Aufbau und Test eines Messsystems zur Detektion thermischer Strahlung während der Lasermaterialbearbeitung

Abstract

Ein optisches Messsystem kann eine Prozessüberwachung und -regelung beim Laserstrahlschneiden schaffen. Die von der heißen Schneidfront emittierte Infrarot-Strahlung weist eine von deren Neigung abhängige Polarisation auf. Diese soll mit einem Messsystem erfasst und schnell digital ausgewertet werden. Zentrales Element dieses Systems ist ein SCPEM (Single Crystal Photo Elastic Modulator), der beim Schwingen in einer seiner Resonanzfrequenzen durch seine Doppelbrechung eine Änderung der Polarisation bzw. mit einem Analysator der Strahlungsintensität bewirkt. Dieser Intensitätsverlauf wird von einer Photodiode erfasst und das verstärkte Signal digitalisiert. Ein für diese Aufgabe bestehender Messaufbau wird dazu optisch für Wellenlängen im Nahen-Infrarot-Bereich umgerüstet. Die Ansteuerung des Kristalls wird überarbeitet und als Platine ausgeführt. Ein Gleichungssystem zur Berechnung der Intensität in Abhängigkeit von der Eingangs-Polarisation wird aufgestellt. Mit einigen Einschränkungen kann auf eine inverse Funktion geschlossen werden, die vom gemessenen Intensitätsverlauf auf die Polarisationsrichtung schließen lässt. Zur Realisierung einer funktionsfähigen Auswerteeinheit wird auf einem Messboard ein ausreichend schnelles Programm für die Auswertung der digitalisierten Signale und die damit durchgeführte Berechnung der Polarisationswerte entwickelt. Die Darstellung und das Speichern der berechneten Ergebnisse wird auf einem Computer durchgeführt, für die dafür nötige Kommunikation zwischen den beiden Geräten werden verschiedene Möglichkeiten verglichen und ein eigenes Protokoll für eine effiziente und sichere Datenübertragung definiert. Das dazu passend erstellte Messclient-Programm am Computer erfüllt mit seiner grafischen Oberfläche zahlreiche Aufgaben, unter anderem ermöglicht es die verschiedenen Einstellungen des Messprogramms, empfängt, visualisiert und archiviert die Polarisations-Messdaten und bietet Analysefunktionen für die gespeicherten Aufnahmen.

An optical measurement device could give the possibility to monitor and regulate a laser cutting machine. The hot surface at the front of the cut emits infrared radiation which polarisation depends on the angle of this surface. A measurement unit should capture and evaluate the polarisation. The main component is a SCPEM (Single Crystal Photo Elastic Modulator) that changes the polarisation when oscillating at one of its resonance frequencies because of its birefringence. When it's combined with an analyser, the resulting radiation has a changing intensity that can be detected with a photodiode, the amplified signal is then digitised. An existing test setup for this application is adapted for the use with infrared radiation. The control system of the crystal is revised and manufactured as a circuit board. A system of equations for the radiation intensity in dependence of the polarisation can be found. This system can be reversed and a function to calculate the polarisation angle from the measured intensity is possible with some limitations. To achieve a functioning evaluation unit for the measured signals, a fast program is developed on a measuring board. It evaluates the digital samples and calculates the current polarisation angle. This data is sent to a computer to store and display it. Different approaches for the communication are tested and a protocol for an efficient and secure data transfer is defined. A compatible program is created for a computer. It features a graphical user interface that gives the ability to set different options for the measuring program, it receives polarisation data to save and visualize it, and it can be used to analyse recorded measurements.