WO2022136367A1

WO2022136367A1 - Method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation

Info

Publication number: WO2022136367A1
Application number: PCT/EP2021/086983
Authority: WO
Inventors: Oskar Hofmann; Georg KÖNIG
Original assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Rheinisch Westlische Technische Hochschuke RWTH; Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2020-12-21
Filing date: 2021-12-21
Publication date: 2022-06-30
Anticipated expiration: 2023-06-21
Also published as: DE102020134416B4; DE102020134416A1

Abstract

In a method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation in a target surface, a laser beam (2) emanating from a laser beam source (1) is first subjected to beam forming in a beam forming device (3) and then amplified in an amplifier assembly (4) and directed onto the target surface. The beam forming device (3) has one or more high-resolution beam forming elements which allow beam forming with more than 500 degrees of freedom. In the proposed method the beam forming device (3) is controlled either on the basis of a simulation previously carried out by means of inverse propagation or on the basis of a comparison of the measured or determined power density distribution in the target surface with the required power density distribution, such that the power density distribution in the target surface is as close as possible to the required power density distribution.

Description

Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laser Strahlung Method for adjusting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation

Technisches Anwendungsgebiet Technical field of application

Die vorliegende Erfindung betri f ft ein Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Ziel fläche , bei dem ein von einer Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl in einer Strahl formungseinrichtung zunächst einer Strahl formung unterworfen wird und anschließend in einer Verstärkeranordnung verstärkt und auf die Ziel fläche gerichtet wird . The present invention relates to a method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation in a target area, in which a laser beam emanating from a laser beam source is first subjected to beam shaping in a beam shaping device and then amplified and expanded in an amplifier arrangement the target surface is directed .

Die Leistungsdichteverteilung eines Laserstrahls kann als wesentlicher Prozessparameter das Bearbeitungsergebnis laserbasierter Bearbeitungsverfahren, wie beispielsweise Laserstrahlschmel zen oder Laserstrahlschweißen, signi fikant beeinflussen . Insbesondere ermöglichen prozessangepasste Leistungsdichteverteilungen eine signi fikante Erhöhung der Durchsatzrate und Verbesserungen der Bearbeitungsergebnisse . Darüber hinaus erfordern bei der Laserbearbeitung Änderungen der Vorschubrichtung, der Vorschubgeschwindigkeit , der lokalen Geometrie eines bearbeiteten Werkstücks oder des Einfallswinkels der Laserstrahlung auf dem Werkstück oft eine dynamische Anpassung der Leistungsdichteverteilung während der Bearbeitung, um konstante Bearbeitungsergebnisse zu erzielen . Stand der Technik As an essential process parameter, the power density distribution of a laser beam can significantly influence the processing result of laser-based processing methods, such as laser beam melting or laser beam welding. In particular, process-adapted power density distributions enable a significant increase in throughput and improvements in processing results. In addition, in laser processing, changes in the feed direction, the feed rate, the local geometry of a processed workpiece or the angle of incidence of the laser radiation on the workpiece often require dynamic adjustment of the power density distribution during processing in order to achieve constant processing results. State of the art

Für eine Einstellung oder Änderung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung werden Strahlformungselemente eingesetzt , über die beispielsweise die Form des Strahlquerschnitts gezielt eingestellt oder angepasst werden kann . Bei der Integration von dynamischen Strahl formungselementen in Lasersystemen lässt sich im Allgemeinen zwischen der Strahl formung im Laserresonator und der externen Strahl formung unterscheiden . To set or change the power density distribution of laser radiation, beam-shaping elements are used, via which, for example, the shape of the beam cross section can be set or adapted in a targeted manner. When integrating dynamic beam shaping elements into laser systems, a general distinction can be made between beam shaping in the laser resonator and external beam shaping.

Die Strahl formung im Laserresonator basiert auf der Idee , die optischen Elemente im Resonator so anzupassen, dass sich die gewünschte Leistungsdichteverteilung als Eigenmode des Resonators einstellt . Dies kann durch den Einsatz von entsprechenden Strahlformungselementen auch dynamisch erfolgen, wie dies beispielsweise in der CN 107171170 A ausgeführt ist . Dabei ist die Laserleistung j edoch durch die Zerstörschwelle der für die Strahl formung verwendeten optischen Elemente begrenzt . Die im Resonator zirkulierende Leistung ist zudem oft deutlich höher als die eigentliche Ausgangsleistung des Lasers . Beam shaping in the laser resonator is based on the idea of adapting the optical elements in the resonator in such a way that the desired power density distribution is set as the resonator's natural mode. This can also be done dynamically by using appropriate beam-shaping elements, as is explained in CN 107171170 A, for example. However, the laser power is limited by the damage threshold of the optical elements used for beam formation. In addition, the power circulating in the resonator is often significantly higher than the actual output power of the laser.

Bei der externen Strahl formung wird die gewünschte Leistungsdichteverteilung außerhalb des Resonators eingestellt . Statische oder dynamische Strahl formungselemente werden hier hinter dem Laserresonator und gegebenenfalls dem sich anschließenden Verstärker zur Phasen- oder Amplituden-Modulation des Laserstrahls genutzt , um die gewünschte Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche zu erhalten . Da auch hier wieder die gesamte in der Ziel fläche erforderliche Laserleistung auf das strahl formende Element tri f ft , ist über die Zerstörschwelle dieser Elemente die Ausgangsleistung der Laseranordnung begrenzt . With external beam shaping, the desired power density distribution is set outside of the resonator. Static or dynamic beam shaping elements are used behind the laser resonator and, if necessary, the subsequent amplifier for phase or amplitude modulation of the laser beam in order to obtain the desired power density distribution in the target area. Here again the entire laser power required in the target area hits the beam-shaping element, the output power of the laser arrangement is limited by the damage threshold of these elements.

