用于激光加工系统间距测量的装置和方法及激光加工系统
技术领域
本发明涉及一种用于给激光加工系统进行间距测量的装置和方法，特别是用于确定出激光焊接时蒸汽毛细孔(小孔)的深度，并且涉及一种激光加工系统，例如是用于借助于激光射束进行材料加工的系统，例如是用于激光切割或激光焊接的激光加工头。本发明尤其涉及一种具有光学相干断层扫描仪的激光焊接头。
背景技术
在借助于激光射束进行材料加工(例如激光焊接或激光切割)时，从激光源(例如激光导送纤维的末端)发出的激光射束借助射束引导及聚焦光学器件聚焦到要加工的工件上。作为标准，采用具有准直仪光学器件和聚焦光学器件的激光加工头，其中，激光是通过光纤(也称为激光源)供入的。在借助于激光进行材料加工的装置(例如激光加工头)中，激光穿过多个光学元件(例如透镜)。
对于激光深焊接工艺，在焊接过程期间沿着加工射束的射束轴线形成蒸汽毛细孔，也称为“小孔(Keyhole)”，并且被液态熔融物包围。这种蒸汽毛细孔的深度与焊入深度有关，也就是说，与焊接过程期间金属熔化的深度有关。这个深度非常令人感兴趣：一方面，它包含有关焊接连接强度的信息(也就是说，是否足够深地焊入)；另一方面，对深度的了解确保了焊缝在底侧不可见(也就是说，没有不希望的穿透焊接)。除了测量毛细孔深度之外，还可以检测工件在蒸汽毛细孔周围区域中的表面(凹凸形貌测量)。因此，例如可以在焊接过程之前立即定位焊缝，或者可以在焊接过程之后立即测量接缝顶部焊道的品质。
为了确定蒸汽毛细孔的深度(或焊入深度)，可以使用导引到蒸汽毛细孔中的测量射束。在此涉及到光学测量方法，其中，这种测量是基于来自蒸汽毛细孔末端的光的反向反射。由于蒸汽毛细孔通常具有很小的直径且非常尖锐地变细，因而蒸汽毛细孔中的测量光反射得很差，从而很少的光从干涉仪的对象臂反射回来。特别地，在进给速度高的情况下，蒸汽毛细孔会附加地强烈弯曲。
发明内容
本发明的任务是提供一种用于给激光加工系统进行间距测量的装置和方法、以及一种激光加工系统，特别是用于借助于激光射束进行材料加工的系统，例如激光加工头或用于激光切割或激光焊接的系统，所述装置和方法以及系统允许了高精度地进行间距测量(例如蒸汽毛细孔的深度测量)以及在导入区和/或导出区中的凹凸形貌测量。
上述任务通过独立权利要求的主题来实现。本发明的有利构型在从属权利要求中给出。
根据本发明的实施方式，提供了一种用于给激光加工系统(特别是激光焊接头或用于激光焊接的加工头)进行间距测量的装置。所述装置包括：配置成产生用于导引到工件上的初级射束的光源；配置成检测从工件反射的次级射束的至少一个探测装置；配置成放大所述初级射束和/或次级射束的至少一个光学放大器；和配置成评估在频域中的频谱分量之间的干涉的评估单元。特别地，所述评估单元可以配置成确定在激光加工过程中产生的蒸汽毛细孔的深度。所述装置可以包括光学相干断层扫描仪，例如频域相干断层扫描仪或傅立叶域相干断层扫描仪。
由从属权利要求、附图和本说明书中可得出优选的可选实施方式和本发明的特定方面。
所述光源优选包括光谱宽带的光源，例如至少一个超发光二极管(SLD)或超连续谱光源。所述评估单元可以配置成使用谱域相干断层扫描术(谱域OCT)进行评估。可替代地，可以使用具有周期性调谐的波长的单色光源(扫频光源OCT)，优选通过基于半导体的光学放大器(semiconductor optical amplifier)对初级射束补充放大。
所述至少一个光学放大器优选是光纤放大器、基于半导体的放大器、拉曼放大器、光学参数放大器、双向放大器或者是它们的组合。
这种间距测量装置优选包括用于将初级射束划分成多个初级射束的划分装置。所述划分装置可以包括至少一个多芯光纤和/或微透镜布置组件。所述划分装置优选配置成将所述初级射束(特别是经放大的初级射束)划分成多个初级射束。然后可将所述多个初级射束指向到工件上，从而，尽管蒸汽毛细孔有波动，但这些初级射束之一无论如何仍会进入到蒸汽毛细孔中。通过这种方式，可以提高用于求取至蒸汽毛细孔底部的间距的有效测量结果的数量(或有效量)。可以通过使用具有多个通道的多芯光纤(multi-core fiber)来实现划分成多个初级射束。可替换地，所述初级射束(特别是经放大的初级射束)可以例如通过透镜呈扇形散开，并且然后通过微透镜布置组件将其束集成多个初级射束。
