用于处理材料的设备和对其进行操作的方法技术

本发明专利技术涉及一种激光支持的材料加工设备，包括：提供脉冲激光束(16)的激光器(14)；测量装置(30、32、34、36、38)，用以获得所述激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值；以及连接至所述测量装置的评测单元(22)，其被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及所述激光器(14)的设定辐射功率来检查所述激光束(16)的质量。通过计算测得的基波功率和测得的高次谐波的功率的商，可确定当前倍频的转换效率。所述当前倍频的转换效率是激光束(16)的波前和脉冲宽度的质量的估量。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于处理材料的设备和对其进行操作的方法
本专利技术涉及一种利用脉冲激光束加工材料的设备。本专利技术进一步涉及一种操作这种材料加工设备的过程。
技术介绍
原则上，本专利技术可应用于加工任意材料的激光系统的领域中。因此，待加工的材料可为没有生命的物质；不过其也可涉及有生命的物质，例如人眼的组织。关于材料的加工，尤其是在可见光谱区域中是透明的那些材料的加工，所谓的飞秒激光系统正逐渐显现其重要性。在此方面，涉及产生脉冲宽度处于飞秒范围内的脉冲聚焦激光束的激光系统。这种飞秒激光系统例如在眼科激光手术中得以应用，其中它们通常出于在人眼的角膜组织中或其它组织区域中产生切口的目的而被采用。飞秒激光系统的有利方面在于它们适于产生任意指定的三维切口图形。下面将简要地阐述关于借助于聚焦飞秒激光辐射对透明材料进行加工的主要的基本过程。凭借激光束在材料中的强聚焦以及由于材料对辐射的透明性，激光能量可被耦合到内部，而不会破坏焦点上方辐射所通过的材料(例如角膜组织)。在焦点处发生的过程被称为光离解。在焦点处，微等离子体发生的阈值由于高强度的辐射而被超过。出现直径例如为大约1μm的极小球状材料的放射。结果，产生了具有稍大的例如大约5～12μm的直径的微泡，该微泡离开周围材料并随后完全扩散到环境中。由于每个激光脉冲作用的持续时间极短，因此不会发生热量到周围材料的传导；在等离子体消失之后，所有有效能量以及热量再次消散。在传统的飞秒激光系统中，借助于扫描仪能够在横向上以及在纵向上对焦点进行控制。这里的“横向”是指与光束传播方向垂直的平面中的方向。另一方面，“纵向”是指沿激光束传播方向的方向。如果由于等离子体放电而产生的适当数量(例如几千个)的腔以期望的形状、立体地、一个置于另一个顶部地放置，则在材料中产生期望的切口。上述过程要求具有高峰值强度的非常精确的焦点，以使切口具有期望的精度。不过，聚焦能力和峰值强度为高灵敏度的参数；在激光束的传播路径中的相对轻微的扰动就可破坏激光束的空间和时间质量，由此降低其聚焦能力和峰值强度。因此，在材料的加工过程中，期望能持续地(连续地或至少以时间间隔重复地)监控激光束的时间和空间质量。
技术实现思路
本专利技术的目的在于为能够监控用于加工材料的激光系统中的激光辐射的辐射质量而指明一种解决途径。这种监控旨在使得若辐射质量恶化，则可能中断加工过程或作出反应。具体地，该监控可能是实时的，即在材料的加工过程中监控。在这种情况下，辐射质量尤其涉及聚焦能力以及脉冲包络的时间级数(temporalprogression)(单个激光脉冲的时间包络)，即脉冲宽度短的程度。聚焦能力主要由光束剖面的质量和激光辐射的波前的质量确定。为了实现该目的，根据本专利技术的一个方面，提供一种材料加工设备，包括：提供脉冲激光束的激光器；测量装置，用以获得所述激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值；被连接至所述测量装置的评测单元，所述评测单元被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及激光器的设定辐射功率来检查所述激光束的质量。为了记录脉冲激光辐射(尤其是具有飞秒脉冲)的时间和/或空间辐射质量或为了记录这种质量的变化，本专利技术教示研究多个过程，其效率取决于所应用的聚焦激光辐射的强度。非线性混频过程，例如倍频，是这种过程的示例。在这种情况下，在适宜的配置下，激光辐射的一(小)部分被聚焦到光学非线性晶体中，并被转变为倍频辐射。如果假设激光器的激光辐射是红外波长，则辐射的被聚焦到晶体中的那部分被转变为例如绿光。由于倍频取决于入射功率的平方，因此这种过程的效率取决于在晶体中所应用的功率密度(空间和时间上)，并由此取决于激光辐射的聚焦能力和脉冲宽度。因此，就其它影响参数可被排除的程度来说，可将倍频光的功率变化归因于聚焦能力和/或脉冲宽度的变化。这种变化可例如是由于激光辐射的波前破坏或由于脉冲宽度的变长而引起。本专利技术发现监控可一起同时持续影响聚焦(即聚焦能力)的质量的所有那些参数通常是昂贵和困难的。相反，根据本专利技术的方法能够实现实时(也可以说是联机)简单的质量控制。