Bekannte Strahl formungselemente wie z . B . verformbare Spiegel erlauben dynamische Anpassungen der Strahl form bei mehreren Kilowatt Laserleistung . Verformbare Spiegel besitzen j edoch nur bis zu etwa 100 Freiheitsgrade , so dass die Möglichkeiten der Einstellung bzw . Anpassung der Leistungsdichteverteilung stark begrenzt sind . Die Einstellung von komplexen Leistungsdichteverteilungen erfordert demgegenüber mehrere Tausend oder sogar Millionen unabhängiger Freiheitsgrade , z . B . voneinander unabhängige Pixel oder Aktoren, wie sie derzeit nur hochauflösende optische Strahl formungselemente basierend z . B . auf Arrays von Flüssigkristallen oder Mikrospiegeln aufweisen . Diese hochauflösenden Strahl formungselemente sind j edoch bisher auf mittlere Leistungen von etwa 200 Watt oder weniger begrenzt . Sie lassen sich daher für viele moderne laserbasierte Fertigungsverfahren nicht einsetzen, die insbesondere zur Erzielung einer hohen Produktivität Laserleistungen im Bereich mehrerer 100 Watt bis in den Kilowattbereich erfordern . Known beam shaping elements such. B. Deformable mirrors allow dynamic adjustments to the beam shape at several kilowatts of laser power. However, deformable mirrors only have up to about 100 degrees of freedom, so that the possibilities of adjustment or Adjustment of the power density distribution are severely limited. In contrast, setting complex power density distributions requires several thousand or even millions of independent degrees of freedom, e.g. B. independent pixels or actuators, as currently only high-resolution optical beam-shaping elements based z. B. on arrays of liquid crystals or micromirrors. However, these high-resolution beam-shaping elements have hitherto been limited to average outputs of around 200 watts or less. They can therefore not be used for many modern laser-based manufacturing processes, which require laser powers in the range of several 100 watts up to the kilowatt range, in particular to achieve high productivity.

Es sind auch Laseranordnungen bekannt , bei denen eine Strahl formungseinrichtung zwischen der Laserstrahlquelle und dem Laserverstärker angeordnet ist . Der Laserstrahl wird dabei mittels eines hochauflösenden Strahl formungselementes bei geringer Leistung geformt und erst anschließend mittels einer optischen Verstärkeranordnung auf die Zielleistung verstärkt. Eine derartige Anordnung ist beispielsweise in S.-W. Bahk et al., „Precompensation of gain nonuniformity in a Nd: glass amplifier using a programmable beam-shaping system", Optics Communications 2014, 333, Seiten 45 bis 52 beschrieben. Das Ziel dieser Anordnung besteht in einer Optimierung der Verstärkung des Laserstrahls, nicht jedoch in einer gezielten Einstellung oder Anpassung der Leistungsdichteverteilung in der Zielfläche. Auch in T. Zhao et al., „Beam shaping and compensation for high-gain ND: glass amplification", Journal of Modern Optics 2013, 60 (2) , Seiten 109 bis 115 ist eine Laseranordnung beschrieben, bei der eine Strahlformungseinrichtung zwischen der Laserstrahlquelle und der optischen Verstärkeranordnung eingesetzt wird. Ziel dieser Anordnung ist die Erzeugung einer möglichst homogenen Leistungsdichteverteilung über eine einfache geometrische Strahlform, die nahezu unverändert durch die gesamte Laseranordnung propagiert. Eine gezielte Einstellung oder dynamische Anpassung komplexer Leistungsdichteverteilungen, d.h. inhomogener oder auch nicht-symmetrischer Verteilungen, in der Zielfläche, die sich bei der Propagation durch die Verstärkeranordnung und die weiteren optischen Elemente stark verändern, ist mit diesen Anordnungen des Standes der Technik nicht möglich. Laser arrangements are also known in which a beam shaping device is arranged between the laser beam source and the laser amplifier. The laser beam is shaped using a high-resolution beam-shaping element at low power and only then to the target power using an optical amplifier arrangement strengthened. Such an arrangement is for example in S.-W. Bahk et al., "Precompensation of gain nonuniformity in a Nd: glass amplifier using a programmable beam-shaping system", Optics Communications 2014, 333, pages 45 to 52. The aim of this arrangement is to optimize the amplification of the laser beam, but not in a targeted setting or adjustment of the power density distribution in the target area. Also in T. Zhao et al., "Beam shaping and compensation for high-gain ND: glass amplification", Journal of Modern Optics 2013, 60 (2) , pages 109 to 115 a laser arrangement is described in which a beam shaping device is used between the laser beam source and the optical amplifier arrangement. The aim of this arrangement is to generate a power density distribution that is as homogeneous as possible using a simple geometric beam shape that propagates almost unchanged through the entire laser arrangement. Targeted setting or dynamic adjustment of complex power density distributions, ie inhomogeneous or non-symmetrical distributions, in the target area, which change greatly during propagation through the amplifier arrangement and the other optical elements, is not possible with these prior art arrangements.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Zielfläche anzugeben, mit der auch eine Einstellung oder Anpassung von komplexer Leistungsdichteverteilungen für die Lasermaterialbearbeitung bei Laserleistungen von mehr als 200 Watt ermöglicht wird . The object of the present invention is to specify a method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation in a target area, with which a setting or adaptation of more complex Power density distributions for laser material processing at laser powers of more than 200 watts is made possible.

Darstellung der Erfindung Presentation of the invention

Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst . Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie den Aus führungsbeispielen entnehmen . The task is solved with the method according to patent claim 1 . Advantageous configurations of the method are the subject matter of the dependent patent claims or can be found in the following description and the exemplary embodiments.

