Inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux.
De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, in het bijzonder van een hoog vermogen laserstraal.
Meer en meer wordt gebruik gemaakt van hoog vermogen laserstralen die via een optische vezel over grote afstanden worden getransporteerd, bij voorbeeld naar zogenaamde YAG lasapparaten of lasrobots. Het ontstaan van breuken of lekken in de optische vezel kan bij dergelijke hoge vermogens gevaarlijk zijn zodat bijzondere maatregelen worden genomen om deze breuken of lekken op te sporen. Een van de mogelijke beveiligingen zou erin kunnen bestaan het vermogen van de laserstraal aan het begin en op het einde van de optische vezel te bepalen en de vermogens te vergelijken. Een verschil in vermogen kan op een breuk wijzen.
Tot nogtoe zijn geen inrichtingen bekend die tegelijk voldoende kompakt zijn om in bestaande laserinstallaties te worden ingebouwd , een voldoend snelle antwoordtijd hebben en ook op hoge temperaturen van meer dan 200[deg.]C kunnen werken.
De uitvinding heeft als doel een dergelijke inrichting te verschaf f en .
Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de inrichting een meetlaserstraalbron bevat, een meetcel met een venster dat dwars op de energieflux gericht is en bij doorgang van de energieflux aan zijn oppervlak een klein gedeelte van de energieflux absorbeert, ten minste één optische vezel tussen de meetlaserstraalbron en de meetcel, die de meetlaserstraal op het oppervlak van het venster richt onder een hoek waarbij deze meetlaserstraal wordt gereflekteerd, een positiedetektor en een optische vezelbundel tussen de positiedetektor en de meetcel, voor het opvangen van de gereflekteerde meetlaserstraal waarvan de reflektiehoek afhangt van het vermogen van de energieflux.
De uitvinding maakt gebruik van het gekende fotothermische effekt. De absorptie van de energieflux aan het oppervlak van het venster zorgt voor een tempertuursgradient. Het is gekend dat de reflektiehoek van een laserstraal die onder een hoek op dit oppervlak gericht wordt afhangt van deze temperatuursgradient. In "Rev.Sci.Instrum." 57(6), Juni
1986 van American Institute of Physics, blz. 1126-1128 wordt in een artikel van F. Charbonnier en D. Fournier een experimentele meetinrichting beschreven voor het meten van deze fotothermische deflektie.
Deze meetinrichting wordt gebruikt voor het thermisch karakterizeren of de niet-destruktieve evaluatie van een staal en deze inrichting maakt dan ook geen gebruik van een venster, maar het te karakterizeren of te evalueren staal wordt in de meetcel geplaatst en de hoog vermogen laserstraal wordt op het staal gericht en er volledig door geabsorbeerd. Verder zijn de meetlaserstraalbron en de positiedetektor in de meetcel geplaatst en wordt geen gebruik gemaakt van optische vezels. Daardoor is deze experimentele meetcel niet alleen zeer omvangrijk, maar daarenboven niet bruikbaar bij hoge temperaturen.
Volgens de uitvinding kunnen door de optische vezels de meetlaserstraalbron en de positiedetektor op voldoende afstand van het oppervlak van het venster, hetzij in de meetcel hetzij bij voorkeur op afstand daarvan, worden geplaatst.
In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding, is de energieflux een hoog vermogen laserstraal en is de meetlaserstraalbron een bron die een meetlaserstraal met een andere golflengte dan deze van de hoog vermogen laserstraal, uitzendt.
In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding, is in de meetcel tegenover de optische vezelbundel een lens gemonteerd.
De meetlaserstraalbron is doelmatig een laserdiode. De positiedetektor is doelmatig een vierkwadrantsfotodiode of een CCD komponent.
Op de meetlaserstraalbron kan een modulator zijn aangesloten om de meetlaserstraal te moduleren om het aandeel van de ruissignalen te verminderen.
Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde figuur, die schematisch een doorsnede weergeeft van een inrichting volgens de uitvinding.
De inrichting voor het bepalen van het vermogen van een hoog vermogen laserstraal 1 weergegeven in de figuur, bevat in hoofdzaak een meetcel 2 met een venster 3, en op een afstand daarvan een omzetter die een meetlaserstraalbron 4 en een positiedetektor 5 bevat die respektievelijk door middel van een optische vezel 6 en een optische vezelbundel 7 op de meetcel 2 aansluiten.
De meetcel 2 bestaat uit een behuizing 8 waarin het venster 3 is gemonteerd. Dit venster 3 bestaat uit een doorzichtig medium 9 dat aan de zijde waarlangs de laserstraal 1 opvalt, bekleed is met een deklaag 10 die de te meten laserstraal 1 doorlaat maar bij doorgang van deze laserstraal 1 een zeer klein deel ervan absorbeert. Het een weinig absorberende oppervlak is loodrecht gericht op de binnenvallende laserstraal 1.
De behuizing 8 is van een doorgang 11 voorzien voor de optische vezel 6, die zo gericht is dat de invallende meetlaserstraal 12, die uit het einde van de optische vezel 6 gestraald wordt, onder een zulkdanige hoek op de deklaag
10 valt dat ze door deze deklaag 10 volledig wordt gereflekteerd.
De behuizing 8 is ook van een doorgang 13 voorzien waarin een einde van de optische vezelbundel 7 steekt. Door deze doorgang 13 is dit einde van de optische vezelbundel 7 zo gericht dat de gereflekteerde meetlaserstraal 14 door deze bundel kan opgevangen worden. Voor dit einde is in de meetcel 2 een lens 15 .gemonteerd en tussen deze lens 15 en het venster 3 een selektieve filter 16 voor de gereflekteerde meetlaserstraal 14. Deze filter 16 kan de beïnvloeding van de meetlaserstraal 14 door strooilicht, bijvoorbeeld van de te meten laserstraal 1, verminderen.
De optische vezelbundel 7 moet coherent zijn, dit wil zeggen dat er systematisch verband moet bestaan tussen de plaats waar de gereflekteerde meetlaserstraal 14 invalt op de vezelbundel en de plaats waar ze terug uit de vezelbundel treedt.
Als meetlaserstraalbron 4 kan een laserdiode worden gebruikt. De golflengte van de meetlaserstraal 12 verschilt bijvoorkeur van de golflengte van de te meten laserstraal
1. Hierdoor kan de beïnvloeding van de meetlaserstraal 12 door de te meten laserstraal 1 worden vermeden indien de filter 16 aanwezig is. De meetlaserstraal 12 kan eventueel worden gemoduleerd door de op de bron 4 aangesloten modulator 17 om het aandeel van ruissignalen te verminderen.
Als positiedetektor 5 kan een vierkwadrantsfotodiode of een CCD komponent worden gebruikt. De absorptie van een klein gedeelte van de te meten hoog vermogen laserstraal 1 op de deklaag 10 veroorzaakt een temperatuursgradiënt aan het oppervlak van het venster 3. De reflektiehoek van de gereflekteerde meetlaserstraal 14 hangt af van deze temperatuursgradiënt. Bij verandering van energieflux van de laserstraal 1 verandert dus de richting van de gereflekteerde meetlaserstraal 14. Deze verandering van richting wordt nog versterkt door de lens. De laserlichtverdeling over de optische vezels van de vezelbundel 7 hangt dus ook af van de richting van de meetlaserstraal 14 en verandert dus bij een verandering van de reflektiehoek. Door de positiedetektor kan de hoek van de reflektie worden bepaald, waaruit dan het vermogen van de te meten laserstraal 1 kan worden afgeleid.
