DE102004031740B4 - Method for controlling a laser for generating a gray scale image and laser system - Google Patents

Method for controlling a laser for generating a gray scale image and laser system Download PDF

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    • H01S3/1123—Q-switching
    • H01S3/127—Plural Q-switches

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe eines Lasers (2) mit Güteschaltung zur Erzeugung eines Graustufenbilds auf einem Werkstück (10), wobei Laserpulse (11; 12; 13) unterschiedlicher Intensität durch Öffnen und Schließen eines Güteschalters im Resonator des Lasers (2) erzeugt werden, wobei die Intensität der Laserpulse (11; 12; 13) jeweils durch die Länge eines Zeitintervalls, in dem der Güteschalter vor Abgabe des Laserpulses geschlossen wird, gesteuert wird und mit einer Ablenkeinrichtung (8) ein Laserstrahl auf einer Werkstückoberfläche positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erfolgt, während der Güteschalter vollständig oder wenigstens teilweise geöffnet ist und der Laser im cw-Betrieb arbeitet, wobei die Dauerleistung des Lasers (2) bei geöffnetem Güteschalter unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, so daß eine Schwärzung der zu bearbeiteten Werkstückoberfläche beim Dauerbetrieb des Lasers nicht stattfindet.method for controlling the energy output of a laser (2) with Q-switching for generating a grayscale image on a workpiece (10), wherein laser pulses (11; 12; 13) of different intensity by opening and Shut down a Q-switch be generated in the resonator of the laser (2), wherein the intensity of the laser pulses (11; 12; 13) in each case by the length a time interval in which the Q-switch is closed before delivery of the laser pulse is controlled and with a deflector (8) a laser beam positioned on a workpiece surface is, characterized in that the positioning of the laser beam takes place on the workpiece surface, while the Q-switch Completely or at least partially open is and the laser works in cw mode, with the continuous power the laser (2) when open Q-switch is below a predetermined threshold, so that a blackening of the to machined workpiece surface during Continuous operation of the laser does not take place.

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Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Laseranlage zum Erzeugen von Graustufenbildern auf Werkstückoberflächen mittels eines gepulsten Lasers, beispielsweise eines Nd:YAG Laser.The The invention relates to a method and a laser system for generating grayscale images on workpiece surfaces using a pulsed laser, for example a Nd: YAG laser.

Graustufenbilder auf Werkstückoberflächen können durch Belichten des Materials mit einem Laser erzeugt werden. Abhängig von der eingestrahlten Energie werden die Punkte von weiß über grau bis schwarz gefärbt. Um die auf einen Punkt mit dem Laser eingeschaltete Energie zu variieren, sind aus dem Stand der Technik im wesentlichen drei verschiedene Verfahren bekannt.Grayscale images on workpiece surfaces can through Exposing the material to be generated with a laser. Depending on The radiated energy turns the dots from white to gray dyed to black. To vary the energy applied to a point with the laser, are essentially three different from the prior art Known method.

Bei dem ersten Verfahren, der sogenannten Pulsbreitenmodulierung, wird die Einschaltzeit des Lasers und damit die Pulsbreite des Lasers variiert. Je größer die Pulsbreite ist, desto mehr Energie wird auf einen Punkt des Materials gebracht und eine dementsprechend dunklere Färbung des Materials erzielt. Dieses Verfahren wird vorzugsweise bei CO2 Laser eingesetzt, deren Pulsbreiten sich durch Ein- und Ausschalten des Lasers sehr gut variieren lassen.In the first method, the so-called pulse width modulation, the switch-on time of the laser and thus the pulse width of the laser is varied. The larger the pulse width, the more energy is brought to one point of the material and a correspondingly darker coloring of the material is achieved. This method is preferably used in CO 2 lasers whose pulse widths can be varied very well by switching the laser on and off.