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren zur Einstellung und/oder dynamischen Anpassung der Leistungsdichteverteilung von Laserstrahlung in einer Ziel fläche wird ein von der Laserstrahlquelle ausgehender Laserstrahl zunächst in einer Strahl formungseinrichtung einer Strahl formung unterworfen . Der Laserstrahl weist dabei in der Ebene der Strahl formungseinrichtung eine erste Leistungsdichteverteilung auf . Anschließend wird der auf diese Weise geformte Laserstrahl in einer Verstärkeranordnung auf eine gewünschte Laserleistung verstärkt und in die Ziel fläche gerichtet . Dabei können zusätzlich ein oder mehrere optische Elemente im Strahlengang des Laserstrahls angeordnet sein, beispielsweise zur Fokussierung in die Ziel fläche . Die Strahl formungseinrichtung weist dabei eines oder mehrere hochauflösende Strahl formungselemente auf , die eine Strahl formung mit mehr als 500 unabhängigen Freiheitsgraden ermöglichen . Beispiele für derartige hochauflösende Strahl formungselemente sind steuerbare Mikrospiegel-Arrays oder Arrays aus steuerbaren Flüssigkristallelementen . Zwischen der Laserstrahlquelle und der Strahl formungseinrichtung können auch zusätzliche optische Elemente , beispielsweise zur Strahlkollimierung, vorhanden sein . Durch die Verstärkung und Propagation durch die Verstärkeranordnung und ggf . die weiteren optischen Elemente bis zur Ziel fläche verändert sich die erste Leistungsdichteverteilung, so dass in der Ziel fläche eine zweite Leistungsdichteverteilung erhalten wird, die sich von der ersten Leistungsdichteverteilung und auch von einer Leistungsdichteverteilung unterscheidet , die der Laserstrahl ohne die Verstärkeranordnung und ggf . die weiteren optischen Elemente in der Ziel fläche hätte . Unterschiede bestehen dabei insbesondere in einer veränderten Strahl form ( andere äußere Form des Stahlquerschnitts ) und/oder in einer veränderten relativen Verteilung der Leistungsdichte über den Strahlquerschnitt . In the proposed method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation in a target area, a laser beam emanating from the laser beam source is first subjected to beam shaping in a beam shaping device. The laser beam has a first power density distribution in the plane of the beam shaping device. The laser beam formed in this way is then amplified to a desired laser power in an amplifier arrangement and directed into the target area. In addition, one or more optical elements can be arranged in the beam path of the laser beam, for example for focusing in the target area. The beam shaping device has one or more high-resolution beam shaping elements that enable beam shaping with more than 500 independent degrees of freedom. Examples of such high-resolution beam shaping elements are controllable micromirror arrays or arrays of controllable liquid crystal elements . Additional optical elements, for example for beam collimation, can also be present between the laser beam source and the beam shaping device. By amplifying and propagating through the amplifier arrangement and possibly. the other optical elements up to the target area, the first power density distribution changes, so that a second power density distribution is obtained in the target area, which differs from the first power density distribution and also from a power density distribution that the laser beam has without the amplifier arrangement and possibly the other optical elements in the target area would have. Differences consist in particular in a changed jet shape (different external shape of the steel cross-section) and/or in a changed relative distribution of the power density over the jet cross-section.

Diese zweite Leistungsdichteverteilung, die der Laserstrahl in der Ziel fläche aufweist , wird in einer ersten Alternative des vorgeschlagenen Verfahrens gemessen oder bestimmt und mit einer j eweils vorgegebenen bzw . gewünschten Leistungsdichteverteilung verglichen, im Folgenden auch als Ziel-Leistungsdichte- verteilung bezeichnet . Die Messung der ( zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche kann dabei über geeignete bekannte Techniken erfolgen, beispielsweise über eine Kamera oder auch durch Auskoppeln eines kleinen Strahlanteils vor der Ziel fläche , der dann in gleichem Abstand von der Auskoppelstelle wie die Ziel fläche mit einem entsprechend auflösenden optischen Detektor, insbesondere aus einem Array aus Detektorelementen, erfasst wird . Eine Bestimmung der ( zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche kann dadurch erfolgen, dass die Leistungsdichteverteilung in einer oder mehreren anderen Flächen oder Ebenen, also nicht der Ziel fläche oder einer dazu analogen Fläche , vermessen wird und aus dieser Messung dann Rückschlüsse auf die Verteilung in der Ziel fläche gezogen werden . Die Strahl formungseinrichtung wird dann in dieser ersten Alternative in Abhängigkeit vom Unterschied zwischen der gemessenen Leistungsdichteverteilung und der Ziel-Leistungsdichteverteilung über eine Rückkopplungsschlei fe derart angesteuert , dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel- Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt . Die Ansteuerung der Strahlungs formungseinrichtung erfolgt dabei auf Basis von Daten, die durch maschinelles Lernen erhalten werden oder wurden . This second power density distribution, which the laser beam has in the target area, is measured or determined in a first alternative of the proposed method and is given a respective predetermined or compared desired power density distribution, hereinafter referred to as target power density distribution. The (second) power density distribution in the target area can be measured using suitable known techniques, for example using a camera or by decoupling a small part of the beam in front of the target area, which is then at the same distance from the decoupling point as the target area with a corresponding resolving optical Detector, in particular from an array of detector elements, is detected. The (second) power density distribution in the target area can be determined by measuring the power density distribution in one or more other areas or planes, i.e. not the target area or an area analogous to it, and then drawing conclusions about the distribution in of the target area. In this first alternative, the beam shaping device is then controlled via a feedback loop depending on the difference between the measured power density distribution and the target power density distribution in such a way that the second power density distribution comes as close as possible to the target power density distribution. The radiation shaping device is controlled on the basis of data that is or was obtained by machine learning.

