiten 7a, 7b der Trägerplatte 7 auf dieselbe Weise durch Überleiten eines Gas- oder Luftstroms gekühlt werden. Es versteht sich weiterhin, dass auch andere Arten der Kühlung möglich sind, wobei allen Arten von Kühlung gemeinsam ist, dass sie bezüglich der Trägerplatte 7 bzw. einer Mittelebene der Trägerplatte 7 eine symmetrische Kühlwirkung aufweisen sollten.
Mit der in Fign. 2a-c gezeigten Vorrichtung 6 kann die effektive thermische Zeitkonstante gegenüber einer Trägerplatte mit einer einzigen matrixförmigen Anordnung von Dioden, die lediglich an deren Vorderseite 7a angebracht ist, um einen Faktor 3 bis 5 und die zwischen benachbarten ersten Dioden 9 bzw. zweiten Dioden 11 gemessene thermische Verkopplung um einen Faktor 5 reduziert werden.
Zum Ermitteln der von der Intensität der Laserstrahlung abhängigen Temperatur der ersten bzw. zweiten Dioden 9, 1 1 weist die Vorrichtung 6 eine in Fig. 3 gezeigte Messeinrichtung 17 auf. Die Messeinrichtung 17 umfasst eine Mehrzahl von Schaltelementen, im Bild beispielhaft SW1 bis SW 13, in Form von Digitalbausteinen, die jeweils über acht Ausgänge sowie einen Eingang verfügen, der in Abhängigkeit von jeweils drei Steuerbits (Control Bits) mit einem einzigen der acht Ausgänge verbunden wird. Die Schaltelemente SW1 bis SW13 dienen dazu, einzelne der matrixförmig verschalteten Dioden 9 bzw. 11 auszuwerten. Im Bild sind beispielhaft je sechzehn Zeilen Z1 bis Z16 und Spalten S1 bis S16 mit Dioden 9 bzw. 11 gezeigt. An den Eingängen der ersten in einer Zeile angeordneten Schaltelemente SW 1 bis SW7 liegt hierbei jeweils ein konstanter Strom lconst an, der in Abhängigkeit von drei ersten Steuerbits 1 bis 3 mit einem der Ausgänge verbunden wird. An jedem Ausgang der Schaltelemente SW1 bis SW7 liegt je eine Spalten-Leitung mit Dioden 9 bzw. 11 , von denen beispielhaft Spalten S1 bis S16 in Fig. 3 gezeigt sind. Mittels eines weiteren Schaltelements SWI 3 kann über drei weitere Kontrollbits 7 bis 9 ein an dessen Eingang vorhandenes Massepotential an einen jeweiligen Eingang von in einer Spalte angeordneten, weiteren Schaltelementen, von denen in Fig. 3 beispielhaft fünf (SW8 bis SW12) gezeigt sind, angelegt werden. Mit Hilfe von drei weiteren Kontrollbits 4 bis 6 kann jeweils einer der acht Ausgänge der fünf weiteren Schaltelemente SW8 bis SW12 mit Massepotential beaufschlagt werden. Jeweils einer der Ausgänge der weiteren Schaltelemente SW8 bis SW12 ist jeweils mit einer Zeile (beispielhaft Z1 bis Z16) der anti-parallel verschalteten Paare von ersten und zweiten Dioden 9, 11 elektrisch leitend verbunden. Es versteht sich, dass die jeweiligen elektrisch leitenden Verbindungen zwischen nebeneinander angeordneten ersten Dioden 9 bzw. zweiten Dioden 11 eine thermische Auslegung aufweisen, welche auf Vorder- und Rückseite jeweils gleiche Verhältnisse für die Verkopplung zwischen benachbarten Dioden herstellt, so dass sich über die Differenzbildung der Temperaturmesswerte der Vorder- und der Rückseite in jedem Messpunkt die thermische Verkopplung der Messwerte deutlich reduziert. Die ersten Schaltelemente SW 1 bis SW7 sind mit ihren Ausgängen ebenfalls mit jeweils einem Anschluss der Diodenpaare 9, 1 1 verbunden, derart, dass über die Kontrollbits 1 bis 9 ein jeweiliges zu vermessendes Diodenpaar über seine jeweilige Zeile bzw. Spalte ausgewählt werden kann, z.B. das erste Diodenpaar 9, 1 1 in der ersten Zeile Z1 und der ersten Spalte S1. Der hierbei angelegte Gleichstrom lcoπst. fließt nur durch eine, z.B. durch die erste Diode 9, da wegen der anti-parallelen Verschattung der Stromfluss durch die zweite Diode 11 gesperrt ist, so dass nur eine Spannung über der ersten Diode 9 abfällt. Wird die Stromrichtung des Stroms lconst umgekehrt, so fließt der Strom l∞nst. entsprechend nur durch die zweite Diode 11 , so dass die über dieser Diode abfallende Spannung gemessen werden kann. Die Temperatur der Dioden wird aus dem Spannungsabfall berechnet. Aus der Differenz zwischen der an der ersten Diode 9 und der zweiten Diode 11 gemessenen Temperatur ergibt sich ein Maß für die Intensität des auf die erste Diode 9 auftreffenden Laserstrahls 3. Durch die antiparallele elektrische Verbindung der Dioden 9, 11 ist hierzu eine einzige elektrische Verbindungsmatrix ausreichend, um sowohl die Dioden 9 an der Vorderseite 7a als auch die Dioden 11 an der Rückseite 7b der Trägerplatte 7 auszulesen.