Bei gütegeschalteten Nd:YAG Laser ist das Verfahren nicht geeignet, weil die abgegebene Leistung bei dieser Art von Laser nicht mit der Pulsbreite korreliert. Bei gütegeschalteten Nd:YAG Laser wird die Energie vielmehr innerhalb von kürzester Zeit in einem sogenannten "Riesenpuls" abgegeben. Bei der Gütemodulation wird für eine kurze Zeit der Gütefaktor des Laserresonators verringert, so daß verhindert wird, daß sich eine stehende Welle zwischen den Spiegeln des Laserresonators ausbilden kann, z. B. durch einen mechanischen oder elektrooptischen Schalter in dem Laserresonator. In diesem Zeitraum findet jedoch trotzdem eine Anregung des Lasermaterials statt, so daß sich durch optisches Pumpen die Besetzungszahl des oberen Laserniveaus wesentlich stärker erhöht, als es bei einem konstant geöffneten Güteschalter der Fall wäre. Sobald der Güteschalter wieder geöffnet wird, oder wenigstens teilweise geöffnet wird, kann sich eine stehende Lichtwelle in dem Laserresonator ausbilden und es entsteht durch stimulierte Emission eine Lichtlawine. Die bei geschlossenem Güteschalter im Lasermaterial gespeicherte Energie wird dadurch in verhältnismäßig kurzer Zeit in einem Laserpuls freigesetzt. Die Pulsbreite liegt typischerweise unter einer μs.at Q-switched Nd: YAG laser, the method is not suitable because the emitted Performance in this type of laser is not correlated with the pulse width. In Q-switched Nd: YAG laser gets the energy within the shortest possible time Time spent in a so-called "giant pulse". In the quality modulation is for a short time the quality factor of the laser resonator, so that it is prevented that a forming a standing wave between the mirrors of the laser resonator can, for. B. by a mechanical or electro-optical switch in the laser resonator. In this period, however, will take place anyway an excitation of the laser material instead, so that by optical pumping the occupation number of the upper laser level increased much more than it at a constantly open Q-switch the case would be. Once the Q-switch again open is, or at least partially opened, can be a form standing light wave in the laser resonator and it arises by stimulated emission a light avalanche. The closed at Q-switch Energy stored in the laser material thereby becomes relatively short Time released in a laser pulse. The pulse width is typically under one μs.

Wenn derartige Laser zur Erzeugung von Graustufenbildern eingesetzt werden, wird daher ein anderes Verfahren, das sogenannte analoge Ansteuern des Güteschalters, benutzt. Bei diesem Verfahren wird die erforderliche Pulsenergie des Nd:YAG Lasers durch die analoge Ansteuerung des Güteschalters erreicht. Einfach ausgedrückt wird die notwendige Pulsenergie dadurch eingestellt, daß der Güteschalter analog nur so weit geöffnet wird, bis die erwünschte Pulsenergie erreicht ist. Sobald die erforderliche Laserenergie abgegeben ist, wird der Güteschalter wieder geschlossen, um eine weitere Energieabgabe an das Werkstück zu unterbinden. Dieses Verfahren setzt jedoch voraus, daß die Pulsenergie mit einer hohen Zeitauflösung (in ns-Bereich) überwacht wird, um den Güteschalter zu steuern.If such lasers are used to generate grayscale images, Therefore, another method, the so-called analog drive the Q-switch, used. In this method, the required pulse energy of the Nd: YAG laser through the analogue control of the Q-switch reached. Expressed in a simple way the necessary pulse energy is adjusted by the fact that the Q-switch analog only opened so far until the desired pulse energy is reached. Once the required laser energy is delivered, becomes the Q-switch closed again to prevent further energy delivery to the workpiece. However, this method assumes that the pulse energy with a high time resolution monitored (in ns range) will be to the Q-switch to control.

Bei dem Verfahren zur Erzeugung von Laserpulsen mit Analogansteuerung muß die abgegebene Laserenergie innerhalb des Pulses ständig gemessen werden, um den Güteschalter nur so weit zu öffnen (bzw. rechtzeitig wieder zu schließen), daß nur die gewünschte Energiemenge abgegeben wird. Die Stärke der abgegebenen Energie hängt nämlich nicht nur von dem Grad der Öffnung des Güteschalters ab, sondern auch von der Vorgeschichte bei geschlossenem Güteschalter, weil sich in diesem Zeitraum unterschiedlich starke Besetzungszahldifferenzen zwischen den maßgeblichen Laserniveaus im laseraktiven Material einstellen können. Daher ist es erforderlich, die abgegebene Intensität im Laserpuls ständig zu messen und nachzukorrigieren, selbst dann, wenn der vorgegebene Intensitätspegel für den Sollwert von Laserpuls zu Laserpuls konstant ist. Noch komplizierter ist die Sache, wenn hintereinander Pulse mit unterschiedlicher Intensität erzeugt werden sollen. Die ständige Überwachung der Laserintensität, beispielsweise mit einer Vorrichtung, wie sie in der DE 100 43 727 A1 offenbart ist, ist bei diesem Verfahren unerläßlich.In the method for generating laser pulses with analog control, the emitted laser energy within the pulse must be constantly measured in order to open the Q-switch only so far (or close in time again) that only the desired amount of energy is delivered. The strength of the energy delivered depends not only on the degree of opening of the Q-switch, but also on the history with the Q-switch closed, because in this period varying degrees of occupation number differences between the relevant laser levels can be set in the laser-active material. Therefore, it is necessary to continuously measure and correct the emitted intensity in the laser pulse even if the predetermined intensity level for the target value from laser pulse to laser pulse is constant. The situation is even more complicated when pulses with different intensity are to be generated consecutively. The constant monitoring of the laser intensity, for example, with a device such as in the DE 100 43 727 A1 is indispensable in this method.

