專利名稱：用于處理材料的設(shè)備和對其進行操作的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用脈沖激光束加工材料的設(shè)備。本發(fā)明進一步涉及一種操作這種材料加工設(shè)備的過程。
背景技術(shù)：
原則上，本發(fā)明可應(yīng)用于加工任意材料的激光系統(tǒng)的領(lǐng)域中。因此，待加工的材料可為沒有生命的物質(zhì)；不過其也可涉及有生命的物質(zhì)，例如人眼的組織。關(guān)于材料的加工，尤其是在可見光譜區(qū)域中是透明的那些材料的加工，所謂的飛秒激光系統(tǒng)正逐漸顯現(xiàn)其重要性。在此方面，涉及產(chǎn)生脈沖寬度處于飛秒范圍內(nèi)的脈沖聚焦激光束的激光系統(tǒng)。這種飛秒激光系統(tǒng)例如在眼科激光手術(shù)中得以應(yīng)用，其中它們通常出于在人眼的角膜組織中或其它組織區(qū)域中產(chǎn)生切口的目的而被采用。飛秒激光系統(tǒng)的有利方面在于它們適于產(chǎn)生任意指定的三維切口圖形。下面將簡要地闡述關(guān)于借助于聚焦飛秒激光輻射對透明材料進行加工的主要的基本過程。憑借激光束在材料中的強聚焦以及由于材料對輻射的透明性，激光能量可被耦合到內(nèi)部，而不會破壞焦點上方輻射所通過的材料(例如角膜組織)。在焦點處發(fā)生的過程被稱為光離解。在焦點處，微等離子體發(fā)生的閾值由于高強度的輻射而被超過。出現(xiàn)直徑例如為大約1 μ m的極小球狀材料的放射。結(jié)果，產(chǎn)生了具有稍大的例如大約5 12 μ m的直徑的微泡，該微泡離開周圍材料并隨后完全擴散到環(huán)境中。由于每個激光脈沖作用的持續(xù)時間極短，因此不會發(fā)生熱量到周圍材料的傳導；在等離子體消失之后，所有有效能量以及熱量再次消散。在傳統(tǒng)的飛秒激光系統(tǒng)中，借助于掃描儀能夠在橫向上以及在縱向上對焦點進行控制。這里的“橫向”是指與光束傳播方向垂直的平面中的方向。另一方面，“縱向”是指沿激光束傳播方向的方向。如果由于等離子體放電而產(chǎn)生的適當數(shù)量(例如幾千個)的腔以期望的形狀、立體地、一個置于另一個頂部地放置，則在材料中產(chǎn)生期望的切口。上述過程要求具有高峰值強度的非常精確的焦點，以使切口具有期望的精度。不過，聚焦能力和峰值強度為高靈敏度的參數(shù)；在激光束的傳播路徑中的相對輕微的擾動就可破壞激光束的空間和時間質(zhì)量，由此降低其聚焦能力和峰值強度。因此，在材料的加工過程中，期望能持續(xù)地(連續(xù)地或至少以時間間隔重復(fù)地)監(jiān)控激光束的時間和空間質(zhì)量。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于為能夠監(jiān)控用于加工材料的激光系統(tǒng)中的激光輻射的輻射質(zhì)量而指明一種解決途徑。這種監(jiān)控旨在使得若輻射質(zhì)量惡化，則可能中斷加工過程或作出反應(yīng)。具體地，該監(jiān)控可能是實時的，即在材料的加工過程中監(jiān)控。在這種情況下，輻射質(zhì)量尤其涉及聚焦能力以及脈沖包絡(luò)的時間級數(shù)(temporal progression)(單個激光脈沖的時間包絡(luò))，即脈沖寬度短的程度。聚焦能力主要由光束剖面的質(zhì)量和激光輻射的波前的質(zhì)量確定。