In einer zweiten Alternative des vorgeschlagenen Verfahrens wird die Strahl formungseinrichtung auf der Basis von vorab theoretisch ermittelten Daten derart angesteuert , dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel- Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt . Die entsprechenden Daten werden bzw . wurden hierbei durch eine Simulation der Strahlpropagation und Verstärkung unter Einsatz inverser Propagation für diese Laseranordnung ermittelt . In a second alternative of the proposed method, the beam-shaping device is controlled on the basis of previously theoretically determined data in such a way that the second power density distribution comes as close as possible to the target power density distribution. The corresponding data will were determined here by simulating the beam propagation and amplification using inverse propagation for this laser arrangement.

Bei beiden Alternativen fließen die Eigenschaften der Verstärkeranordnung und ggf . optischen Elemente sowie die Verstärkungsbedingungen, insbesondere Verstärkungs faktor und Temperaturverhalten, in die Daten für die Ansteuerung des Strahl formungseinrichtung ein . In both alternatives, the properties of the amplifier arrangement and possibly flow. optical elements and the amplification conditions, in particular amplification factor and temperature behavior in which Data for controlling the beam shaping device.

Durch die Strahl formung vor der Verstärkung ist die Laserleistung in der Strahl formungseinrichtung bzw . auf dem Strahl formungselement ausreichend gering, um ein hochauflösendes Strahl formungselement mit einer ausreichend großen Anzahl an Freiheitsgraden einsetzen zu können . Die in der Ziel fläche gewünschte Laserleistung wird erst anschließend über die Verstärkeranordnung erzielt . Durch expli zite Berücksichtigung der Veränderung der Leistungsdichteverteilung bei der Verstärkung und durch die zwischen der Strahl formungseinrichtung und der Ziel fläche ggf . liegenden optischen Elemente kann die Strahl formung in der Strahl formungseinrichtung so erfolgen, dass in der Ziel fläche die gewünschte Leistungsdichteverteilung erhalten wird . Der komplexe Zusammenhang zwischen der ( ersten) Leistungsdichteverteilung an der Strahl formungseinrichtung und der ( zweiten) Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche wird entweder durch Einsatz der Technik des maschinellen Lernens oder durch eine Simulation der Verhältnisse mittels inverser Propagation aufgelöst . Damit lassen sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren komplexe Leistungsdichteverteilungen in der Ziel fläche auch bei hohen Laserleistungen gezielt einstellen und auch dynamisch anpassen . Due to the beam shaping before amplification, the laser power in the beam shaping device or sufficiently low on the beam-shaping element to be able to use a high-resolution beam-shaping element with a sufficiently large number of degrees of freedom. The laser power desired in the target area is only then achieved via the amplifier arrangement. By explicitly considering the change in power density distribution during amplification and by the area between the beam shaping device and the target, if necessary. lying optical elements, the beam can be shaped in the beam shaping device in such a way that the desired power density distribution is obtained in the target area. The complex relationship between the (first) power density distribution at the beam shaping device and the (second) power density distribution in the target area is resolved either by using machine learning technology or by simulating the conditions using inverse propagation. With the proposed method, complex power density distributions in the target area can thus be set in a targeted manner and also dynamically adapted, even with high laser powers.

Das vorgeschlagene Verfahren ist unabhängig von der verwendeten Laserstrahlquelle , der eingesetzten Verstärkeranordnung und den weiteren optischen Elementen im Strahlengang . Der Einfluss dieser Komponenten sowie der Betriebsparameter auf die Leistungsdichteverteilung des propagierenden Laserstrahls wird bei der Nutzung eines maschinellen Lernprozesses automatisch berücksichtigt . Bei der Nutzung einer Simulation werden die Eigenschaften dieser Komponenten und der damit verbundene Einfluss auf die Leistungsdichteverteilung bei den gewählten Betriebsparametern expli zit bei der Simulation berücksichtigt . Hierzu stehen geeignete Simulationstools zur Verfügung, mit denen die Propagation eines Laserstrahls beliebiger Leistungsdichteverteilung durch optische Elemente und auch durch einen optischen Verstärker simuliert werden kann . Bei der Simulation muss die Eingangs-Leistungsdichteverteilung, die der Laserstrahl an der Strahl formungseinrichtung aufweist , bekannt sein . Diese kann entweder gemessen werden oder ist für die verwendete Laserstrahlquelle bereits bekannt . The proposed method is independent of the laser beam source used, the amplifier arrangement used and the other optical elements in the beam path. The influence of these components and the operating parameters on the Power density distribution of the propagating laser beam is automatically taken into account when using a machine learning process. When using a simulation, the properties of these components and the associated influence on the power density distribution for the selected operating parameters are explicitly taken into account in the simulation. Suitable simulation tools are available for this purpose, with which the propagation of a laser beam of any power density distribution can be simulated through optical elements and also through an optical amplifier. In the simulation, the input power density distribution that the laser beam has at the beam shaping device must be known. This can either be measured or is already known for the laser beam source used.

Bei Nutzung eines maschinellen Lernprozesses wird vorzugsweise ein neuronales Netzwerk oder ein evolutionärer bzw . genetischer Algorithmus eingesetzt . Das Training wird dabei vorzugsweise mit der Laseranordnung durchgeführt , die auch für die j eweilige Laserbearbeitung eingesetzt wird und mit der das vorgeschlagene Verfahren zum Einsatz kommen soll . Der maschinelle Lernprozess wird beim vorgeschlagenen Verfahren vor dem Einsatz der Laseranordnung für die Laserbearbeitung durchgeführt . Die dabei gewonnenen Daten oder der entsprechend trainierte Algorithmus werden bzw . wird dann bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens für die Steuerung der Strahl formungseinrichtung eingesetzt . Bei Nutzung der Simulation erfolgt diese Simulation ebenfalls vorab, d . h . vor dem Einsatz der j eweiligen Laseranordnung für die Laserbearbeitung . Die bei dieser Simulation erhaltenen Daten werden dann wiederum während des Verfahrens zur Steuerung der Strahl formungseinrichtung eingesetzt . When using a machine learning process, a neural network or an evolutionary or genetic algorithm used. The training is preferably carried out with the laser arrangement that is also used for the respective laser processing and with which the proposed method is to be used. In the proposed method, the machine learning process is carried out before the laser arrangement is used for the laser processing. The data obtained in this way or the correspondingly trained algorithm are or is then used when implementing the proposed method for controlling the beam shaping device. If the simulation is used, this simulation is also carried out in advance, i .e . H . before using the respective laser arrangement for laser processing. The data obtained from this simulation is then used in turn during the method for controlling the beam shaping device.

Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich sehr vorteilhaft für alle Laser-basierten Materialbearbeitungsverfahren anwenden, die Laserleistungen benötigen, die über der Zerstörschwelle von hochauflösenden Strahl formungselementen liegen . Auch für andere Anwendungen, bei denen eine bestimmte Leistungsdichteverteilung in einer Ziel fläche bei hoher Laserleistung erreicht werden soll , kann das vorgeschlagene Verfahren eingesetzt werden . The proposed method can be used very advantageously for all laser-based material processing methods that require laser power that is above the damage threshold of high-resolution beam-shaping elements. The proposed method can also be used for other applications in which a certain power density distribution in a target area is to be achieved with high laser power.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Brief description of the drawings

Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand von Aus führungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals näher erläutert . Hierbei zeigen : The proposed method is explained in more detail below using exemplary embodiments in conjunction with the drawings. Here show:

Fig . 1 eine schematische Darstellung der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens ; Fig. 1 shows a schematic representation of the implementation of the proposed method;

Fig . 2 ein erstes Beispiel einer mit dem Verfahren erzeugbaren Leistungsdichteverteilung; und Fig. 2 shows a first example of a power density distribution that can be generated using the method; and

Fig . 3 ein zweites Beispiel einer mit dem Verfahren erzeugbaren Leistungsdichteverteilung . Wege zur Ausführung der Erfindung Fig. 3 shows a second example of a power density distribution that can be generated using the method. Ways to carry out the invention

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine hochdynamische Laserstrahl formung bei hohen Laserleistungen ( >100 W) . Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung einer Laseranordnung zur Lasermaterialbearbeitung sowie der Vorgehensweise bei der Durchführung des vorgeschlagenen Verfahrens . Die Laseranordnung umfasst dabei eine Laserstrahlquelle 1 , die einen Laserstrahl 2 mit einer bekannten Leistungsdichteverteilung ( LDV) emittiert . Der Laserstrahl 2 wird in einer Strahl formungseinrichtung 3 einer Strahl formung durch ortsabhängige Veränderung von Phase und/oder Amplitude über den Strahlquerschnitt unterworfen . Der Laserstrahl 2 weist hierbei in der Ebene der Strahl formungseinrichtung 3 die Eingangs- Leistungsdichteverteilung auf , in der vorliegenden Patentanmeldung auch als erste Leistungsdichteverteilung bezeichnet . Der aus der Strahl formungseinrichtung 3 austretende Laserstrahl wird anschließend in der optischen Verstärkeranordnung 4 , die einen oder mehrere optische Verstärker für den Laserstrahl aufweist , auf eine gewünschte Ziel-Laserleistung verstärkt , die für die Materialbearbeitung an einem Werkstück 6 erforderlich ist . Zwischen der Verstärkeranordnung 4 und dem Werkstück 6 sind eine oder mehrere weitere optische Elemente 5 angeordnet , mit denen der Laserstrahl beispielsweise in die Ziel fläche auf dem Werkstück 6 fokussiert werden kann . The proposed method enables highly dynamic laser beam shaping at high laser powers (>100 W). FIG. 1 shows a schematic representation of a laser arrangement for laser material processing and the procedure for carrying out the proposed method. The laser arrangement comprises a laser beam source 1, which emits a laser beam 2 with a known power density distribution (LDV). The laser beam 2 is subjected to beam shaping in a beam shaping device 3 by a location-dependent change in phase and/or amplitude over the beam cross section. In this case, the laser beam 2 has the input power density distribution in the plane of the beam shaping device 3, also referred to as the first power density distribution in the present patent application. The laser beam emerging from the beam-shaping device 3 is then amplified in the optical amplifier arrangement 4, which has one or more optical amplifiers for the laser beam, to a desired target laser power that is required for material processing on a workpiece 6. One or more further optical elements 5 are arranged between the amplifier arrangement 4 and the workpiece 6 with which the laser beam can be focused, for example, into the target area on the workpiece 6 .