优选地，所述光源和所述至少一个光学放大器顺序地布置，从而使得所述初级射束被引导到所述至少一个光学放大器中。譬如，所述至少一个光学放大器布置在所述初级射束的射束路径中，从而使得所述初级射束被直接引导到所述至少一个光学放大器中。
优选地，所述至少一个光学放大器布置在所述初级射束和所述次级射束所共用的射束路径中。例如，所述装置包括至少一个环行器，该环行器配置用于给所述初级射束和所述次级射束提供两个或更多个射束路径。所述至少一个环行器可以布置用于将所述初级射束引导到所述至少一个光学放大器中，并且将所述次级射束引导至所述探测装置。
优选地，所述至少一个环行器包括第一环行器和第二环行器，其中，所述至少一个光学放大器布置在所述第一环行器与所述第二环行器之间。例如，在所述第一环行器与所述第二环行器之间，可以针对所述初级射束提供第一射束路径，并且针对所述次级射束提供第二射束路径。
优选地，所述至少一个光学放大器布置在所述第一射束路径或所述第二射束路径中。
优选地，所述至少一个光学放大器包括第一光学放大器和第二光学放大器，其中，所述第一光学放大器设置在所述第一射束路径中，并且所述第二光学放大器设置在所述第二射束路径中。
优选地，所述至少一个光学放大器是双向光学放大器。
优选地，所述装置是光学相干断层扫描仪，并且包括用于提供对象臂和参考臂的分束器，其中，所述至少一个光学放大器布置在所述对象臂的射束路径中。
优选地，所述装置包括至少一个环行器，该环行器配置用于给所述初级射束和所述次级射束提供两个或更多个射束路径，其中，所述至少一个环行器布置在所述对象臂的射束路径中。所述至少一个光学放大器例如设置在所述至少一个环行器与所述探测装置之间，或者设置在所述分束器与所述至少一个环行器之间。在另一个示例中，所述至少一个光学放大器包括第一光学放大器和第二光学放大器，其中，所述第一光学放大器设置在所述至少一个环行器与所述探测装置之间，并且其中，所述第二光学放大器设置在所述分束器与所述至少一个环行器之间。
优选地，所述至少一个光学放大器布置在所述次级射束的射束路径中，从而使得所述次级射束被引导至所述探测装置。
优选地，所述至少一个探测装置包括第一探测装置和第二探测装置，其中，所述装置还包括第一分束器和第二分束器，其中，所述第一分束器配置用于提供对象臂和参考臂，并且其中，所述第二分束器配置用于将所述次级射束的至少一部分引导到所述第一探测装置中。例如，所述第二分束器可以布置在所述初级射束的射束路径中，或者可以布置在所述参考臂中。
优选地，所述装置包括环行器，该环行器配置用于给所述初级射束和所述次级射束提供两个或更多个射束路径，其中，所述环行器设置在所述至少一个光学放大器与所述第一分束器之间，并且其中，所述环行器配置用于将所述次级射束的至少一部分引导到所述第二探测装置中。
根据本发明的另一实施方式，提供一种激光加工系统(或用于激光焊接的激光加工头)。所述激光加工系统(或用于激光焊接的激光加工头)包括根据本发明记载的实施方式的间距测量装置。
根据另外的实施方式，提供一种用于给激光加工系统进行间距测量的方法。所述方法包括：将初级射束引导到工件上、将次级射束从工件引导至探测装置、光学放大所述初级射束和/或次级射束、以及评估在频域中的频谱分量之间的干涉。
优选地，所述方法还包括使用从工件反射的次级射束来确定出工件上的蒸汽毛细孔的深度或深度轮廓和/或工件的凹凸形貌。
根据本发明，将附加元件(即光学放大器)引入到射束路径中，以便光学放大所述初级射束、所述次级射束或这两个射束。借此能够使得具有低功率的宽带光源可用于FD-OCT(“傅立叶域光学相干断层扫描术”或“频域中光学相干断层扫描术”)，由此能够可靠地且高精度地确定出蒸汽毛细孔的深度。通过这种光学放大，尤其可以测量甚至更深的蒸汽毛细孔。
根据本发明的另一实施方式，提供一种用于给激光加工系统进行间距测量的装置。所述装置包括配置成产生被导引到工件上的初级射束的超连续谱光源、配置成检测从工件反射的次级射束的至少一个探测装置、和配置成评估在频域中频谱分量之间的干涉的评估单元。除了宽带光源的放大之外，所述装置还可以使用其他无需放大即可发射高的光功率的宽带光源，例如超连续谱光源。这些是基于对光纤中非线性效应的利用，这种非线性效应是由短而强烈的激光脉冲所引起的。在此可以实现瓦特范围内的平均功率或千瓦范围内的脉冲峰值功率。
附图说明
本发明的实施方式的示例在附图中示出并且在下面更详细地描述。其中：
图1示出了根据本发明的实施方式的工件的示意性截面图(上图)和工件的俯视图(下图)，用于呈现出焊接期间的蒸汽毛细孔和测量射束；