為了實現(xiàn)該目的，根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種材料加工設(shè)備，包括提供脈沖激光束的激光器；測量裝置，用以獲得所述激光束的基波功率的測量值以及通過倍頻從所述激光束生成的至少一個高次諧波的功率的測量值；被連接至所述測量裝置的評測單元，所述評測單元被設(shè)計為根據(jù)測得的基波功率、測得的高次諧波的功率以及激光器的設(shè)定輻射功率來檢查所述激光束的質(zhì)量。為了記錄脈沖激光輻射(尤其是具有飛秒脈沖)的時間和/或空間輻射質(zhì)量或為了記錄這種質(zhì)量的變化，本發(fā)明教示研究多個過程，其效率取決于所應(yīng)用的聚焦激光輻射的強度。非線性混頻過程，例如倍頻，是這種過程的示例。在這種情況下，在適宜的配置下， 激光輻射的一(小)部分被聚焦到光學非線性晶體中，并被轉(zhuǎn)變?yōu)楸额l輻射。如果假設(shè)激光器的激光輻射是紅外波長，則輻射的被聚焦到晶體中的那部分被轉(zhuǎn)變?yōu)槔缇G光。由于倍頻取決于入射功率的平方，因此這種過程的效率取決于在晶體中所應(yīng)用的功率密度(空間和時間上)，并由此取決于激光輻射的聚焦能力和脈沖寬度。因此，就其它影響參數(shù)可被排除的程度來說，可將倍頻光的功率變化歸因于聚焦能力和/或脈沖寬度的變化。這種變化可例如是由于激光輻射的波前破壞或由于脈沖寬度的變長而引起。本發(fā)明發(fā)現(xiàn)監(jiān)控可一起同時持續(xù)影響聚焦(即聚焦能力)的質(zhì)量的所有那些參數(shù)通常是昂貴和困難的。相反，根據(jù)本發(fā)明的方法能夠?qū)崿F(xiàn)實時(也可以說是聯(lián)機)簡單的質(zhì)量控制。影響聚焦產(chǎn)生的這些參數(shù)中任意一個一旦變差，這就可通過高次諧波的測量信號被檢測到，并可采取適當?shù)捻憫?yīng)。關(guān)于材料加工設(shè)備的操作，哪個具體的參數(shù)是觀察到的激光脈沖的聚焦能力惡化的原因可看作是無關(guān)緊要的。如果聚焦能力降低，則在特定的預(yù)定極限被超出之后盡可能快地停止加工是可取的。分別監(jiān)控與聚焦的有效產(chǎn)生有關(guān)的且可使激光輻射的聚焦能力惡化的每一個激光器參數(shù)將需要巨大的付出。而且也確實難以實現(xiàn)對這些參數(shù)的單個的惡化作出即時且可靠的反應(yīng)。相反，由本發(fā)明獲得的與聚焦能力相關(guān)的所有激光器參數(shù)的簡單聯(lián)機監(jiān)控的可能性產(chǎn)生了相當?shù)膬?yōu)勢，這是因為付出變小了些。原則上，在本發(fā)明范圍內(nèi)也可采用高階非線性過程；本發(fā)明的中心思想絕不限于倍頻。然而，對于高階過程，通常要求更高的輻射強度，這可能增加根據(jù)本發(fā)明的方案的復(fù)雜性。光學倍頻是3波混合的特殊情況，其中對于高磁場強度，由角頻率為ω 和ω2的兩個基波產(chǎn)生角頻率為ω 3 = ω 1 士 ω 2的第三個波(ω = 2 π f)。在這種情況中，ω 3 = ω 1+ ω 2對應(yīng)于和頻混合，ω 3 = ω 1- ω 2對應(yīng)于差頻混合?，F(xiàn)在，如果在倍頻ω 1 = ω 2 的特殊情況下，則僅產(chǎn)生和頻ω3 = 2ω1 = 2ω2。在本發(fā)明的實際配置中，使激光輻射的一部分施加于光學非線性媒質(zhì)(例如晶體)中。激光輻射被施加的部分優(yōu)選地被聚焦到非線性媒質(zhì)中。由于在焦點處的高強度，從而激發(fā)非線性媒質(zhì)中的載何子振蕩，這也包含被輻射的基波振蕩(基波)的不同階的諧波。 在這種情況下，二次諧波構(gòu)成了頻率為基波的兩倍且波長為基波的一半的倍頻波。通過適當選擇入射輻射射入非線性媒質(zhì)中的方向或通過相對束傳播的方向適當放置非線性媒質(zhì)， 則二次諧波的產(chǎn)生可優(yōu)先于其它的頻率。關(guān)于該過程的具體理論描述，可參照有關(guān)的專業(yè)文獻；在這里可省略更為具體的闡述。在上面的過程中，二次諧波的瞬時強度與基波的瞬時強度的平方成正比。在這種情況下，二次諧波的信號的電平主要由基波的峰值強度確定。所述峰值強度又取決于基波