Ein weiteres Verfahren, welches auch bei gütegeschalteten Nd:YAG Laser eingesetzt werden kann, ist die sogenannte "Error-Diffusion". Bei diesem Verfahren werden immer gleiche Laserpulse erzeugt. Der Grad der Schwärzung der damit erzielten Bildpunkte ist dementsprechend immer konstant. Um den optischen Eindruck eines dunkleren Bildbereichs zu erzeugen, werden bei diesem Verfahren einfach mehrere Bildpunkte dicht nebeneinander gesetzt. Hellere Bildbereiche werden mit einer entsprechend geringeren Dichte von Bildpunkten realisiert. Dieses Verfahren ist zwar für gütegeschaltete Nd:YAG Laser gut geeignet, es ist jedoch verhältnismäßig langsam und die damit erzielten Ergebnisse sind nicht von so hoher Qualität, wie sie mit den beiden vorhergehend geschilderten Verfahren erzielt werden können.One Another method, which is also used in Q-switched Nd: YAG lasers can be used, is the so-called "error diffusion". In this process are always generates same laser pulses. The degree of blackening of the pixels thus obtained is therefore always constant. To the visual impression of a darker image area are generated in this process simply set several pixels close to each other. brighter Image areas are covered with a correspondingly lower density of Realized pixels. Although this method is for Q-switched Nd: YAG laser well suited, but it is relatively slow and thus achieved Results are not as high quality as they are with the previous two Method can be achieved.

Die Offenlegungsschrift US 2002/0046994 A1 offenbart ein Verfahren zum Erzeugen von zweidimensionalen oder dreidimensionalen Bildern, insbesondere Graustufenbilder. Dazu werden mittels eines Lasers lokale Pixel verschiedener Größe in einem Material erzeugt. Der Laser wird im Pulsbetrieb durch eine Blitzlichtlampe gepumpt. Durch Öffnen eines Q-Schalters zeitlich verzögert zu dem Blitzlicht werden Laserpulse gewünschter Intensität erzeugt. Die Steuerung ist verhältnismäßig aufwendig. Nach dieser Druckschrift ist daher die Verwendung von Laserpulsen mit konstanter Energie bevorzugt.The publication US 2002/0046994 A1 discloses a method for generating two-dimensional or three-dimensional images, in particular grayscale images. For this purpose, local pixels of various sizes are generated in a material by means of a laser. The laser is pumped in pulsed operation by a flashlamp. By opening a Q-switch delayed in time to the flash, laser pulses of desired intensity are generated. The control is relatively expensive. According to this document, therefore, the use of laser pulses with constant energy is preferred.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Steuern eines gütegeschalteten Lasers zur Verfügung zu stellen, durch welches die vorhergehend genannten Nachteile der verschiedenen Ansteuerverfahren des Lasers vermieden werden können.It Therefore, the object of the invention is a method for controlling a Q-switched Lasers available to provide, by which the aforementioned disadvantages of different driving method of the laser can be avoided.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1 bzw. durch eine Vorrichtung nach Anspruch 8.The Task is solved by a method according to claim 1 or by a device according to claim 8.