Doordat de laserstraal 1 loodrecht op het venster 3 valt is er geen invloed van de polarisatieverdraaiing van de te meten hoog vermogen laserstraal 1. Deze loodrechte inval is wenselijk omdat bij transport van een gepolariseerde laserstraal door een vezel, de polarisatie bij buiging van de vezel kan veranderen hetgeen aanleiding zou kunnen geven tot een verandering van het meetsignaal. Bij schuine inval van een gepolariseerde laserstraal op een oppervlak kunnen er ook verschillen in lichtbreking optreden afhankelijk van de polarisatie.
De hiervoor beschreven inrichting laat een kompakte inbouw toe aangezien enkel de meetcel, die zeer kompakt is, in de te meten meetstraal moet worden gemonteerd en de meetlaserstraalbron 4 en de positiedetektor 5 niet samen met de meetcel 2 moeten worden gemonteerd. De verbinding, gevormd door de optische vezel 6 en de optische vezelbundel 7, tussen de meetcel 2 en de op een afstand daarvan gemonteerde meetlaserstraalbron 4 en positiedetektor 5 is buigbaar hetgeen de inbouw van de meetcel 2 vergemakkelijkt. Deze bron 4 en positiedetektor 5 bevinden zich hierdoor ook op een lagere temperatuur dan de meetcel 2 waarin de temperatuur tot 200 graden Celsius kan oplopen, een temperatuur waartegen de meetlaserstraalbron 4 en de positiedetektor 5 niet bestand zijn.
Door gebruik te maken van het fotothermisch effekt heeft de inrichting een zeer snelle antwoordtijd. Een dergelijke snelle antwoordtijd is bijvoorbeeld noodzakelijk om snel een eventuele breuk in een optische vezel gebruikt voor het transport van een hoog vermogen laserstraal te kunnen detekteren.
De beveiliging van het transport van een dergelijke laserstraal is één van de mogelijke toepassingen van de hiervoor beschreven inrichting voor het bepalen van een vermogen van een energieflux. Een dergelijke inrichting wordt gemonteerd aan de ingang en de uitgang van de optische vezel en de door de inrichtingen bepaalde vermogens worden met elkaar vergeleken. In geval van een verschil, wat kan wijzen op een breuk, wordt alarm gegeven.
Andere toepassingen kunnen bijvoorbeeld worden gevonden door de gemeten vermogeninformatie op te nemen in het kontrole- of beheersysteem van de laserstraal 1.
Hierbij kan worden rekening gehouden met de verandering van golfmodes van de hoog vermogen laserstraal tussen de ingang en de uitgang. Deze veranderingen kunnen ontstaan door buiging van de optische vezel. Alhoewel men bij hoog vermogen laserstralen, voor bijvoorbeeld lasapparaten, meestal over multimodelaserstralen beschikt, kan de nauwkeurigheid van de hiervoor beschreven inrichting voor het bepalen van het vermogen worden verhoogd door de meting meer gelijkmatig over de doorsnede van de te meten laserstraal 1 te integreren. Dit kan konkreet door als meetlaserstraal 12 een relatief brede bundel te gebruiken, of zelfs in een variante, tegelijk meerdere meetlaserstralen 12 tegelijk op het venster 3 te richten.
De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht, ondermeer wat betreft de vorm, de samenstelling, de schikking en het aantal van de onderdelen die voor het verwezenlijken van de uitvinding worden gebruikt.
Device for determining the power of an energy flux.
The invention relates to a device for determining the power of an energy flux, in particular of a high power laser beam.
Increasingly, use is made of high-power laser beams that are transported over great distances via an optical fiber, for example to so-called YAG welding machines or welding robots. The formation of breaks or leaks in the optical fiber can be dangerous at such high powers, so that special measures are taken to detect these breaks or leaks. One of the possible safeguards could be to determine the power of the laser beam at the beginning and at the end of the optical fiber and to compare the powers. A difference in power may indicate a break.
To date, no devices are known which are at the same time sufficiently compact to be built into existing laser installations, have a sufficiently fast response time and can also operate at high temperatures of more than 200 [deg.] C.