5在焦點處的脈沖能量、光斑尺寸(束腰半徑的平方)以及基波輻射的脈沖寬度。由于倍頻的效率(轉(zhuǎn)換效率)一其被定義為二次諧波在時間上的平均功率和基波輻射在時間上的平均功率的商一同樣與基波功率成正比，并由此與基波輻射的峰值強度成正比，因此對于轉(zhuǎn)換效率來說，保持了對基波輻射在焦點處的光斑尺寸以及基波輻射脈沖寬度的依賴。假設(shè)基波輻射的脈沖能量為常數(shù)，則轉(zhuǎn)換效率的變化允許推斷出時間和/或空間束質(zhì)量(脈沖包絡(luò)、束輪廓等)的變化和/或波前的形狀變化以及由此可得出的聚焦能力的變化。在本發(fā)明的優(yōu)選配置中，作為光學非線性媒質(zhì)使用的晶體的長度明顯大于被聚焦到晶體中的基波輻射的瑞利長度。那么基波輻射的發(fā)射的輕微變化(焦平面在倍頻晶體中的稍微偏移)幾乎對二次諧波的強度信號不產(chǎn)生影響。另外，基波輻射優(yōu)選地被聚焦到焦距相對較短的晶體中，以降低相位匹配對方向和應(yīng)用于晶體中的功率的頻譜分布的依賴性。通過聚焦所施加的基波輻射，即使在基波輻射的入射輻射的方向發(fā)生輕微變化或基波輻射的媒質(zhì)波長發(fā)生輕微變化的情況下，也可以始終存在可獲得相位匹配的適合的輻射分量。因此，可獲得相對較大的入射輻射的方向的角范圍，由此可獲得二次諧波的至少近似相同的強度信號。只要激光源在其說明書范圍內(nèi)操作，則其不會影響測量過程，或至少是僅稍微影響測量過程。另一方面，如果脈沖寬度和/或聚焦能力例如由于基波輻射的波前畸變而變化， 則這種作用得不到補償；相反，其對轉(zhuǎn)換效率具有直接影響?？赏ㄟ^將一個被污染的圓盤插入基波輻射的光路中來模擬例如波前畸變，在這種模擬中，基波功率在特定情況下被大部分或全部保存。由于微小平面波面更易辨別，因此可能不再能實現(xiàn)良好的聚焦，由于這個原因，倍頻被嚴重減弱或甚至趨于停止。因此，二次諧波的功率變化與基波輻射的波前變化相關(guān)。因此，在激光系統(tǒng)中的波前畸變可通過監(jiān)控二次諧波(或另外的高次諧波)的功率并通過該功率與參考功率的比較而被檢測到，這優(yōu)選表示為在給定基波功率下可最佳地實現(xiàn)的二次諧波的功率。這樣，可相當靈敏和即時地，即實時地，檢測到?jīng)]有明顯功率損耗的基波輻射的惡化的光束質(zhì)量，并可在可檢測到更多的功率降低之前相應(yīng)地快速進行響應(yīng)。一種進行以實時監(jiān)控由激光系統(tǒng)所提供的加工激光束的光束質(zhì)量的示例性方法可包括首先執(zhí)行校準操作，在校準操作中激光器被設(shè)定為處于其可能的功率范圍內(nèi)的各個(額定)輻射功率，以及在每一個設(shè)定的輻射功率下，測量基波功率以及二次(或另一個高次)諧波的功率。在這種情況下，應(yīng)當在激光系統(tǒng)的無干擾狀態(tài)下執(zhí)行校準操作以具有基波輻射的理想聚焦能力。這樣，可確?；üβ实臏y量值以及高次諧波的功率的測量值表示最大或最佳值。這些最大值表示在給定情況中設(shè)定的輻射功率下最大可獲得的基波的功率以及高次諧波的功率。通過形成商(二次諧波的功率除以基波功率)，另外可確定指定給激光器的每一個設(shè)定的輻射功率的轉(zhuǎn)換效率的值。在校準操作的范圍內(nèi)獲得的數(shù)據(jù)可例如以列表形式被存儲在存儲器中。在接下來的材料加工過程中，再次連續(xù)或以時間間隔測量基波功率以及高次諧波的功率。于是可執(zhí)行兩個分開的檢驗步驟。