Dem erfindungsgemäßen Verfahren liegt die Überlegung zugrunde, daß die Intensität des Laserpulses durch die Länge der Laserpumpzeit bei geschlossenem Güteschalter vor dem Puls gesteuert werden kann. Zur Veranschaulichung dieses Zusammenhangs dient die schematische Darstellung der 1, bei der die Besetzungsdichte des angeregten Laserniveaus gegenüber der Zeit sowohl bei geöffnetem, wie auch bei geschlossenem Güteschalter dargestellt ist. Bei ständig geöffneten Güterschalter, d. h. im Dauerbetrieb des Lasers, wird durch die Anregung des Lasermaterials (optisches Pumpen) das obere Laserniveau so weit aufgefüllt, bis sich ein Gleichgewicht zwischen der Pumprate und der stimulierten Emission der Lichtquanten einstellt (Besetzungsdichte ns in 1). In der Folge bleibt die Intensität des Laserlichts konstant. Bei geschlossenem Güteschalter hingegen, d. h. wenn sich keine stehende Lichtwelle in dem Laserresonator ausbildet, wird die stimulierte Emission unterdrückt. Dadurch kann eine wesentlich höhere Besetzungszahl des oberen Laserniveaus erreicht werden. Theoretisch ist die Stärke des so erreichten Inversionszustandes nur durch das Erreichen eines Gleichgewichts zwischen Pumpleistung und spontaner Emission der Lichtquanten gegeben (Besetzungsdichte na in 1). Wenn bei diesem Zustand hoher Besetzungszahl der Güteschalter geöffnet wird und sich eine stehende Lichtwelle in dem Laserresonator ausbildet, wird durch stimulierte Lichtemission eine Lichtlawine ausgelöst. Es kommt zu einem sogenannten "Riesenimpuls", bei dem innerhalb kürzester Zeit die gesamte, durch den optischen Pumpvorgang bei geschlossenem Güteschalter gespeicherte Energie in Form von Lichtintensität von dem Laser emittiert wird. Da ein definierter Zusammenhang zwischen der Pumpzeit bei geschlossenem Güteschalter und der emittierten Laserintensität im folgenden Riesenpuls bei geöffnetem Güteschalter besteht, kann die abgegebene Intensität des Laserpulses durch Variation der Länge des Zeitintervalls, bei dem der Güteschalter geschlossen ist, exakt und reproduzierbar gesteuert werden.The inventive method is based on the consideration that the intensity of the laser pulse can be controlled by the length of the laser pumping time with closed Q-switch before the pulse. To illustrate this relationship, the schematic representation of the 1 , in which the occupation density of the excited laser level with respect to time is shown both in the open, as well as closed Q-switch. When the goods switch is constantly open, ie during continuous operation of the laser, the excitation of the laser material (optical pumping) fills the upper laser level until an equilibrium between the pumping rate and the stimulated emission of the light quantum is established (population density n s in FIG 1 ). As a result, the intensity of the laser light remains constant. By contrast, when the Q-switch is closed, ie when no stationary light wave is formed in the laser resonator, the stimulated emission is suppressed. As a result, a much higher occupation number of the upper laser level can be achieved. Theoretically, the strength of the inversion state achieved in this way is given only by achieving an equilibrium between pump power and spontaneous emission of the light quanta (population density n a in 1 ). If in this state of high occupation number of the Q-switch is opened and forms a standing light wave in the laser resonator, a light avalanche is triggered by stimulated light emission. It comes to a so-called "giant pulse", in which within a very short time the entire, stored by the optical pumping process with a closed Q-switch energy is emitted in the form of light intensity of the laser. Since there is a defined relationship between the pumping time with closed Q-switch and the emitted laser intensity in the following giant pulse with the Q-switch open, the emitted intensity of the laser pulse can be controlled precisely and reproducibly by varying the length of the time interval at which the Q-switch is closed.

In einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird das Zeitintervall, in dem der Güteschalter zur Abgabe des Laserpulses geöffnet wird, so bemessen, daß die innerhalb des vorhergehenden Zeitintervalls mit geschlossenem Güteschalter gespeicherte Energie im wesentlichen vollständig abgegeben wird.In a preferred embodiment of the method is the time interval in which the Q-switch opened to deliver the laser pulse is so dimensioned that the stored within the previous time interval with closed Q-switch Energy is essentially complete is delivered.

In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein Laser eingesetzt, dessen Dauerleistung (d. h. bei ständig geöffnetem Güteschalter) unterhalb einer Reaktionsschwelle liegt, bei der eine Schwärzung der zu bearbeiteten Werkstückoberfläche nicht stattfindet. Auf diese Weise ist alleine die gewählte Pumpzeit des Lasers, d. h. die Zeit, in welcher der Güteschalter vor dem Puls geschlossen bleibt, für den Grad der erzielten Schwärzung maßgeblich. Wie lange der Güteschalter geöffnet bleibt, spielt dann keine Rolle mehr, weil die zur Schwärzung beigetragene Intensität des Lasers ausschließlich innerhalb der ersten Nanosekunden des Laserpulses, d. h. unmittelbar nach Öffnen des Güteschalters, abgegeben wird.In a preferred embodiment a laser is used whose continuous power (that is, with the Q-switch) below a reaction threshold at which a blackening of not to machined workpiece surface takes place. In this way alone is the selected pumping time of the laser, d. H. the time in which the Q-switch the pulse stays closed, for the degree of blackening achieved prevail. How long the Q-switch open remains, then no longer plays, because the contributed to the blackening intensity the laser exclusively within the first nanoseconds of the laser pulse, d. H. immediate after opening the Q-switch, is delivered.

In dieser Ausführungsform kann der Güteschalter im wesentlichen während des gesamten Verfahrens ganz oder teilweise geöffnet bleiben und nur kurz vor Abgabe eines Laserpulses geschlossen werden.In this embodiment can the Q-switch essentially during of the entire procedure remain fully or partially open and only briefly be closed before delivery of a laser pulse.