Bei dem vorgeschlagenen Verfahren findet die Strahl formung in der Strahl formungseinrichtung 3 vor einer Verstärkung des Laserstrahls 2 statt . In der Strahl formungseinrichtung 3 wird ein ( oder auch mehrere ) hochauflösendes Strahl formungselement ( >> 100 Freiheitsgrade ) verwendet , das bei der Ziel- Laserleistung am Werkstück 6 , insbesondere aufgrund zu geringer Zerstörschwellen, nicht verwendet werden könnte . Durch dieses Strahl formungselement wird die bekannte Eingangs-Leistungsdichteverteilung des Laserstrahls 2 in Phase und/oder Amplitude geändert bzw . angepasst . Die Leistungsdichteverteilung am Strahl formungselement ist dabei im Allgemeinen noch deutlich verschieden von der Leistungsdichteverteilung, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als zweite Leistungsdichteverteilung bezeichnet , die in der Ziel fläche am Werkstück 6 auftritt . In der Laseranordnung wird der Strahl nach der Strahl formungseinrichtung 3 in einer optischen Verstärkeranordnung 4 auf die Zielleistung verstärkt . Die Propagation durch die Verstärkeranordnung 4 , nicht-lineare Verstärkung und thermische Ef fekte im Verstärker haben dabei einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsdichteverteilung des durch die Verstärkeranordnung propagierenden Laserstrahls . Hinter dem Verstärker bzw . der Verstärkeranordnung 4 unterscheidet sich die Leistungsdichteverteilung des verstärkten Laserstrahls somit nichttrivial von der Leistungsdichteverteilung vor dem Verstärker, im Allgemeinen aber auch noch von der zweiten Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche . Weitere optische Komponenten, insbesondere Standard- Komponenten zur Anpassung der Größe der Leistungsdichteverteilung, der Positionierung in der Ziel fläche oder der Fokussierung des Laserstrahls , und die Propagation in die Ziel fläche beeinflussen die Leistungsdichteverteilung zusätzlich . Zur Realisierung einer gewünschten Ziel-Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche müssen diese Einflüsse bei der ursprünglichen Strahl formung in der Strahl formungseinrichtung 3 berücksichtigt werden . In the proposed method, the beam shaping takes place in the beam shaping device 3 before the laser beam 2 is amplified. In the beam shaping device 3, a (or also several) high-resolution beam shaping element (>> 100 degrees of freedom) used, which could not be used at the target laser power on the workpiece 6, in particular due to low damage thresholds. Through this beam-shaping element, the known input power density distribution of the laser beam 2 is changed or changed in phase and/or amplitude. customized . The power density distribution on the beam-shaping element is generally still significantly different from the power density distribution, also referred to as the second power density distribution in the present patent application, which occurs in the target area on the workpiece 6 . In the laser arrangement, the beam is amplified to the target power in an optical amplifier arrangement 4 after the beam shaping device 3 . The propagation through the amplifier arrangement 4, non-linear amplification and thermal effects in the amplifier have a considerable influence on the power density distribution of the laser beam propagating through the amplifier arrangement. Behind the amplifier of the amplifier arrangement 4, the power density distribution of the amplified laser beam thus differs non-trivially from the power density distribution in front of the amplifier, but in general also from the second power density distribution in the target area. Other optical components, in particular standard components for adjusting the size of the power density distribution, the positioning in the target area or the focussing of the laser beam, and the propagation in the target area also influence the power density distribution. To achieve a desired target power density distribution in the target area, these influences must be taken into account in the original beam shaping in the beam shaping device 3 .

Dies erfolgt beim vorgeschlagenen Verfahren messbasiert unter Einsatz von maschinellem Lernen oder simulationsbasiert . Bei der messbasierten Technik wird die Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche - oder einer dazu äquivalenten Fläche - vermessen . Dies kann bspw . mit einem örtlich hochauflösenden Detektor mit einem Array von Detektorelementen erfolgen . Basierend auf dem Unterschied zwischen gemessener ( zweiter ) Leistungsdichteverteilung und gewünschter Ziel- Leistungsdichteverteilung wird dann die Strahl formung in der Strahl formungseinrichtung 3 so angepasst , dass die zweite Leistungsdichteverteilung der Ziel- Leistungsdichteverteilung möglichst nahe kommt . Dies erfolgt bei der messbasierten Technik in einer geeigneten Rückkopplungs-Schlei fe , wie dies im unteren Teil der Figur 1 schematisch angedeutet ist . In the proposed method, this is measurement-based using machine learning or simulation-based. With the measurement-based technique, the power density distribution in the target area—or an area equivalent thereto—is measured. This can e.g. be done with a locally high-resolution detector with an array of detector elements. Based on the difference between the measured (second) power density distribution and the desired target power density distribution, the beam shaping in the beam shaping device 3 is then adjusted in such a way that the second power density distribution comes as close as possible to the target power density distribution. With the measurement-based technology, this takes place in a suitable feedback loop, as indicated schematically in the lower part of FIG.

Die für die Ansteuerung der Strahl formungseinrichtung 3 erforderlichen Daten werden bei der simulationsbasierten Technik mit Hil fe einer vorab durchgeführten Simulation erhalten . Hierbei wird in einer Simulationsumgebung der Einfluss aller optischen Komponenten einschließlich des laseraktiven Mediums des Verstärkers der Verstärkeranordnung bei den j eweils gewählten Betriebsparametern und der Propagation zwischen den Komponenten hinterlegt . Die zur Annäherung der zweiten Leistungsdichteverteilung an die Ziel- Leistungsdichteverteilung j eweils erforderliche Strahl formung in der Strahl formungseinrichtung 3 wird dabei durch Simulation der inversen Propagation des Laserstrahls von der Ziel fläche durch das optische System zur Strahl formungseinrichtung 3 erhalten . Da eine Leistungsdichteverteilung einen Laserstrahl nicht eindeutig bestimmt ( die Phasen- Information ist nicht enthalten) ist in der Regel ein iterativer Ansatz nötig, um eine geeignete Lösung zu finden . So gibt eine Leistungsdichteverteilung z . B . nicht vor, ob der Laserstrahl gerade konvergiert oder divergiert . Bei einem gegebenen optischen System und einer gegebenen Ziel fläche ist j edoch im Allgemeinen nur eines von beiden möglich . Bei der vorgeschlagenen Simulation erfolgt daher die Bestimmung einer geeigneten Lösung bzw . der für die Ansteuerung der Strahl formungseinrichtung 3 erforderlichen Daten durch iterative Vorwärts- und Rückwärtspropagationen, die auf ein Ergebnis konvergieren . In the case of the simulation-based technology, the data required for controlling the beam-shaping device 3 are obtained with the aid of a simulation carried out in advance. In this case, the influence of all optical components including the laser-active medium of the amplifier of the amplifier arrangement is stored in a simulation environment with the respectively selected operating parameters and the propagation between the components. The beam shaping required in each case in the beam shaping device 3 to approximate the second power density distribution to the target power density distribution thereby obtained by simulating the inverse propagation of the laser beam from the target area through the optical system to the beam shaping device 3 . Since a power density distribution does not uniquely determine a laser beam (the phase information is not included), an iterative approach is usually necessary to find a suitable solution. So there is a power density distribution z. B. does not specify whether the laser beam is currently converging or diverging. However, for a given optical system and target surface, only one of the two is generally possible. In the proposed simulation, a suitable solution or the data required for controlling the beam shaping device 3 through iterative forward and backward propagations, which converge on a result.