图2示出了来自光学相干断层扫描仪的蒸汽毛细孔的间距值(原始数据)；
图3示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统的示意图；
图4示出了蒸汽毛细孔的有效测量值随光源功率的增加而增加；
图5示出了根据本发明的实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置的示意图；
图6示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置的示意图；
图7示出了在光纤中设置放大器的可能性方案，该光纤用于光的正向和反向传输；
图8示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置的示意图；
图9示出了用于在对象臂中放大的替代方案；
图10示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置的示意图；和
图11示出了用于探测光源的光谱强度分布的装置。
在下文中，除非另外指出，否则相同的附图标记表示相同的元件以及具有相同功能的元件。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的实施方式的工件的示意性截面图(上图)和工件的俯视图(下图)，用于呈现出焊接期间的蒸汽毛细孔11和测量射束13。图2示出了来自光学相干断层扫描仪的蒸汽毛细孔的间距值(原始数据)。随着时间的增加，激光功率呈线性增加，因而毛细孔深度增加。
如图1所示，对于激光深焊接工艺，在沿着加工射束10的射束轴线进行焊接的过程中，会产生由液态熔融物12包围的蒸汽毛细孔11，该蒸汽毛细孔11也称为小孔(Keyhole)。蒸汽毛细孔的深度Td(下文也称为小孔深度)与焊缝深度或焊入深度Te有关。在进给方向20上观察，已固化的熔融物14位于液态熔融物12之后。
为了确定(例如在焊接过程期间的)焊入深度(或特别是蒸汽毛细孔11的深度)，光学相干断层扫描仪的测量射束13可以与加工射束10同轴地叠加，并且聚焦到蒸汽毛细孔11的开口中。入射光射到蒸汽毛细孔11的底部(或端部)，在该处被部分地反射，并且返回到光学相干断层扫描仪，借此能够以高精度测得蒸汽毛细孔11的深度Td。
由于相干断层扫描涉及到光学测量方法，因而这种测量是基于来自光从蒸汽毛细孔11端部的反向反射。由于蒸汽毛细孔11通常具有较小直径且非常尖锐地变细
从通常为4-6mm的焊入深度开始，相对于小孔底部的有效间距测量值迅速降低(参见图2中的右侧区域)。于是，就不再可能使用传统的OCT传感器来监测/调整焊入深度。典型地，在焊接进给的每0.1毫米间隔处的有效测量数据是有利的，以便获得完全的品质保证。例如，在6m/min(＝100mm/s)的焊接速度下，此间隔以1ms为单位。典型的传感器的测量率为70kHz，因此在此时间段内完成70次测量。
焊入深度较大时，测量有效量低是存在多种原因的：
1)在较大的焊入深度下，小孔在小孔底部处逐渐变细成直径为几微米的管。即使在测量光良好地聚焦的情况下，也只有一小部分光以无条纹的形式到达小孔底部，即，小孔壁没有反射或反射很少。
2)小孔的位置、宽度和深度以及其走向的笔直度在大约100-1000kHz处波动。在小孔壁处的一些反射使光往复传播，这变得越来越少。
3)小孔底部的深度在照射节拍周期期间的变化会使干涉条纹模糊，由此降低信号强度。
4)小孔反射的偏振方向会部分旋转，从而，在线性偏振输入时，来自参考臂的光不会产生干涉。
5)小孔中的金属蒸汽可以吸收光。
6)对于MHz范围内的测量率，例如为了在导入区中、在小孔中以及在导出区中执行顺序测量，那么需要更高的光强度，这是因为照射时间明显缩短。
为了避免上述缺点，根据本发明，将附加的元件(也即光学放大器)引入到射束路径中，以便光学地放大初级射束、次级射束、或这两个射束。借此使得具有低功率的频谱宽带光源可以用于FD-OCT(“傅立叶域光学相干断层扫描术(Fourier Domain OpticalCoherence Tomographie)”或“频域中光学相干断层扫描术(optische
