Research and development of methods/models and hardware for the monitoring of optical components contamination level along the beam path of a laser cutting machine

Today, the laser’s presence in modern technologies is ubiquitous. In industries, lasers are employed for a variety of material processing, including cutting, drilling, welding, brazing, surface hardening, cladding, alloying, and rapid manufacturing. Laser cutting is one of the largest applications of lasers in the metal-working industry and is a well-established universal cutting tool that enables the cutting of almost all known materials. One of the essential components of every laser cutting process is the laser cutting head, which is responsible for the laser beam focusing and delivery system through optical components made of fused silica with anti-reflection coating. Although high-purity materials are used, a small portion of the high-power laser beam is absorbed in the bulk of each optical component. This absorption leads to a temperature increase of the optical elements. Dirt particles, dust, or sputtered material from the workpiece can boost this temperature increase even more. Any imperfection in the optics can cause a worsening of the quality of the laser beam and consequently a deterioration in the quality of the cut. A very important problem is that typically it is not possible to know in real-time if any optical component is contaminated. So, in the absence of any type of sensor monitoring, the operator intervenes only when a disruptive event occurs. (i.e. systematic cut loss or inability to use the machine). It is extremely important to find a way to check the contamination level of each optical component remotely, without opening the cutting head unnecessarily. One possibility is to measure the temperature variation of the optical components when the laser is on. The more the optics are contaminated, the more power is absorbed and consequently, the higher will be the measured temperature. The integration of temperature sensors inside the laser cutting head gives the possibility to remotely obtain an estimate of the contamination level of each optical component inside the head as a function of its measured temperature variation and emitted power. Different methods can be developed in order to reduce costs and/or increase response time and precision. These can be still based on temperature measurement, but other possibilities can be studied.

Al giorno d’oggi, la presenza del laser nelle tecnologie moderne è onnipresente. Nelle industrie, i laser sono impiegati per un’ampia varietà di lavorazioni dei materiali, inclusi taglio, perforazione, saldatura, brasatura, tempra superficiale, rivestimento, leghe e produzione rapida. Il taglio laser è una delle maggiori applicazioni dei laser nell’industria della lavorazione dei metalli ed è uno strumento di taglio universale e consolidato che consente il taglio di quasi tutti i materiali conosciuti. Uno dei componenti essenziali di ogni processo di taglio laser è la testa di taglio, che è responsabile del sistema di focalizzazione e trasporto del raggio laser grazie ad opportuni componenti ottici fatti in silice fusa e con uno specifico rivestimento antiriflesso. Sebbene vengano utilizzati materiali di elevata purezza, una piccola parte del raggio laser ad alta potenza viene assorbita nel bulk di ciascun componente ottico. Questo assorbi- mento porta ad un aumento della temperatura e le particelle di sporco, polvere o materiale residuo dalla lavorazione possono aumentare ulteriormente la temperatura del componente. Qualsiasi imperfezione nell’ottica può causare un peggioramento della qualità del raggio laser e di conseguenza un peggioramento della qualità del taglio. Un problema molto importante è che in genere non è possibile conoscere in tempo reale se qualche componente ottico è contaminato. Quindi, in assenza di qualsiasi tipo di monitoraggio, l’operatore interviene solo quando si verifica un evento distruttivo (sistematica perdita di taglio o impossibilità di utilizzare la macchina). È estremamente importante trovare un modo per controllare a distanza il livello di contaminazione di ogni componente ottico, senza aprire inutilmente la testa di taglio. Una possibilità è misurare la variazione di temperatura dei componenti ottici quando il laser è acceso: più le ottiche sono contaminate, maggiore è la potenza assorbita e, di conseguenza, maggiore sarà la temperatura misurata. L’integrazione di sensori di temperatura all’interno della testa di taglio laser consente di ottenere una stima da remoto del livello di contaminazione di ogni componente ottico all’interno della testa in funzione della variazione di temperatura misurata e della potenza emessa. Diversi metodi possono essere sviluppati per ridurre i costi e/o aumentare i tempi di risposta e la precisione delle misurazioni. Questi possono essere ancora basati sulla misurazione della temperatura, ma altre possibilità possono essere studiate e implementate.