在第一檢驗步驟中，可將測得的基波功率和參考值進行比較。該參考值是根據(jù)存儲在存儲器中且在校準操作的范圍內(nèi)所獲得的數(shù)據(jù)。其表示在激光器的設(shè)定的輻射功率下基波功率的最佳值。如果測得的基波功率沒有明顯偏離該參考值或如果其處于關(guān)于該參考值的預(yù)定的容許極限范圍內(nèi)時，則這意味著至少不存在可明顯削弱激光束的功率的缺陷。然而，如果存在大于預(yù)定的容許極限的偏離，則這可以作為觸發(fā)預(yù)定的例如可包括警報指示的輸出和/或激光器的關(guān)閉的警報響應(yīng)或緊急響應(yīng)的原因。在第二檢驗步驟中，另外，可將高次諧波的測量功率與參考值進行比較和/或?qū)⑥D(zhuǎn)換效率(高次諧波的測量功率和測得的基波功率的商)與參考值進行比較。高次諧波的功率的參考值和轉(zhuǎn)換效率的參考值也可以根據(jù)存儲的校準數(shù)據(jù)來確定；它們分別表示在激光器的額定設(shè)定的輻射功率下，即在激光器的工作點下，高次諧波的功率和轉(zhuǎn)換效率的期望值(最佳值)。如果該比較顯示出偏離超出預(yù)定的極限，則可觸發(fā)如之前所述的警報響應(yīng)或緊急響應(yīng)。另一方面，如果第一檢驗步驟和第二檢驗步驟(當然不必非按此順序進行) 顯示沒有不容許的偏離，則可允許輸出激光束并可不受妨礙地繼續(xù)材料加工設(shè)備的工作。通過第二檢驗步驟，尤其可檢測未造成激光束的功率衰減或僅造成輕微功率衰減但卻造成明顯的波前畸變的缺陷。在不期望的波前微擾的情況中，二次諧波的測量功率與最大功率之比可易于低至百分之幾(例如低于15% )，這顯示出二次諧波的功率是激光束的光束質(zhì)量的良好指示。依照根據(jù)本發(fā)明的材料加工設(shè)備的進一步優(yōu)選的改進，至少一個高次諧波可包括二次諧波，激光束的脈沖寬度優(yōu)選地處于飛秒范圍內(nèi)。評測單元可被設(shè)計為將至少一個測得的功率值和/或從其導出的值(例如轉(zhuǎn)換效率)與至少一個參考值比較，且根據(jù)測量值或?qū)С鲋蹬c參考值的偏離程度來引起預(yù)定的響應(yīng)。在這種情況下，參考值可表示在激光器的設(shè)定的輻射功率下的基波功率的最大可得到的值、高次諧波的功率的最大可得到的值或倍頻的轉(zhuǎn)換效率的最大可得到的值。評測單元可進一步被設(shè)計為從預(yù)先存儲的信息中提取參考值，所述預(yù)先存儲的信息被指定給激光器的多個不同設(shè)定的輻射功率、表示基波功率的參考值和/或高次諧波的功率的參考值和/或倍頻的轉(zhuǎn)換效率的參考值。可替代地或附加地，評測單元可被設(shè)計為根據(jù)高次諧波的測量功率和測得的基波功率來確定商，和/或根據(jù)高次諧波的測量功率和高次諧波的功率的參考值來確定商，且根據(jù)所確定的商來檢查光束質(zhì)量。另外，該評測單元可為電子控制裝置的一部分，所述電子控制裝置被設(shè)計為以根據(jù)測量值或?qū)С鲋蹬c參考值之間的偏離程度來控制激光束的輸出。例如，如果所確定的偏離處于預(yù)定的極限范圍內(nèi)，可允許激光束的輸出，和/或如果所確定的偏離處于該極限之外，則可阻止激光束的輸出。所述測量裝置可包括用于產(chǎn)生高次諧波的光學非線性媒質(zhì)以及連接至該媒質(zhì)的上游的聚焦單元，該聚焦單元用于將從激光束耦合出的部分光束聚焦到非線性媒質(zhì)上。其可進一步被設(shè)計為測量從激光束耦合出的部分光束的功率，作為基波功率。所述評測單元可為電子控制裝置的一部分，所述電子控制裝置被設(shè)計為在校準過程中接連設(shè)置激光器的多個不同的輻射功率，確定給激光器的每一個設(shè)定的輻射功率指定的基波功率的測量值和高次諧波的功率的測量值，以及在存儲器中存儲所確定的指定給激光器的各個輻射功率的測量值和/或從其導出的值。