在一种实施方式中，进入到小孔中的光量可以通过光学放大器从约50mW以系数10提高到约500mW。由此使得经反射的十倍测量光进入到探测装置中，并且从小孔反射的光的信号强度能够以系数3.16提高。在此应注意的是，可以假定信号强度相对于参考光与经反射的测量光的强度的乘积的平方根成比例：sqrt(I_ref*I_mess)。借此，测量信号明显高于通过探测装置的暗噪声所引起的噪声。如果由于ASE(也即自发发射的辐射)引起的OCT测量信号中的额外噪声以小于系数3.16被放大，则可以获得经改善的信噪比。
在另一实施方式中，可以首先放大初级射束(即测量射束)，并且然后将其划分成多个初级射束。然后，可以将这些多个初级射束对准工件，从而，尽管蒸汽毛细孔有波动，这些初级射束之一无论如何仍精确地进入到蒸汽毛细孔中。通过使用具有多个通道的多芯光纤(multi-core fiber)，可以将初级射束划分成多个初级射束。可替换地，可以将经放大的初级射束(例如借助透镜)呈扇形散开，并且然后通过微透镜布置组件集束成多个初级射束。在此，可以通过分束器(诸如双点分束器)来增大进入到蒸汽毛细孔(小孔)中的测量光的比例份额，但要以牺牲到达工件表面的测量光的比例份额为代价。
图3示出了根据本发明的实施方式的激光加工系统100的示意图。激光加工系统100包括激光加工头101和尤其是用于激光深焊的激光焊接头。
激光加工系统100可以包括用于产生加工射束10(也称为“激光射束”或“加工激光射束”)的激光装置110。特别是，根据在此描述的实施方式，激光加工系统100还包括间距测量装置200，特别是用于激光焊接过程中的蒸汽毛细孔的深度测量。激光加工头101构造成将加工射束10导引到工件1的加工区域上。激光加工头101可以具有准直透镜120，用于准直加工射束10。
间距测量装置200产生初级射束，该初级射束被导引到工件上，并且尤其是进入到小孔中。初级射束也可以称为“测量射束”或“光学测量射束”。测量射束的例如从小孔底部反射的一部分被称为“次级射束”。
间距测量装置200通常包括：配置成准直光学测量射束13(初级射束)的准直仪光学器件210、使经准直的光学测量射束13从光轴偏转的偏转光学器件220、和配置成将经偏转的光学测量射束13聚焦到工件1上的聚焦光学器件230。
在一些实施方式中，加工射束10和光学测量射束13可以是至少部分同轴的，并且特别是可以至少以部段方式同轴地叠加。例如，该装置200可以配置用于将光学测量射束13耦入到激光加工头101的射束路径中。光学测量射束13和加工射束10的合并可以发生在偏转光学器件220的下游和聚焦光学器件230的上游。
在可以与本发明描述的其他实施方式结合的典型实施方式中，准直仪光学器件210、偏转光学器件220和聚焦光学器件230集成到焊接头101中。例如，焊接头101可以包括集成到焊接头101中或安装在焊接头101上的准直仪模块102。准直仪模块102可以包括准直仪光学器件210和偏转光学器件220。聚焦光学器件230可以是针对加工射束10和测量射束13所共有的光学器件(例如聚焦透镜)。
根据一些实施方式，可以使激光加工系统100或其部分(例如焊接头101)沿着加工方向20运动。参照工件1，加工方向20可以是激光加工系统100(例如焊接头101)的切割方向和/或运动方向。特别地，加工方向20可以是水平方向。加工方向20也可以称为“进给方向”。
在典型的实施方式中，实时确定或测量蒸汽毛细孔的深度，这是基于光学相干断层扫描术的原理，该原理是在借助干涉仪的情况下利用了光的相干特性。特别地，装置200可以包括相干干涉仪或光学相干断层扫描仪。装置200可以包括评估单元240和(或配有)宽带光源(例如超发光二极管SLD)，该宽带光源将初级射束耦入到光波导体242中。在优选具有光纤耦合器的分束器244中，测量光被分裂成参考臂246和对象臂(也称为“测量臂”)，该对象臂通过光波导体248进入到焊接头101中。装置200还包括光学放大器，用于放大初级射束、次级射束或这两个射束，从而能够可靠地且准确地测得即使是很深的小孔。
准直仪光学器件210(也称为“准直仪模块”)用于准直从光波导体248出来的测量光(初级射束/光学测量射束13)。根据一些实施方式，焊接头101中的光学测量射束13可以与加工射束10同轴地叠加。然后可以借助于聚焦光学器件230将加工激光射束10和光学测量射束13聚焦到工件1上，该聚焦光学器件230可以是普通的透镜或聚焦透镜。在此，光学测量射束13的焦点位置和焦点直径可以通过偏转光学器件220这样来调设，以至于测量光被导引到蒸汽毛细孔中。从小孔反射回来的测量光(即次级射束)通过聚焦光学器件230成像到光波导体248的出射面/入射面上，并在光纤耦合器244中与从参考臂246反射回来的光叠加，然后再被导引回到评估单元240中。经叠加的光包含了有关参考臂246与对象臂之间的路径长度差异的信息。这些信息在评估单元240中进行评估，由此用户可以获得有关蒸汽毛细孔底部与例如焊接头101之间的间距的信息。