In einer Ausführungsform wird der Güteschalter bei Abgabe des Laserpulses vollständig geöffnet. In einer alternativen Ausführungsform wird der Güteschalter bei Abgabe des Laserpulses teilweise geöffnet.In an embodiment becomes the Q-switch completely opened when the laser pulse is emitted. In an alternative embodiment becomes the Q-switch partially opened when the laser pulse is emitted.

Vorzugsweise wird mit dem erfindungsgemäßen Verfahren jeweils ein Bildpunkt des Graustufenbildes mit jeweils einem Laserpuls erzeugt.Preferably is with the method according to the invention one pixel each of the gray scale image, each with one laser pulse generated.

Das beschriebene Verfahren kann vorzugsweise mit einem gütegeschalteten Nd:YAG Laser durchgeführt werden. Die Güteschaltung erfolgt in einer bevorzugten Ausführungsform durch einen elektrooptischen Schalter, beispielsweise mit Kerr-Zellen oder Pockels-Zellen. Auch eine mechanische Einrichtung, wie einem Drehspiegel oder einem Drehprisma, ist erfindungsgemäß möglich.The described method may preferably with a Q-switched Nd: YAG laser performed become. The quality circuit takes place in a preferred embodiment by an electro-optical Switches, for example with Kerr cells or Pockels cells. Also a mechanical device, such as a rotating mirror or a rotary prism, is possible according to the invention.

Die Erfindung ist im Folgenden anhand einer bevorzugten Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren zeigen:The Invention is hereinafter based on a preferred embodiment closer to the drawings explained. In the figures show:

1 eine schematische Darstellung der Besetzungsdichte eines angeregten Niveaus im Lasermaterial bei geschlossenem Güteschalter und bei geöffnetem Güteschalter als Funktion der Zeit; 1 a schematic representation of the population density of an excited level in the laser material with a closed Q-switch and with the Q-switch open as a function of time;

2 eine schematische Darstellung der ausgegebenen Laserintensität als Funktion der Zeit bei Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens und 2 a schematic representation of the output laser intensity as a function of time in carrying out the method according to the invention and

3 eine schematische Darstellung der Laseranlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 3 a schematic representation of the laser system for carrying out the method according to the invention.

Bezug nehmend auf 3 ist eine schematische Anordnung einer Laseranlage gezeigt, die zum Erzeugen von Graustufenbildern nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Das Herzstück der Anlage bildet ein gütegesteuerter Nd:YAG Laser 2. Es handelt sich um einen Festkörperlaser, dessen laseraktives Material von einem mit Nd dotierten Yttrium-Aluminium-Granat gebildet wird. Der Gütefaktor des Resonators, d. h. die reziproke Dämpfung, läßt sich bei diesem Laser von außen steuern. Zu diesem Zweck befindet sich in dem Resonator ein Güteschalter, der beispielsweise durch ein elektrooptisches Bauteil, wie durch Kerr-Zellen oder Pockels-Zellen, oder durch einen mechanischen Drehspiegel realisiert sein kann. Der Öffnungsgrad des Güteschalters kann von außen über eine Steuerschaltung 4 eingestellt werden. Ein von dem Laser abgegebener Laserstrahl 6 wird auf eine Ablenkeinheit 8 gerichtet. In der Ablenkeinheit 8 befinden sich ein oder mehrere Drehspiegel, welche den Laserstrahl ablenken und auf eine gewünschte Stelle der Oberfläche eines Werkstücks 10 lenken. Auf der Werkstückoberfläche wird durch den Laserstrahl in Abhängigkeit von dessen Intensität eine Schwärzung hervorgerufen. Durch das sukzessive Belichten von vielen einzelnen Punkten kann auf diese Weise ein Graustufenbild in Pixelform erzeugt werden.Referring to 3 a schematic arrangement of a laser system is shown, which can be used to generate gray-scale images according to the inventive method. The heart of the system is a quality-controlled Nd: YAG laser 2 , It is a solid-state laser whose laser-active material is formed by a Nd-doped yttrium-aluminum garnet. The quality factor of the resonator, ie the reciprocal damping, can be controlled externally in this laser. For this purpose, located in the resonator, a Q-switch, which can be realized for example by an electro-optical component, such as by Kerr cells or Pockels cells, or by a mechanical rotating mirror. The opening degree of the Q-switch can from the outside via a control circuit 4 be set. A laser beam emitted by the laser 6 gets on a deflector 8th directed. In the deflection unit 8th There are one or more rotating mirrors, which deflect the laser beam and to a desired location of the surface of a workpiece 10 to steer. On the workpiece surface is caused by the laser beam depending on its intensity, a blackening. By successively exposing many individual points, a grayscale image in pixel form can be generated in this way.