根據(jù)又一個方面，本發(fā)明提供一種用于對利用脈沖激光束操作的材料加工設(shè)備進行操作的方法，尤其是對根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工設(shè)備進行操作的方法，包括測量所述激光束的基波功率和通過倍頻從所述激光束生成的至少一個高次諧波的功率，將至少一個測得的功率值和/或從其導出的值與至少一個參考值進行比較，根據(jù)測量值或?qū)С鲋蹬c參考值之間的偏離程度來引起預(yù)定的響應(yīng)。該方法可進一步包括在先執(zhí)行校準過程，在校準過程中在提供激光束的激光器的多個不同的設(shè)定的輻射功率的情況下獲得基波功率的測量值和高次諧波的功率的測量值， 且所獲得的測量值和/或從其導出的值被存儲在存儲器中，被指定給激光器的各個輻射功率，所述參考值從存儲在存儲器中的測量值和/或?qū)С鲋但@得。預(yù)定的響應(yīng)可包括光學和/或聲學消息，和/或激光束的啟動或關(guān)閉。此外，在利用激光束的材料加工過程中，可重復(fù)，尤其是以固定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行測量和比較步驟。 這樣，可以說，實時聯(lián)機監(jiān)控是可能的，監(jiān)控頻率取決于執(zhí)行測量的時間間隔。在這方面，不存在本發(fā)明本身所預(yù)定的限制，即可與測量設(shè)備和可達到的計算能力所允許的頻率進行測量。


下面將以唯一的附圖為基礎(chǔ)更為詳細地闡述本發(fā)明。圖1示意性地示出了用于材料的激光加工的材料加工設(shè)備的示例性實施例。
具體實施例方式在所示的示例性例子中，總體上由10表示的材料加工設(shè)備用于人眼12的激光手術(shù)加工，以及例如用于在其中產(chǎn)生內(nèi)角膜組織切口。材料加工設(shè)備10包括激光源14，激光源14產(chǎn)生脈沖寬度處于飛秒范圍內(nèi)的脈沖激光束16。激光源14例如包括光纖激光器。此外，材料加工設(shè)備10包括用于使激光束16聚焦到待加工的對象(這里為眼睛1 上的聚焦光學器件18。聚焦光學器件18例如由f- θ物鏡構(gòu)成。連接至聚焦光學器件18的上游的是掃描儀20，其用于激光束16的聚焦位置的橫向和縱向控制。為了橫向偏轉(zhuǎn)，掃描儀20 例如可包括一對受電流測定控制的鏡或電控的偏轉(zhuǎn)晶體。為了縱向聚焦控制，掃描儀20例如可包括影響激光束16的發(fā)散的光學元件，例如可沿光束傳播方向縱向移置的透鏡或折射率可變的液體透鏡或可變形鏡。應(yīng)當理解的是，掃描儀20的負責激光束16的橫向聚焦控制的部件和負責激光束16的縱向聚焦控制的部件可沿激光束16的傳播方向置于不同位置。因此掃描儀20不一定是緊湊單元；其可以涉及多個掃描部件的分布式布置。為了控制激光源14和掃描儀20，設(shè)置可按照存儲在存儲器M中的控制程序工作的微處理器輔助控制單元22。該控制程序包含用于限定待產(chǎn)生的切口幾何形狀的適合的控制參數(shù)(例如，采用激光脈沖的單獨照射位置的坐標的形式)。為了借助于激光束16產(chǎn)生細微、精確的切口，高的空間和時間光束質(zhì)量是期望的。為了實時監(jiān)控激光束16的光束質(zhì)量，材料加工設(shè)備10具有使來自激光束16的兩個部分光束16’、16”沿光束傳播的方向耦合的裝置，這些裝置位于由掃描儀進行的橫向偏轉(zhuǎn)的上游。在所示的示例性例子中，這些裝置包括兩個串聯(lián)布置在激光束16的光路上的半透分束鏡沈、28。第一功率計30用于測量部分光束16’的(時間上平均的)輻射功率。