Die oben beschriebene Vorrichtung 6 kann z.B. in der in Zusammenhang mit Fig. 1 gezeigten Laserbearbeitungsmaschine 1 eingesetzt werden, um den Laserstrahl 3 online, d.h. während der Bearbeitung des Werkstücks 4 zu vermessen und zu überwachen. Insbesondere kann dabei die Position des Laserstrahls 3 erfasst werden und das Pointing bzw. die Strahllage des Laserstrahls 3 durch (nicht gezeigte) Stellglieder (verkippbare Spiegel etc.) in der Laserbearbeitungsmaschine 1 gezielt verändert bzw. geregelt werden. Es versteht sich, dass auf diese Weise auch die Strahlintensität des Laserstrahls 3 bestimmt und ggf. online geregelt werden kann.
Es ist offensichtlich, dass auch Abwandlungen von der oben beschriebenen Vorrichtung 6 möglich sind, die ebenfalls eine Messung mit geringer Temperaturkonstante erlauben. So können an Stelle der Dioden 9, 11 auch andere Typen von temperaturempfindlichen Messelementen, z.B. Thermoelemente, an der Trägerplatte 7 vorgesehen werden. Auch ist nicht zwingend eine äquidistante Anordnung der Messpunkte bzw. der Dioden 9, 1 1 erforderlich, um das Strahlprofil des Laserstrahls zu analysieren. Wesentlich ist jedoch in jedem Fall, dass über die durch die Träger- platte hindurch verlaufenden Leiterbahnen eine definierte thermische Verbindung zwischen gegenüberliegenden Messelementen gewährleistet ist.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (6) zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3), umfassend: eine Trägerplatte (7), eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen (9, 9a bis 9g), insbesondere von Dioden, die an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung (8) an einer ersten Seite (7a) der Trägerplatte (7) angebracht sind, und eine Mehrzahl von zweiten temperaturempfindlichen Messelementen (1 1 , 1 1a bis 11 g), insbesondere von Dioden, die in einer weiteren bevorzugt matrixförmigen Anordnung (10) an einer zweiten Seite (7b) der Trägerplatte (7) angebracht sind, wobei jeweils eines der ersten Messelemente (9a bis 9g) einem der zweiten Mesεelemente (I I a bis 11g) gegenüberliegend angeordnet und mit diesem über durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufende Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) thermisch gekoppelt ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der die Trägerplatte (7) mindestens eine thermisch leitende Schicht (16) zur Wärmeabfuhr aufweist, wobei die thermisch leitende Schicht (16) nicht mit den durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufenden Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) in Verbindung steht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der einander gegenüberliegende erste und zweite Dioden anti-parallel geschaltet sind, derart, dass die Kathode (K) einer ersten Diode mit der Anode (A) einer zweiten Diode in elektrisch leitender Verbindung steht und umgekehrt.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Dioden als SMD-Dioden ausgebildet sind.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die ersten und/oder die zweiten Messelemente (9, 11 ) in Zeilen (Z1 bis Z16) und Spalten (S1 bis S16) der matrixförmigen Anordnung (8) und/oder der weiteren matrixförmigen Anordnung (10) elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
6. Laserbearbeitungsmaschine (1) mit einer Erzeugungseinrichtung (2) zur Erzeugung eines Laserstrahls (3) sowie mit mindestens einer Vorrichtung (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur Analyse des Strahlprofils des erzeugten Laserstrahls (3).
7. Laserbearbeitungsmaschine nach Anspruch 6, weiter umfassend: einen teildurchlässigen Umlenkspiegel (5) zur Auskopplung eines Teils des Laserstrahls (3) auf die Vorrichtung (6) zur Analyse des Strahlprofils.
8. Verfahren zur Analyse des Strahlprofils eines Laserstrahls (3), umfassend: Einstrahlen des Laserstrahls (3) auf eine erste Seite (7a) einer Trägerplatte (7), an der eine Mehrzahl von ersten temperaturempfindlichen Messelementen (9, 9a bis 9g), insbesondere von Dioden, an einer Mehrzahl von Messpunkten in einer bevorzugt matrixförmigen Anordnung (8) angebracht sind, sowie
Bestimmen der Intensität des Laserstrahls (3) an einem jeweiligen Messpunkt durch Vergleichen einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines ersten Messelements (9, 9a bis 9g) mit einer temperaturabhängigen Eigenschaft eines zweiten temperaturempfindlichen Messelements (11 , 1 1a bis 11g), insbesondere einer Diode, das an einer zweiten Seite (7b) der Trägerplatte (7) dem ersten Messelement (9, 9a bis 9g) gegenüberliegend angebracht und mit dem ersten Messelement (9, 9a bis 9g) über durch die Trägerplatte (7) hindurch verlaufende Leiterbahnen (12a bis 12g, 13a bis 13g) thermisch gekoppelt ist.
9. Verfahren nach Anspruch 8, bei dem die Kathode (K) einer jeweiligen ersten Diode mit der Anode (A) einer gegenüberliegend angebrachten zweiten Diode in Verbindung steht und umgekehrt, und bei dem zwischen dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der ersten Diode und dem Messen des temperaturabhängigen Spannungsabfalls der zweiten Diode die Stromrichtung durch die beiden Dioden umgekehrt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, bei dem die auf die Trägerplatte (7) eingebrachte Wärme durch mindestens eine thermisch leitende Schicht (16) innerhalb der Trägerplatte (7) und/oder durch eine Gasströmung beidseitig der Trägerplatte (7) so abgeführt wird, dass die Kühlwirkung auf beiden Seiten der Trägerplatte (7) symmetrisch ist.
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