Die Anlage wird folgendermaßen betrieben. Zunächst befindet sich der Güteschalter in dem Nd:YAG Laser in geöffneter Stellung. Dies heißt, die Intensität des ausgegebenen Laserlichts entspricht dem Dauerbetrieb (cw-Betrieb) des Lasers. Die Intensität des Laserlichts ist jedoch so dimensioniert, daß sie auf dem Werkstück noch keine Schwärzung hervorrufen kann. Dies wird entweder dadurch erzielt, daß ein Laser eingesetzt wird, dessen Dauerleistung so niedrig dimensioniert ist, daß selbst bei vollständig geöffnetem Güteschalter die ausgegebene Laserintensität eine Reaktionsschwelle des zu bearbeiteten Werkstücks nicht überschreitet. Wenn nur ein stärker dimensionierter Laser zur Verfügung steht, läßt sich diese Bedingung jedoch auch dadurch realisieren, daß der Güteschalter einfach nicht vollständig geöffnet wird, wodurch eine entsprechende Dämpfung der ausgegebenen Laserintensität erzielt wird.The Plant is as follows operated. First is the Q-switch in the Nd: YAG laser in open Position. This means the intensity of output laser light corresponds to continuous operation (cw operation) the laser. The intensity However, the laser light is dimensioned so that they still on the workpiece do not cause blackening can. This is achieved either by using a laser, whose continuous power is dimensioned so low that even at complete open Q-switch the output laser intensity does not exceed a reaction threshold of the workpiece to be machined. If only one stronger dimensioned laser is available, let yourself However, this condition also realize that the Q-switch just not complete open is achieved, whereby a corresponding attenuation of the output laser intensity is achieved.

Wie hoch die Dauerleistung des Lasers dafür gewählt werden kann, hängt einerseits von den Materialeigenschaften des zu beschriftenden Werkstücks ab und andererseits von der Geschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt wird. Wenn der Laserstrahl verhältnismäßig schnell über die Oberfläche geführt wird, erfolgt auch bei einer etwas höheren cw-Leistung des Lasers (oder bei einem etwas weiter geöffneten Güteschalter) noch keine Schwäzung des zu beschriftenden Materials. Um die Bedingung einzuhalten, daß die Laserleistung im Dauerbetrieb unterhalb einer Reaktionsschwelle des Werkstückmaterials liegt, ist es demnach beispielsweise ausreichend, die cw-Leistung so weit abzusenken, daß der Laserstrahl bei einer vorgegebenen Positionierungsgeschwindigkeit, mit welcher der Laserstrahl über die Werkstückoberfläche geführt wird, keine signifikante Schwärzung auf der Werkstückoberfläche erzeugt.As high the continuous power of the laser can be chosen for it, depends on the one hand From the material properties of the workpiece to be labeled from and on the other hand, on the speed at which the laser beam passes over the Workpiece surface is guided. When the laser beam is relatively fast over the surface guided is also done at a slightly higher cw power of the laser (or at a slightly wider open Q-switch) still no Schwäzung of the material to be labeled. To comply with the condition that the laser power in continuous operation below a reaction threshold of the workpiece material For example, it is sufficient, for example, the cw power to lower so far that the Laser beam at a given positioning speed, with which the laser beam over the workpiece surface is guided, no significant blackening generated on the workpiece surface.