為此， 功率計30例如包括光電二極管，且向控制單元22提供表示所測量的輻射功率，尤其是與其成比例的信號。根據(jù)本發(fā)明，由功率計30測得的功率對應(yīng)于基波功率。第二部分光束16”借助于聚焦透鏡32被聚焦到光學非線性晶體34 (或另外的非線性媒質(zhì))上，在光學非線性晶體34中，由于非線性過程，產(chǎn)生倍頻光束16”’，隨后借助于光帶通濾波器36從倍頻光束16”’中濾掉所有可能干擾下級路線的部分以及基波的殘留。 也可包括例如用于輻射檢測的光電二極管的第二功率計38用于測量倍頻光束16”’的(時間上平均的)功率，并向控制單元22提供表示測得的功率的信號。根據(jù)本發(fā)明，測得的倍頻光束16”’的功率表示從基波生成的高次(這里指二次)諧波的功率。由激光源14產(chǎn)生的激光束16的波長例如處于IOOOnm和IlOOnm之間的紅外范圍內(nèi)。這樣，由于在非線性晶體34中的倍頻，產(chǎn)生綠色到黃綠色光束16”’。控制單元22根據(jù)由功率計30、38所提供的測得的功率信號、通過將測得的光束 16”’的功率除以測得的部分光束16’的功率來計算轉(zhuǎn)換效率。在存儲器M中，具有由控制單元22在之前的校準過程中確定的額外保存的校準數(shù)據(jù)。該校準數(shù)據(jù)為在每種情況中激光器14的輻射功率的不同額定值指定關(guān)于部分光束 16’的功率、倍頻光束16”’的功率以及轉(zhuǎn)換效率的參考值。激光器14的不同的輻射功率對應(yīng)于不同的工作點。激光器14能夠在輻射功率的一范圍內(nèi)工作；根據(jù)應(yīng)用，控制單元22 可設(shè)定激光器14的不同的工作點。例如，各個輻射功率由百分比值表示，該百分比值通過關(guān)于激光器14的最大可設(shè)置的輻射功率的百分比數(shù)字來定義相應(yīng)的工作點。在每種情況中所存儲的參考值與最佳情形有關(guān)，最佳情形即沒有(至少沒有明顯的)不期望的激光束 16的波前畸變和沒有(至少沒有明顯的)不期望的激光束16沿其傳播路徑的功率衰減的無缺陷操作。因而，它們表示部分光束16’的功率、倍頻光束16”’的功率以及轉(zhuǎn)換效率的可能得到的最佳值?？刂茊卧?2利用當前測量的關(guān)于部分光束16’和關(guān)于倍頻光束16”’的功率值， 以基于與存儲在存儲器M中的校準數(shù)據(jù)的比較來檢查激光束16的光束質(zhì)量。具體地，控制單元22檢驗所測得的部分光束16’的功率是否至少近似地對應(yīng)于存儲在存儲器M中的關(guān)于在激光器14的相關(guān)工作點下基波功率的參考值。這樣，控制單元22可檢測到激光束 16的與無缺陷情況相比較的不期望的功率衰減。此外，控制單元22檢驗所測得的倍頻光束16”’的功率是否至少近似地對應(yīng)于存儲的校準數(shù)據(jù)中包含的關(guān)于在激光器14的相關(guān)工作點下二次諧波的功率的參考值?？商娲鼗蚋郊拥兀刂茊卧?2檢驗計算得到的轉(zhuǎn)換效率(計算為測得的光束16”’的功率和測得的部分光束16’的功率的商)是否至少近似地對應(yīng)于在校準數(shù)據(jù)中包含的關(guān)于在激光器14的相關(guān)工作點下轉(zhuǎn)換效率的參考值。關(guān)于符合存儲的參考值檢驗測得的功率值或從其導出的轉(zhuǎn)換效率例如可包括減法和/或商的形成。由于參考值指示在激光束16的最佳聚焦能力情況下在材料加工設(shè)備10的無缺陷操作中可實現(xiàn)的光學值，因此在測得的功率或計算得到的轉(zhuǎn)換效率與參考值之間的任何可能的偏差為激光束16的不期望的功率衰減和/或不期望的波前畸變和/或脈沖寬度的不期望的變長。