根据一些实施方式，装置200可以配置用于借助光学测量射束10测量到工件1(例如参照通过装置200所限定的参考点)的间距。特别地，装置200可以配置用于测量当焊接头101沿着加工方向20运动期间的间距变化。由此，例如可以建立蒸汽毛细孔的深度轮廓。对于测量蒸汽毛细孔的深度可替代地或附加地，可以进行工件1(例如焊缝)的凹凸形貌测量。根据一些实施方式，这种凹凸形貌测量可以用于探测错误和/或用于调节一个或多个工艺过程输入参量。这些工艺过程输入参量例如可包括激光加工头的加工速度、激光功率、激光聚焦和/或运行参数。
在一些实施方式中，可以在加工位置周围的区域中进行凹凸形貌测量。为此，光学测量射束13可以横向移动，并且可以同时记录高度信息。由此形成高度轮廓。激光加工中所关注的高度轮廓例如可以是在横向于进给方向的导入区中的凹凸形貌，以便例如识别应焊接的对接几何形状。此外，可以在导出区中测量横向于进给方向走向的凹凸形貌，以便检测在焊接过程中形成的焊缝的高度轮廓。
根据本发明的一些实施方式，在激光加工期间，测量射束在其击中位置方面可以移位。例如，装置200可配置用于：参照加工射束的加工方向20，在加工射束之前、在加工射束之后、或在加工射束的位置处在工件1上提供测量射束。可能的测量位置例如包括：从高能加工射束的进给方向看，在加工的上游、在加工区域中、以及在加工的下游。此外，在加工过程中，光学测量射束13可以通过高能加工射束的击中点相对于进给方向横向和纵向地移动。以此方式，可以得出在借助高能加工射束进行加工期间出现的蒸汽毛细孔的深度轮廓。
如参照图1和2所描述的，小孔深度的常规测量法会遇到如下问题：小孔的位置和深度的波动、小孔的狭窄和曲率、小孔反射的去极化、金属蒸汽的光吸收、以及在测量率较高的情况下照射时间较短。
为了解决上述问题，提高光量是有利的。图4示出了来自蒸汽毛细孔的有效测量值随着FD-OCT系统的光源的光功率增加而增加的情况。在所有测量中，蒸汽毛细孔具有相同的深度。在所示的功率范围内，可以看到近似线性关系。可认为的是，随着功率的增加，来自蒸汽毛细孔的有效测量值的数量会继续增加。与之不同的是，在光功率较高的情况下也可以测量更深的蒸汽毛细孔，这是因为此时仍有足够数量的有效测量值可用。
对于傅立叶域(频域)光学相干断层扫描术(FD-OCT)，使用具有一定光谱宽度且仍发射相干光的宽带光源。在此，例如可以使用超发光二极管(SLD)。相干光是必需的，借此使得在干涉仪的对象臂和参考臂的光发生叠加时产生干涉效果。需要频谱带宽，以便获得足够的轴向分辨率。这通过如下公式给出：
Δz＝2ln(2)λ02/(πΔλ)
Δz表示轴向分辨率，λ0表示中央波长，并且Δλ表示光谱半高处的整个光谱带宽(FWHM)(假定是高斯光谱)。
因此，由于线宽很小，因而排除了用于FD-OCT的激光器。发光二极管(LED)和其他宽带光源的相干长度太小。根据发射波长，SLD的最大可实现输出功率通常限制到几十毫瓦或几百毫瓦。如果SLD借助较高的电流来运行，以便实现较大的输出功率，则SLD会转变成激光运行，由此会显著降低光谱带宽，进而损失OCT系统的轴向分辨率。因此，为了借助FD-OCT测量焊入深度，没有功率强的光源可用来补偿在蒸汽毛细孔中发生的较大损耗。
正如对LED经常使用那样，将多个光源的光组合起来用于提高性能是不可替代的，这是因为只有来自同一光源的光能够与自身发生干涉。对于两个不同的SLD，这两个光波的相位不匹配。光学相干断层扫描术的一个应用领域是医疗技术，尤其是眼内的检查。为了避免在检查过程中对眼睛造成伤害，光功率必须很低，从而在该领域中无需开发具有高功率的OCT系统。同样对于纯凹凸形貌测量，不需要功率强大的光源，这是因为即使表面发生强烈散射或吸收，该表面总是还会反射回来足够的光以进行间距测量。表面的散射光比从小孔反射回来的光要强得多。
根据本发明，通过提供附加的元件(即光学放大器)解决了从蒸汽毛细孔反射回来的光功率过低的问题。光学放大器可以布置在根据本发明的装置中的不同位置处，以便光学地放大初级射束、次级射束或这两者。光源和光学放大器可以是相对彼此分开的元件。