影响聚焦产生的这些参数中任意一个一旦变差，这就可通过高次谐波的测量信号被检测到，并可采取适当的响应。关于材料加工设备的操作，哪个具体的参数是观察到的激光脉冲的聚焦能力恶化的原因可看作是无关紧要的。如果聚焦能力降低，则在特定的预定极限被超出之后尽可能快地停止加工是可取的。分别监控与聚焦的有效产生有关的且可使激光辐射的聚焦能力恶化的每一个激光器参数将需要巨大的付出。而且也确实难以实现对这些参数的单个的恶化作出即时且可靠的反应。相反，由本专利技术获得的与聚焦能力相关的所有激光器参数的简单联机监控的可能性产生了相当的优势，这是因为付出变小了些。原则上，在本专利技术范围内也可采用高阶非线性过程；本专利技术的中心思想绝不限于倍频。然而，对于高阶过程，通常要求更高的辐射强度，这可能增加根据本专利技术的方案的复杂性。光学倍频是3波混合的特殊情况，其中对于高磁场强度，由角频率为ω1和ω2的两个基波产生角频率为ω3＝ω1±ω2的第三个波(ω＝2πf)。在这种情况中，ω3＝ω1+ω2对应于和频混合，ω3＝ω1-ω2对应于差频混合。现在，如果在倍频ω1＝ω2的特殊情况下，则仅产生和频ω3＝2ω1＝2ω2。在本专利技术的实际配置中，使激光辐射的一部分施加于光学非线性媒质(例如晶体)中。激光辐射被施加的部分优选地被聚焦到非线性媒质中。由于在焦点处的高强度，从而激发非线性媒质中的载何子振荡，这也包含被辐射的基波振荡(基波)的不同阶的谐波。在这种情况下，二次谐波构成了频率为基波的两倍且波长为基波的一半的倍频波。通过适当选择入射辐射射入非线性媒质中的方向或通过相对束传播的方向适当放置非线性媒质，则二次谐波的产生可优先于其它的频率。关于该过程的具体理论描述，可参照有关的专业文献；在这里可省略更为具体的阐述。在上面的过程中，二次谐波的瞬时强度与基波的瞬时强度的平方成正比。在这种情况下，二次谐波的信号的电平主要由基波的峰值强度确定。所述峰值强度又取决于基波在焦点处的脉冲能量、光斑尺寸(束腰半径的平方)以及基波辐射的脉冲宽度。由于倍频的效率(转换效率)—其被定义为二次谐波在时间上的平均功率和基波辐射在时间上的平均功率的商—同样与基波功率成正比，并由此与基波辐射的峰值强度成正比，因此对于转换效率来说，保持了对基波辐射在焦点处的光斑尺寸以及基波辐射脉冲宽度的依赖。假设基波辐射的脉冲能量为常数，则转换效率的变化允许推断出时间和/或空间束质量(脉冲包络、束轮廓等)的变化和/或波前的形状变化以及由此可得出的聚焦能力的变化。在本专利技术的优选配置中，作为光学非线性媒质使用的晶体的长度明显大于被聚焦到晶体中的基波辐射的瑞利长度。那么基波辐射的发射的轻微变化(焦平面在倍频晶体中的稍微偏移)几乎对二次谐波的强度信号不产生影响。另外，基波辐射优选地被聚焦到焦距相对较短的晶体中，以降低相位匹配对方向和应用于晶体中的功率的频谱分布的依赖性。通过聚焦所施加的基波辐射，即使在基波辐射的入射辐射的方向发生轻微变化或基波辐射的媒质波长发生轻微变化的情况下，也可以始终存在可获得相位匹配的适合的辐射分量。因此，可获得相对较大的入射辐射的方向的角范围，由此本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种使用脉冲基波激光束(16)加工材料的设备，该设备包括：提供所述基波激光束(16)的激光器(14)；测量装置(30、32、34、36、38)，用以获得所述基波激光束的基波功率的测量值以及通过倍频从所述基波激光束生成的至少一个高次谐波的功率的测量值，其中为了产生所述高次谐波，所述测量装置包括光学非线性媒质(34)以及布置在该媒质的上游的聚焦单元(32)，所述聚焦单元(32)用于将从所述基波激光束(16)耦合出的部分基波光束(16”)聚焦到所述非线性媒质上；连接至所述测量装置的评测单元(22)，其被设计为根据测得的基波功率、测得的高次谐波的功率以及所述激光器(14)的设定辐射功率来检查所述基波激光束(16)的质量。2.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述至少一个高次谐波包括二次谐波。3.根据权利要求1所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)被设计为将至少一个测得的功率值和/或从其导出的值与至少一个参考值进行比较，且根据测量值或导出值与参考值的偏离程度来引起预定的响应。4.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述参考值表示在所述激光器(14)的设定的辐射功率下的基波功率的最大可得到的值、所述高次谐波的功率的最大可得到的值，或所述倍频的转换效率的最大可得到的值。5.根据权利要求3所述的使用脉冲基波激光束加工材料的设备，其中所述评测单元(22)被设计为从预先存储的参考信息中提取参考值，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：弗兰齐斯卡·韦提恩尼克，马蒂亚斯·韦尔费尔，克劳斯·沃格勒，奥拉夫·基特尔曼，
申请(专利权)人：威孚莱有限公司，
类型：发明
国别省市：