如果確定的偏差超出了預(yù)定的范圍，則控制單元22可中斷激光束16的輸出。上述校準過程可由控制單元22自動執(zhí)行，例如每當材料加工設(shè)備10被打開或當用戶輸入執(zhí)行校準的適當?shù)拈_啟指令時。在自動校準過程的范圍內(nèi)，控制單元22可接連設(shè)置激光器14的不同的工作點，并在存儲器M中存儲分別確定的基波功率和二次諧波的功率的測量值。為了使第二部分光束16”聚焦，可使用例如衍射光學元件來代替透鏡32。非線性媒質(zhì)34可例如為周期極化晶體。晶體可被保持溫度穩(wěn)定，在這種情況下，可通過該溫度使相位匹配最佳化。此外，依照本專業(yè)技術(shù)領(lǐng)域本身已知的非嚴格相位匹配的方法也可實現(xiàn)。
權(quán)利要求
1.一種材料加工設(shè)備，包括提供脈沖激光束(16)的激光器(14)；測量裝置(30、32、34、36、38)，用以獲得所述激光束的基波功率的測量值以及通過倍頻從所述激光束生成的至少一個高次諧波的功率的測量值；連接至所述測量裝置的評測單元(22)，其被設(shè)計為根據(jù)測得的基波功率、測得的高次諧波的功率以及所述激光器(14)的設(shè)定輻射功率來檢查所述激光束(16)的質(zhì)量。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的材料加工設(shè)備，其中所述至少一個高次諧波包括二次諧波。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的材料加工設(shè)備，其中所述評測單元0 被設(shè)計為將至少一個測得的功率值和/或從其導出的值與至少一個參考值進行比較，且根據(jù)測量值或?qū)С鲋蹬c參考值的偏離程度來引起預(yù)定的響應(yīng)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的材料加工設(shè)備，其中所述參考值表示在所述激光器(14)的設(shè)定的輻射功率下的基波功率的最大可得到的值、所述高次諧波的功率的最大可得到的值， 或所述倍頻的轉(zhuǎn)換效率的最大可得到的值。
5.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的材料加工設(shè)備，其中所述評測單元0 被設(shè)計為從預(yù)先存儲的參考信息中提取參考值，所述預(yù)先存儲的參考信息被指定給所述激光器(14)的多個不同的設(shè)定的輻射功率、表示所述基波功率的參考值和/或所述高次諧波的功率的參考值和/或所述倍頻的轉(zhuǎn)換效率的參考值。
6.根據(jù)權(quán)利要求3至5中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中所述評測單元0 被設(shè)計為根據(jù)所測得的高次諧波的功率和根據(jù)所測得的基波功率確定商，和/或根據(jù)所測得的高次諧波的功率和根據(jù)高次諧波的功率的參考值確定商，以及根據(jù)所確定的商檢查光束質(zhì)量。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中所述評測單元0 為電子控制裝置的一部分，所述電子控制裝置被設(shè)計為根據(jù)測量值或?qū)С鲋蹬c參考值之間的偏離程度來控制所述激光束的輸出。
8.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中為了產(chǎn)生所述高次諧波，所述測量裝置包括光學非線性媒質(zhì)(34)以及連接至該媒質(zhì)的上游的聚焦單元(32)，所述聚焦單元用于將從所述激光束(16)耦合出的部分光束(16”)聚焦到所述非線性媒質(zhì)上。