一方面，来自光源的光可以被放大，从而更多的光被导引到蒸汽毛细孔中，进而更多的光被反射回去。另一方面，从蒸汽毛细孔反射回来的弱光在该弱光在光谱仪中被分光并在空间上分布到探测器行线之前可以被放大，由此进一步降低每个探测器像素的光功率。
接下来将描述用于光放大目的的各种实施方式。
图5示出了根据本发明的实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置500的示意图。在图5的装置500中实现了光源的放大。
装置500包括：配置成产生用于导引到工件上的初级射束的光源510、配置成检测从工件反射的次级射束的至少一个探测装置520、配置成放大初级射束和/或次级射束的至少一个光学放大器530、和配置成评估在频域中频谱分量之间的干涉的评估单元。装置500可以是用于频域的光学相干断层扫描仪(FD-OCT)。探测装置520和评估单元可以集成在一个系统组件中。例如，探测装置520和评估单元可以构成光谱仪。
使用所述装置500给激光加工系统进行间距测量的方法包括：将初级射束导引到工件上、将次级射束从工件导引至探测装置、光学放大初级射束和/或次级射束、以及评估在频域中频谱分量之间的干涉。该方法可以还包括：使用从工件反射的次级射束来确定出工件上的蒸汽毛细孔11的深度或深度轮廓和/或工件的凹凸形貌。
根据可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，光源510可以包括或者可以是超发光二极管(SLD)或超连续谱光源。典型地，所述至少一个光学放大器530可以是掺杂光纤放大器(DFA，doped fiber amplifier)、基于半导体的光学放大器(SOA，semiconductor optical amplifier)、拉曼放大器、光学参数放大器(OPA，opticalparametric amplifier)、双向放大器或它们的组合。
光源510和所述至少一个光学放大器530可以顺序地布置，从而使得初级射束被引导到所述至少一个光学放大器530中。譬如，所述至少一个光学放大器530可以布置在初级射束的射束路径中，从而使得初级射束直接从光源510引导到所述至少一个光学放大器530中。可以将光源510的强度如此适配，使得放大器530在最佳工作点中运行进而提供最佳信噪比。放大器中噪声的一个起因是：由于自发转变到基态的受激电荷载流子引起的经放大的自发发射(ASE，amplified spontaneous emission)，从而发射出一个光子，该光子被放大器介质中的其他受激发的电荷载流子放大。
为了降低ASE(或优化信噪比)，存在各种调设参数。一方面，放大器介质自身可以改变。因此，与基于半导体的放大器相比，光纤放大器通常具有更长寿命的激发态，因而更少的电荷载流子自发转变到基态，由此导致ASE更低。进一步地，放大器的泵浦功率可能会受到影响(在光泵浦放大器的情况下，泵浦波长也会受到影响)。此外，从待放大的光源出来进入到放大器中的光功率会影响ASE。另外，放大器设计可以针对各应用优化。
根据一些实施方式，装置500包括分束器540，用于提供对象臂550和参考臂560。分束器540优选具有光纤耦合器，从而初级射束被分裂成参考臂560和对象臂550，该对象臂550例如经由光波导体被引导到焊接头中。
在一些实施方式中，如图5(a)所示，装置500包括至少一个环行器570，该环行器570配置用于给初级射束和/或次级射束提供两个或更多个射束路径。特别地，环行器570可以配置用于分离往复传播的光波。图5(b)示出了没有环行器的装置的简化设计。
在本实施方式中，在对象臂和参考臂这两者中的光功率都被放大。因此有利的是，来自参考臂560的反向反射是如此少，以至于探测装置520(该探测装置520可以是光谱仪)不会过载。这可以要么通过对象臂与参考臂(进入到参考臂中的光较少)之间的经适配的耦合比例关系来实现，要么通过参考臂560中的减弱来实现。在光纤放大器的情况下，光功率可以增加两个以上的数量级。
图6示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置600的示意图。在图6的装置600中，在将光源(或光谱仪)与对象臂(或参考臂)连接的光纤(“公共路径光纤”)中发生放大。图7示出在用于光的往复传播的光纤中设置放大器的可能性方案。