Mit der Ablenkeinheit 8 wird der Laserstrahl auf eine gewünschte Oberflächenstelle des Werkstücks 10 gelenkt, auf der ein Bildpunkt mit einem vorgegebenem Graustufenwert erzeugt werden soll. Der Umstand, daß bei diesem Positioniervorgang der Laser noch im cw-Betrieb arbeitet, ist für das Werkstück wegen der Einhaltung der oben genannten Bedingung unschädlich. Anschließend wird der Güteschalter in dem Laser 2 durch die Steuerschaltung 4 für ein definiertes Zeitintervall geschlossen. Innerhalb dieses Zeitraums ist die Dämpfung in dem Laserresonator stark erhöht, so daß sich durch das weitere Anregen des Lasermaterials, wie bereits vorhergehend beschrieben, die Besetzungsdichte des angeregten Laserniveaus in dem Lasermaterial stark erhöht. Innerhalb dieser Zeit wird von dem Laser kein Licht nach außen abgegeben. Sobald eine gewünschte Energiemenge in dem laseraktiven Material gespeichert ist, wird der Güteschalter wieder geöffnet, und es kommt innerhalb kürzester Zeit zur Abgabe eines Riesenimpulses aus dem Laser mit einer Intensität, die der Länge des Zeitintervalls, welches der Güteschalter zuvor geschlossen war, entspricht. Der Laserpuls ruft an dem entsprechenden Punkt auf der Werkstückoberfläche eine Schwärzung hervor. Die Stärke der Schwärzung hängt letztlich nur von der Länge des gewählten Zeitintervalls ab, über das der Güteschalter zuvor geschlossen war. Anschließend kann bei weiterhin geöffnetem Güteschalter der Laserstrahl auf die Stelle des nächsten zu erzeugenden Bildpunkts auf der Werkstückoberfläche positioniert werden und das Verfahren erneut durchgeführt werden.With the deflection unit 8th the laser beam is at a desired surface location of the workpiece 10 steered, on which a pixel with a given grayscale value is to be generated. The fact that in this positioning process, the laser is still working in cw mode, is harmless for the workpiece because of compliance with the above condition. Subsequently, the Q-switch is in the laser 2 through the control circuit 4 closed for a defined time interval. Within this period of time, the attenuation in the laser resonator is greatly increased, so that the population density of the excited laser level in the laser material increases greatly as a result of the further excitation of the laser material, as already described above. Within this time, no light is emitted to the outside by the laser. Once a desired amount of energy is stored in the laser active material, the Q-switch is re-opened and within a very short time a giant pulse is emitted from the laser at an intensity equal to the length of the time interval which the Q-switch was previously closed. The laser pulse causes blackening at the corresponding point on the workpiece surface. The intensity of the blackening ultimately depends only on the length of the selected time interval over which the Q-switch was previously closed. Subsequently, with the Q-switch still open, the laser beam can be positioned on the location of the next pixel to be generated on the workpiece surface, and the method can be carried out again.

In 2 ist in einem schematischen Diagramm gezeigt, wie sich die Intensität des ausgegebenem Laserlichts als Funktion der Zeit bei diesem Vorgang darstellt. Zunächst befindet sich der Güteschalter in geöffneter (oder teilweise geöffneter) Stellung, und die ausgegebene Leistung des Lasers entspricht der Dauerleistung Icw des Lasers, die jedoch so gering ist, daß sie zu keiner Schwärzung auf dem Werkstück führt. In diesem Zustand kann der Laserstrahl über das Werkstück geführt werden, um ihn auf die gewünschte zu beschriftende Stelle auf der Werkstückoberfläche auszurichten. Abhängig von dem gewünschten Schwärzungsgrad wird der Güteschalter nun für ein Zeitintervall Δt1 geschlossen. Wie in 2 zu sehen ist, wird in dieser Zeit keine Intensität von dem Laser abgegeben. Das Zeitintervall Δt1 mit geschlossenem Güteschalter beträgt typischerweise zwischen 10 μs und 100 μs. Bei wieder geöffneten Güteschalter entsteht sofort ein Intensitätspeak 11, dessen Stärke zu der Länge des Zeitinter valls Δt1 korelliert ist. Die zeitliche Ausdehnung dieses Peaks ist typischerweise unter 1 μs. Anschließend fällt die abgegebene Laserintensität wieder auf den cw-Wert ab. Der Vorgang kann nun für den nächsten Bildpunkt wiederholt werden, wobei die Zeitintervalle Δt2 bzw. Δt3 zu Pulsintensitäten 12 bzw. 13 führen, durch die der gewünschte Schwärzungsgrad für die betreffenden Bildpunkte jeweils definiert wird.In 2 is a schematic diagram shows how the intensity of the output laser light as a function of time in this process. First, the Q-switch is in the open (or partially open) position, and the output power of the laser corresponds to the continuous power I cw of the laser, which, however, is so low that it will not cause blackening on the workpiece. In this state, the laser beam can be passed over the workpiece to align it to the desired location to be labeled on the workpiece surface. Depending on the desired degree of blackening, the Q-switch becomes now closed for a time interval Δt 1 . As in 2 can be seen, no intensity is emitted from the laser during this time. The time interval Δt 1 with a closed Q-switch is typically between 10 μs and 100 μs. When the Q-switch is opened again, an intensity peak is created immediately 11 , whose strength is correlated to the length of the time interval .DELTA.t 1 . The temporal extent of this peak is typically below 1 μs. The emitted laser intensity then falls back to the cw value. The process can now be repeated for the next pixel, the time intervals Δt 2 and Δt 3 to pulse intensities 12 respectively. 13 which defines the desired degree of blackening for each pixel.

Durch das Steuern der Laserpulsintensität über die Verschlußzeit des Güteschalters entfallt die Notwendigkeit, die Laserintensität ständig zeitgenau zu überwachen. Daher ist eine Meßeinrichtung zum zeitaufgelösten Überwachen der Laserintensität bei der Pulsabgabe bei diesem Verfahren entbehrlich.By controlling the laser pulse intensity over the shutter speed of the Q-switch eliminates the need to constantly monitor the laser intensity on time. Therefore, a measuring device for time-resolved monitoring the laser intensity dispensable in the pulse delivery in this method.