In einem konkreten Beispiel der Bestimmung der benötigten Strahl formung an der Strahl formungseinrichtung, beispielsweise in Form einer Phasenmaske für ein LCoS-Strahl formungselement ( LCoS : Liquid Crystal on Silicon) , werden beispielsweise folgende Schritte zur Simulation durchgeführt : In a specific example of determining the required beam shaping at the beam shaping device, for example in the form of a phase mask for an LCoS beam shaping element (LCoS: Liquid Crystal on Silicon), the following steps are carried out for the simulation:

1 ) Bestimmung/Auswahl einer Startphase ( zufällige Phase , einfache Rückpropagation der Zielverteilung oder Phase aus geometrischer/analytischer Berechnung) . 1) Determination/selection of a starting phase (random phase, simple back propagation of the target distribution or phase from geometric/analytical calculation).

2 ) Numerische wellenoptische Simulation der Vorwärtspropagation des Eingangsstrahls mit der Startphase durch das gesamte optische System . Dies beinhaltet die Simulation der Propagation zwischen allen optischen Elementen und die Propagation durch die optischen Elemente inklusive z . B . nicht-linearer Verstärkungen in optischen Verstärkern und thermischen Linsen und die Abschattung an Blenden . 2 ) Numerical wave - optical simulation of the forward propagation of the input beam with the start phase through the entire optical system . This involves simulating propagation between all optical elements and the propagation through the optical elements including z. B. non-linear amplifications in optical amplifiers and thermal lenses and shading at apertures.

3 ) Vergleich der simulierten Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche mit der Ziel-Leistungsdichte- verteilung . Bei ausreichender Übereinstimmung wurde die Phasenmaske erfolgreich bestimmt . 3 ) Comparison of the simulated power density distribution in the target area with the target power density distribution. If there is sufficient agreement, the phase mask has been successfully determined.

4 ) Ersetzen der Intensität bzw . Amplitude des simulierten Strahls in der Ziel fläche mit der Ziel- Leistungsdichteverteilung unter Beibehaltung der simulierten Phasen . 4 ) replacing the intensity resp . Amplitude of the simulated beam in the target area with the target power density distribution while maintaining the simulated phases.

5 ) Rückpropagation des in 4 ) bestimmten Strahls durch das optische System (vgl . 2 ) ) . 5) Back propagation of the beam determined in 4) through the optical system (cf. 2)).

6 ) Ersetzen der Intensität bzw . Amplitude des simulierten Strahls in der Startebene mit der Leistungsdichteverteilung des Eingangsstrahls unter Beibehaltung der simulierten Phasen . 6 ) Replace the intensity or . Amplitude of the simulated beam in the start plane with the power density distribution of the input beam preserving the simulated phases.

7 ) Nächster Iterationsschritt ( ab 2 ) ) bis eine festgelegte Anzahl an Iterationsschritten durchgeführt wurde oder eine Abbruchbedingung erreicht wurde (vgl . 3 ) ) . 7 ) Next iteration step (from 2 ) ) until a specified number of iteration steps has been carried out or a termination condition has been reached (cf . 3 ) ) .

Diese Simulation kann mit bekannten öf fentlich verfügbaren Simulationstools durchgeführt werden, wie bspw . VirtualLab Fusion der Firma LightTrans . This simulation can be performed with known, publicly available simulation tools, such as VirtualLab Fusion by LightTrans.

Optional können auch noch Schritte durchgeführt werden, um die Übereinstimmung von Simulation und Experiment zu verbessern und/oder die Konvergenz der Simulation zu beschleunigen . Zu diesen Schritten gehört eine Überkompensation der Zielintensität , die für die Rückpropagation verwendet wird . In Bereichen mit zu wenig Licht wird dabei mehr Licht erzwungen als eigentlich benötigt wird und umgekehrt . Weiterhin kann eine Berücksichtigung des Übersprechens des LCoS ( gegenseitige Beeinflussung von benachbarten Pixeln) sowie eine Berücksichtigung der Phasen-abhängigen Absorption eines LCoS erfolgen . Optionally, steps can also be carried out in order to improve the match between simulation and experiment and/or to accelerate the convergence of the simulation. These steps include overcompensating the target intensity used for back propagation. In areas with too little light forces more light than is actually needed and vice versa. Furthermore, the crosstalk of the LCoS (mutual influencing of adjacent pixels) and the phase-dependent absorption of an LCoS can be taken into account.

Bei einer Lösung auf Basis des maschinellen Lernens kann beispielsweise ein künstliches neuronales Netzwerk eingesetzt werden . Die Bestimmung des j eweils nächsten Schrittes in der Rückkopplungs-Schlei fe für ein entsprechendes optisches System ist aufgrund der hohen Anzahl an Freiheitsgraden und der hohen Nicht- Linearität des Zusammenhangs zwischen Input und Output nicht trivial . Ein neuronales Netzwerk kann direkt an der eingesetzten Laseranordnung beispielsweise mit einer Auswahl an Testbildern der j eweils erzeugen Leistungsdichteverteilung trainiert werden . Damit berücksichtigt das neuronale Netzwerk auch direkt alle bekannten und unbekannten Imperf ektionen des optischen Systems der Laseranordnung, wie z . B . Fehlstellen und optische bzw . mechanische Toleranzen . A solution based on machine learning can use an artificial neural network, for example. Determining the respective next step in the feedback loop for a corresponding optical system is not trivial due to the high number of degrees of freedom and the high non-linearity of the relationship between input and output. A neural network can be trained directly on the laser arrangement used, for example with a selection of test images of the power density distribution generated in each case. The neural network thus also directly takes into account all known and unknown imperfections in the optical system of the laser arrangement, e.g. B. Defects and optical or mechanical tolerances .

Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich komplexe Leistungsdichteverteilungen erzeugen, wie sie beispielsweise in den Figuren 2 und 3 dargestellt sind . Figur 2 zeigt hierzu eine Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche , die einem rechteckigen Top-Hat mit dreieckigem Ausschnitt entspricht . Eine derartige Leistungsdichteverteilung lässt sich mit dem vorgeschlagenen Verfahren beispielsweise aus einem Gauß- förmigen rotationssymmetrischen Eingangsstrahlprofil erzeugen und ist insbesondere für ef fektives Laserpolieren von Vorteil . With the proposed method, complex power density distributions can be generated, such as are shown in FIGS. 2 and 3, for example. FIG. 2 shows a power density distribution in the target area, which corresponds to a rectangular top hat with a triangular section. Such a power density distribution can with the proposed method, for example, from a Generate a Gaussian, rotationally symmetrical input beam profile and is particularly advantageous for effective laser polishing.

Figur 3 zeigt ein weiteres Beispiel einer komplexen Leistungsdichteverteilung in der Ziel fläche , wie sie mit dem vorgeschlagenen Verfahren erzeugt werden kann . Diese Leistungsdichteverteilung wird auch als Lasersessel bezeichnet , da die Intensitätsverteilung in dem dargestellten Diagramm an die Form eines Sessels erinnert . Mit einer derartigen Leistungsdichteverteilung lässt sich beispielsweise beim Laserhärten eine homogene Temperaturverteilung auf dem Werkstück erzeugen . FIG. 3 shows another example of a complex power density distribution in the target area, as can be generated with the proposed method. This power density distribution is also referred to as a laser chair, since the intensity distribution in the diagram shown is reminiscent of the shape of a chair. With such a power density distribution, a homogeneous temperature distribution can be generated on the workpiece during laser hardening, for example.

Das vorgeschlagene Verfahren ermöglicht eine flexible und dynamische Erzeugung von Applikationsangepassten Leistungsdichteverteilungen bei Laserleistungen, die die Zerstörschwelle der zur Formung der Laserstrahlung verwendeten Strahl formungselemente übersteigen . Dadurch kann der Zielkonflikt bei der dynamischen Laserstrahl formung zwischen nutzbarer Laserleistung und der Anzahl der Freiheitsgrade aufgelöst werden . Die Berücksichtigung von beliebigen optischen Elementen und Propagationsdistanzen, sowohl in einem simulationsbasierten Verfahren als auch in einem messbasierten Verfahren auf Basis des maschinellen Lernens , ermöglicht die Nutzung von nahezu beliebigen Leistungsdichteverteilungen in flexibel gestaltbaren optischen Systemen . Bezugs zeichenliste The proposed method enables flexible and dynamic generation of application-adapted power density distributions for laser powers that exceed the damage threshold of the beam-shaping elements used to shape the laser radiation. In this way, the conflict of objectives in dynamic laser beam shaping between usable laser power and the number of degrees of freedom can be resolved. The consideration of any optical elements and propagation distances, both in a simulation-based method and in a measurement-based method based on machine learning, enables the use of almost any power density distribution in optical systems that can be designed flexibly. reference character list

1 Laserstrahlquelle 2 Laserstrahl 1 laser beam source 2 laser beam

3 Strahl formungseinrichtung 3 beam shaping device

4 Verstärkeranordnung 4 amplifier arrangement

5 weitere optische Elemente 5 additional optical elements

6 Werkstück 6 workpiece

Claims

Method for setting and/or dynamically adapting the power density distribution of laser radiation in a target area, in which a laser beam (2) emanating from a laser beam source (1) is first subjected to beam shaping in a beam shaping device (3) and then in an amplifier arrangement (4) is amplified and aimed at the target surface, wherein

- the beam shaping device (3) is used with one or more high-resolution beam shaping elements that enable beam shaping with more than 500 degrees of freedom, and

- the beam shaping device (3) is controlled in such a way that a second power density distribution, which the laser beam (2) has in the target area, comes as close as possible to a predetermined power density distribution, and wherein

- either the beam shaping device is controlled on the basis of data that is or was obtained by a simulation using inverse propagation,

- or the second power density distribution is measured or determined and compared with the power density distribution specified in each case, and the actuation of the beam shaping device (3) via a feedback loop on the basis of a difference in the specified power density distribution in each case Power density distribution and the measured or determined second power density distribution and data that is or was obtained by machine learning. Method according to Claim 1, characterized in that a neural network is used for the machine learning. Method according to Claim 1, characterized in that an evolutionary or genetic algorithm is used for the machine learning. Method according to Claim 1, characterized in that the simulation is carried out by means of iterative forward and backward propagation. Method according to Claim 1 or 4, characterized in that the propagation and amplification of the laser beam (2) by the amplifier arrangement (4) is taken into account in the simulation. Method according to Claim 1 or 4, characterized in that one or more optical elements (5) are additionally arranged between the laser beam source (1) and the target surface and in the simulation the propagation and amplification of the laser beam (2) by the amplifier arrangement (4) and the Propagation through the one or more optical elements (5) are taken into account.

7. The method according to any one of claims 1 to 3, characterized in that the machine learning is carried out with the same system consisting of the laser beam source (1), the beam shaping device (3), the amplifier arrangement (4) and optionally one or more optical elements (5 ) takes place, which is also used for setting and/or dynamic adjustment of the power density distribution.

8. The method according to any one of claims 1 to 7, characterized in that arrays of liquid crystals or micromirrors are used as high-resolution beam-shaping elements.