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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.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
US 7 045 752 B2 ist
es bekannt, zur Analyse eines (rückgestreuten)
Laserstrahls ein Paar von Photodioden zu verwenden, die auf demselben Substrat
angeordnet sind. Die erste Photodiode des Paars wird vom Laserstrahl
getroffen, die zweite wird nicht vom Laserstrahl getroffen und als
Referenzdiode verwendet, um in Echtzeit Hochfrequenz-Parameter zu
charakterisieren, die zur Einstellung der Extinktionsrate und der
optischen Modulationsamplitude des Laserstrahls dienen.
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Die
EP 0 457 024 A2 beschreibt
eine Messung der Strahlungsleistung eines Lasers, bei der im Laserhauptstrahl
zwei bezüglich
ihrer Orientierung im Raum um 90° zueinander
gedrehte teildurchlässige
Spiegel angeordnet sind, über
die ein Teil der Strahlung ausgekoppelt und der Teilstrahl auf einen optoelektrischen
Meßwandler
gerichtet wird. Die Meßvorrichtung
ist damit unabhängig
vom Polarisationszustand des Laserhauptstrahls.
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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.
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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 Referenzelement 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.
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Aufgabe der Erfindung
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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.
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Gegenstand der Erfindung
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 Trägerplatte 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.
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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.
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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 × 50 mm hergestellt werden,
um einen Laserstrahl mit 30 mm Durchmesser zu analysieren.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
sind die ersten und/oder die zweiten Messelemente in Zeilen und
Spalten der matrixförmigen
Anordnung und/oder der weiteren matrixförmigen 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.
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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.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform umfasst die Laserbearbeitungsmaschine einen
teildurchlässigen
Umlenkspiegel zur Auskopplung 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laserbearbeitungsmaschine
mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung
zur Analyse des Strahlprofils,
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2a–c eine
Trägerplatte
der Vorrichtung von 1 mit zwei matrixförmigen Dioden-Anordnungen
in einer Ansicht von vorne, von hinten, sowie in einer Schnittdarstellung,
und
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3 ein
Schaltbild einer Messeinrichtung zur Bestimmung des temperaturabhängigen Widerstands
der Dioden der 2a–c.
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1 zeigt
eine Laserbearbeitungsmaschine 1 mit einem Laserresonator 2 zur
Erzeugung eines Laserstrahls 3. Der Laserstrahl 3 wird
mittels einer (nicht gezeigten) Strahlführungsoptik 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 2a–c
dargestellt ist.
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Die
Vorrichtung 6 weist eine Platine aus einem Kunststoffmaterial
als Trägerplatte 7 auf,
an deren Vorderseite 7a, wie in 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 Laserbearbeitungsmaschine 1 verwendete Querschnittsfläche des
Laserstrahls 3 gewählt,
so dass auch Abweichungen von der in 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.
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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 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.
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Wie
in 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 11g 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 11a bis 11g 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 11a bis 11g über eine jeweilige
zweite Leiterbahn 13a bis 13g verbunden.
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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. 11a 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 11a bis 11g nahezu
Null betragen, während
bei Auftreffen von Laserstrahlung auf die ersten Dioden eine definierte
Temperaturdifferenz zu den zweiten Dioden entsteht.
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Wie
in 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 11d. 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 11c bzw. 11e.
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.
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Wie
in 2c ebenfalls zu erkennen ist, handelt es sich
bei den ersten bzw. zweiten Dioden 9a bis 9g, 11a 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.
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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 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 erfolgt
und das Messergebnis nicht verfälscht.
Wesentlich ist hierbei, dass die Schicht 16 nicht mit den
Leiterbahnen 9a bis 9g bzw. 11a bis 11g 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.
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Mit
der in 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.
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Zum
Ermitteln der von der Intensität
der Laserstrahlung abhängigen
Temperatur der ersten bzw. zweiten Dioden 9, 11 weist
die Vorrichtung 6 eine in 3 gezeigte
Messeinrichtung 17 auf. Die Messeinrichtung 17 umfasst
eine Mehrzahl von Schaltelementen, im Bild beispielhaft SW1 bis
SW13, 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 SW1 bis SW7
liegt hierbei jeweils ein konstanter Strom Iconst 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 3 gezeigt sind.
Mittels eines weiteren Schaltelements SW13 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 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.
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Die
ersten Schaltelemente SW1 bis SW7 sind mit ihren Ausgängen ebenfalls
mit jeweils einem Anschluss der Diodenpaare 9, 11 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, 11 in der ersten Zeile Z1
und der ersten Spalte S1. Der hierbei angelegte Gleichstrom Iconst. fließt nur durch eine, z. B. durch
die erste Diode 9, da wegen der anti-parallelen Verschaltung
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 Iconst umgekehrt,
so fließt
der Strom Iconst. 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.
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Die
oben beschriebene Vorrichtung 6 kann z. B. in der in Zusammenhang
mit 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.
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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, 11 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.