根据一些实施方式，所述至少一个光学放大器530布置在初级射束和次级射束所共用的射束路径中，例如在将光源(或光谱仪)与对象臂(或参考臂)连接的光纤上。
装置600可以包括分束器540，用于提供对象臂550和参考臂560。通常，装置600包括至少一个环行器570，该环行器570配置用于给初级射束和次级射束提供两个或更多个射束路径。所述至少一个光学放大器530可以布置在环行器570与分束器540之间。所述至少一个环行器570可以进一步布置用于将初级射束引导到所述至少一个光学放大器530中，并且将次级射束引导至探测装置520(例如是光谱仪)。
根据本发明的实施方式，光在此既在前向路径上又在返回路径上经过放大器。例如，放大器可以双向运作，如图7d中的示例所示。光纤放大器不适用于双向运作。因此，在这里借助于环行器，使光可以在前向和/或返回路径上分开被放大。
根据一些实施方式，所述至少一个环行器可以包括第一环行器772和第二环行器774，其中，所述至少一个光学放大器布置在第一环行器772与第二环行器774之间。在图7a)至c)中，在第一环行器772与第二环行器774之间，针对初级射束提供第一射束路径，并且针对次级射束提供第二射束路径。
在图7a)的示例中，所述至少一个光学放大器包括第一光学放大器732和第二光学放大器734，其中，第一光学放大器732设置在第一射束路径中，而第二光学放大器734设置在第二射束路径中。换句话说，针对前向和返回路径都提供了单独的放大器。
根据另一实施方式，所述至少一个光学放大器730可以布置在第一射束路径或第二射束路径中。在图7b)中，所述至少一个光学放大器730布置在第一射束路径中。换句话说，(仅)初级射束被放大，也即放大仅发生在前向路径上。在图7c)中，所述至少一个光学放大器730布置在第二射束路径中。换句话说，(仅)次级射束被放大，也即放大仅发生在返回路径上。
在其他实施方式中，在环行器与分束器之间，针对初级射束和次级射束提供了唯一射束路径，其中，所述至少一个光学放大器是双向光学放大器736。这在图7d)中以示例性方式示出。
图8示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置800的示意图。在图8的装置800中，在对象臂550中进行放大。图8(a)示出了具有环行器570的装置800。图8(b)示出了没有环行器的简化装置。
装置800包括分束器540，用于提供对象臂550和参考臂560。所述至少一个光学放大器830可以布置在对象臂550的射束路径中。如果放大是在对象臂550中进行，则在此也可以考虑前向和返回光波。例如，图7所示的实施变型方式是可用的，其可以与这里描述的实施方式结合。
也可以将替代构型用于对象臂中的放大，这也允许了单独放大前向和/或返回光波。附加地，可以使用第二光谱仪来同时评估光分布的光谱形状。为此目的的示例如图9所示。
根据一些实施方式，装置900包括第一光谱仪920和第二光谱仪922。第一光谱仪920和第二光谱仪922可各自包括根据本发明的探测装置和评估单元。装置900还可包括第一分束器940和第二分束器942。第一分束器940可以提供对象臂550和参考臂560。通常，第一分束器940布置在光源510与至少一个环行器970之间。所述至少一个环行器970可以布置在对象臂550的射束路径中。第二分束器942可以连接至第一光谱仪920、第二光谱仪922、参考臂560和环行器970(例如，经由所述至少一个光学放大器930)。
在图9(a)的示例中，所述至少一个光学放大器930布置在所述至少一个环行器970与探测装置(或第一光谱仪920和第二光谱仪922)之间。特别地，可以将所述至少一个光学放大器930布置在所述至少一个环行器970与第二分束器942之间。在图9(b)的示例中，所述至少一个光学放大器930布置在所述至少一个环行器970与第一分束器940之间。
参照图9(c)，所述至少一个光学放大器包括第一光学放大器932和第二光学放大器934。第一光学放大器932布置在所述至少一个环行器970与探测装置(或第一光谱仪920和第二光谱仪922)之间。第二光学放大器934布置在第一分束器940与所述至少一个环行器970之间。