Claims (9)

Verfahren zur Steuerung der Energieabgabe eines Lasers (2) mit Güteschaltung zur Erzeugung eines Graustufenbilds auf einem Werkstück (10), wobei Laserpulse (11; 12; 13) unterschiedlicher Intensität durch Öffnen und Schließen eines Güteschalters im Resonator des Lasers (2) erzeugt werden, wobei die Intensität der Laserpulse (11; 12; 13) jeweils durch die Länge eines Zeitintervalls, in dem der Güteschalter vor Abgabe des Laserpulses geschlossen wird, gesteuert wird und mit einer Ablenkeinrichtung (8) ein Laserstrahl auf einer Werkstückoberfläche positioniert wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionierung des Laserstrahls auf der Werkstückoberfläche erfolgt, während der Güteschalter vollständig oder wenigstens teilweise geöffnet ist und der Laser im cw-Betrieb arbeitet, wobei die Dauerleistung des Lasers (2) bei geöffnetem Güteschalter unterhalb einer vorgegebenen Schwelle liegt, so daß eine Schwärzung der zu bearbeiteten Werkstückoberfläche beim Dauerbetrieb des Lasers nicht stattfindet.Method for controlling the energy output of a laser ( 2 ) with Q-switching for producing a grayscale image on a workpiece ( 10 ), whereby laser pulses ( 11 ; 12 ; 13 ) of different intensity by opening and closing a Q-switch in the resonator of the laser ( 2 ), wherein the intensity of the laser pulses ( 11 ; 12 ; 13 ) in each case by the length of a time interval in which the Q-switch is closed before the delivery of the laser pulse, is controlled and with a deflection device ( 8th ) positioning a laser beam on a workpiece surface, characterized in that the positioning of the laser beam on the workpiece surface, while the Q-switch is fully or at least partially open and the laser operates in CW operation, wherein the continuous power of the laser ( 2 ) is below a predetermined threshold with the Q-switch open, so that a blackening of the workpiece surface to be machined during continuous operation of the laser does not take place. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Zeitintervall, in dem der Güteschalter zur Abgabe eines Laserpulses geöffnet ist, so bemessen ist, daß die innerhalb des vorhergehenden Zeitintervalls, bei dem der Güteschalter geschlossen wird, gespeicherte Energie im wesentlichen vollständig in einem Laserpuls (11; 12; 13) abgegeben wird.Method according to Claim 1, characterized in that a time interval in which the Q-switch is opened to emit a laser pulse is dimensioned such that the energy stored within the preceding time interval at which the Q-switch is closed is essentially completely in a laser pulse ( 11 ; 12 ; 13 ) is delivered. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Güteschalter bei Abgabe der Laserpulse (11; 12; 13) unterschiedlicher Intensität vollständig geöffnet ist.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Q-switch on delivery of the laser pulses ( 11 ; 12 ; 13 ) of different intensity is fully opened. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Güteschalter bei Abgabe der Laserpulse unterschiedlicher Intensität teilweise geöffnet ist, wobei der Grad der Öffnung bei Abgabe aller Laserpulse gleich ist.Method according to one of claims 1 or 2, characterized that the Q-switch when the laser pulses of different intensity partially open is, the degree of opening is the same when dispensing all laser pulses. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Güteschalter vor Abgabe jedes Laserpulses (11; 12; 13) jeweils über ein Zeitintervall zwischen 1 μs und 1 ms, bevorzugt zwischen 10 μs und 100 μs geschlossen wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that the Q-switch before delivery of each laser pulse ( 11 ; 12 ; 13 ) is closed in each case over a time interval between 1 μs and 1 ms, preferably between 10 μs and 100 μs. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß auf einem Werkstück jeweils ein Pixel eines Graustufenbildes mit jeweils einem Laserpuls (11; 12; 13) erzeugt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized in that in each case one pixel of a gray scale image, each with one laser pulse ( 11 ; 12 ; 13 ) is produced. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Verfahren mit einem Nd:YAG Laser durchgeführt wird.Method according to one of the preceding claims, characterized characterized in that Procedure with a Nd: YAG laser is performed. Laseranlage mit einer Steuerschaltung (4) für einen Güteschalter zur Ausführung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche.Laser system with a control circuit ( 4 ) for a Q-switch for carrying out the method according to one of the preceding claims. Verwendung der Laseranlage nach Anspruch 8 zur Erzeugung einer Pixelbeschriftung in Graustufen auf einem Werkstück (10).Use of the laser system according to claim 8 for generating a pixel inscription in grayscale on a workpiece ( 10 ).
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