9.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中所述測量裝置被設(shè)計為測量從所述激光束(16)耦合出的部分光束(16’ )的功率，作為基波功率。
10.根據(jù)權(quán)利要求3至9中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中所述評測單元0 為電子控制裝置的一部分，所述電子控制裝置被設(shè)計為在校準過程中接連設(shè)置所述激光器(14) 的多個不同的輻射功率，來確定指定給所述激光器(14)的每一個設(shè)定的輻射功率的、所述基波功率的測量值和所述高次諧波的功率的測量值，并在存儲器中存儲指定給所述激光器 (14)的各個輻射功率的所確定的測量值和/或從其導出的值。
11.根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工設(shè)備，其中所述激光束(16)的脈沖寬度處于飛秒范圍內(nèi)。
12.—種對利用脈沖激光束(16)操作的材料加工設(shè)備(10)進行操作的方法，尤其是對根據(jù)上述權(quán)利要求中任一項所述的材料加工設(shè)備進行操作的方法，包括測量所述激光束(16)的基波功率和通過倍頻從所述激光束生成的至少一個高次諧波的功率；將至少一個測得的功率值和/或從其導出的值與至少一個參考值進行比較；根據(jù)所述測量值或所述導出的值與所述參考值之間的偏離程度來引起預(yù)定的響應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，進一步包括在先執(zhí)行校準過程，在該過程中在提供所述激光束的激光器(14)的多個不同的設(shè)定的輻射功率的情況下獲得所述基波功率的測量值和所述高次諧波的功率的測量值，且獲得的測量值和/或從其導出的值被存儲在存儲器04)中，被指定給所述激光器(14)的各個輻射功率，所述參考值從存儲在所述存儲器中的測量值和/或?qū)С鲋但@得。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其中所述預(yù)定的響應(yīng)包括光學和/或聲學消息和/或所述激光束的關(guān)閉或啟動。
15.根據(jù)權(quán)利要求12至14中任一項所述的方法，其中在利用所述激光束的材料加工過程中，可重復(fù)執(zhí)行測量和比較步驟，尤其是以固定的時間間隔重復(fù)執(zhí)行測量和比較步驟。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種激光支持的材料加工設(shè)備，包括提供脈沖激光束(16)的激光器(14)；測量裝置(30、32、34、36、38)，用以獲得所述激光束的基波功率的測量值以及通過倍頻從所述激光束生成的至少一個高次諧波的功率的測量值；以及連接至所述測量裝置的評測單元(22)，其被設(shè)計為根據(jù)測得的基波功率、測得的高次諧波的功率以及所述激光器(14)的設(shè)定輻射功率來檢查所述激光束(16)的質(zhì)量。通過計算測得的基波功率和測得的高次諧波的功率的商，可確定當前倍頻的轉(zhuǎn)換效率。所述當前倍頻的轉(zhuǎn)換效率是激光束(16)的波前和脈沖寬度的質(zhì)量的估量。
文檔編號H01S3/13GK102596123SQ200980161768
公開日2012年7月18日 申請日期2009年11月18日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月18日
發(fā)明者克勞斯·沃格勒, 奧拉夫·基特爾曼, 弗蘭齊斯卡·韋提恩尼克, 馬蒂亞斯·韋爾費爾 申請人:威孚萊有限公司