图10示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的间距测量装置1000的示意图。在图10的装置中，放大发生在探测之前。特别地，经对象臂和参考臂所调制的返回光波被放大。图10(a)示出了具有环行器570的装置。图10(b)示出了没有环行器的简化装置。
根据一些实施方式，所述至少一个光学放大器530布置在次级射束的射束路径中，从而使得经放大的次级射束被引导至探测装置520。在图10(a)和(b)的示例中，所述至少一个光学放大器530布置在环行器570与探测装置520之间。
根据本发明的实施方式，放大可以紧接在探测之前进行，也就是说，紧接在光谱仪之前进行。通过对象臂和参考臂所调制的光波被放大。如果光不经放大而进入到光谱仪中，则对其进行分光，并且分布成例如256、512、1024或2048个像素。这意味着：低的强度分布到探测器大量像素上，进而对于每个探测器像素只有一小部分原始光可用。因此，在探测器上会很快达到阈值，达到该阈值的话，信号则无法再与探测器噪声区分开。
相比之下，从对象臂和参考臂返回的全部强度在放大器上仍然可用。放大器还具有针对入射光的阈值，这是以低噪声的方式进行放大所必需的。但由于光在进入到放大器中时尚未进行分光，因而此阈值可能显著高于探测器像素的阈值。如果适当地选择了放大器中光放大的阈值(例如，通过经适配的泵浦功率或放大器设计)，则只有经调制的光的最大强度会明显被放大，由此使得干涉图案更明显，进而能够在光谱仪中更好地评估。即使对于不利的小孔形状或较大的深度(由此导致对象臂几乎没有光)，信号评估仍是可能的。如果还适当地选择了放大器的饱和特性，那么，一旦在小孔旁边例如测量到非常良好的反射面的话，光谱仪不会过载。
图11示出了根据本发明的另一实施方式的用于激光加工系统的装置1100的示意图。在图11中的装置中检测出强度分布。图11(a)示出了在放大之后立即进行检测。图11(b)示出了在参考臂560中的检测。
对于FD-OCT，可能需要了解到光源的光谱强度曲线。发射光谱通常在光谱上不是平坦的，而是在中心区域中具有最大值。在对探测到的干涉图案进行傅立叶变换之前，可以如此校正光谱，使得该光谱除了干涉结构之外在光谱上平坦地走向。为此，需要光源的光谱强度走向曲线。如果这种走向曲线随时间保持恒定，则可以仅一次检测且存储该走向曲线。但是，如果这种走向曲线随时间变化，则在每个测量节拍周期期间检测光谱形式会是有利的。图11示例性示出了在每个测量节拍周期期间探测从光源发出的光谱强度走向曲线的两种可能性方案例。
根据可以与本文描述的其他实施方式结合的一些实施方式，所述至少一个探测装置包括第一探测装置(或第一光谱仪1120)和第二探测装置(或第二光谱仪1122)。装置1100还可包括第一分束器1140和第二分束器1142。第一分束器1140可以配置用于提供对象臂550和参考臂560。第一分束器1140可以进一步配置用于例如经由环行器570将次级射束的至少一部分引导到第二探测装置(或第二光谱仪1122)中。第二分束器1142可以配置用于将初级射束的至少一部分引导到第一探测装置(或第一光谱仪1120)中。环行器570可以布置在所述至少一个光学放大器530与第一分束器1140之间。环行器570可以配置用于将次级射束的至少一部分引导到第二探测装置(或第二光谱仪1122)中。
在图11(a)的示例中，第二分束器1142布置在初级射束的射束路径中。特别地，第二分束器1142可以布置在环行器570与光源510之间(或者布置在环行器570与光学放大器530之间)。
在图11(b)的示例中，第二分束器1142布置在参考臂560中。特别地，第二分束器1142可以布置在第一分束器1140与第一探测装置(或第一光谱仪1120)之间。
根据本发明，将附加的元件(即光学放大器)引入到射束路径中，以便光学地放大初级射束、次级射束或这两个射束。借此可以使用具有低功率的宽带光源用于FD-OCT(“傅立叶域光学相干断层扫描术(Fourier Domain Optical Coherence Tomographie)”或“频域中光学相干断层扫描术(optische
一方面，经放大的光量可以用来增加测量频率，从而每单位时间可以执行更多测量，进而更多数据可用于统计评估。另外，可以缩短照射时间。小孔底部的轴向运动对频谱调制的影响以及由此所产生的频谱调制模糊(或不清晰)都会减少。另一方面，经放大的光量可以用于增加对象臂中的测量光的量(特别是进入到小孔中的测量光的比例份额)。