The object of the invention is to provide such a device.
This object is achieved according to the invention in that the device contains a measuring laser beam source, a measuring cell with a window directed transversely to the energy flux and absorbing a small part of the energy flux, at least one optical fiber between the energy flux on its surface, as the energy flux is transmitted at its surface. measuring laser beam source and the measuring cell, which directs the measuring laser beam onto the surface of the window at an angle whereby this measuring laser beam is reflected, a position detector and an optical fiber bundle between the position detector and the measuring cell, for collecting the reflected measuring laser beam, the reflection angle of which depends on the power of the energy flux.
The invention makes use of the known photothermal effect. The absorption of the energy flux on the surface of the window creates a temperature gradient. It is known that the reflection angle of a laser beam aimed at this surface at an angle depends on this temperature gradient. In "Rev.Sci.Instrum." 57 (6), June
1986 by American Institute of Physics, pp. 1126-1128, an article by F. Charbonnier and D. Fournier describes an experimental measuring device for measuring this photothermal deflection.
This measuring device is used for the thermal characterization or the non-destructive evaluation of a sample and therefore this device does not use a window, but the sample to be characterized or to be evaluated is placed in the measuring cell and the high power laser beam is placed on the steel and completely absorbed by it. Furthermore, the measuring laser beam source and the position detector are placed in the measuring cell and no optical fibers are used. As a result, this experimental measuring cell is not only very bulky, but in addition it cannot be used at high temperatures.
According to the invention, the optical laser source and the position detector can be placed at a sufficient distance from the surface of the window by the optical fibers, either in the measuring cell or preferably at a distance therefrom.
In a particular embodiment of the invention, the energy flux is a high power laser beam and the measuring laser beam source is a source emitting a measuring laser beam with a different wavelength than that of the high power laser beam.
In a curious embodiment of the invention, a lens is mounted in the measuring cell opposite the optical fiber bundle.
The measuring laser beam source is effectively a laser diode. The position detector is effectively a four-quadrant photodiode or a CCD component.
A modulator may be connected to the measuring laser beam source to modulate the measuring laser beam to reduce the proportion of the noise signals.
Other particularities and advantages of the invention will become apparent from the following description of an apparatus for determining the power of an energy flux according to the invention. This description is given by way of example only and does not limit the invention. The reference numbers refer to the appended figure, which schematically shows a cross-section of an apparatus according to the invention.
The device for determining the power of a high power laser beam 1 shown in the figure mainly comprises a measuring cell 2 with a window 3, and at a distance therefrom a converter containing a measuring laser beam source 4 and a position detector 5, respectively of an optical fiber 6 and an optical fiber bundle 7 to the measuring cell 2.
The measuring cell 2 consists of a housing 8 in which the window 3 is mounted. This window 3 consists of a transparent medium 9 which, on the side along which the laser beam 1 is visible, is covered with a covering layer 10 which transmits the laser beam 1 to be measured but which absorbs a very small part of it when this laser beam 1 passes. The low-absorbing surface is oriented perpendicular to the incident laser beam 1.
The housing 8 is provided with a passage 11 for the optical fiber 6, which is oriented such that the incident measuring laser beam 12, which is radiated from the end of the optical fiber 6, is at such an angle on the cover layer
10 it falls that it is completely reflected by this cover layer 10.
The housing 8 is also provided with a passage 13 into which an end of the optical fiber bundle 7 protrudes. Through this passage 13, this end of the optical fiber bundle 7 is oriented such that the reflected measuring laser beam 14 can be received by this bundle. For this end, a lens 15 is mounted in the measuring cell 2 and between this lens 15 and the window 3 a selective filter 16 for the reflected measuring laser beam 14. This filter 16 can influence the measuring laser beam 14 by scattered light, for example of the laser beam 1, reduce.
The optical fiber bundle 7 must be coherent, i.e. there must be a systematic relationship between the place where the reflected metering laser beam 14 enters the fiber bundle and the place where it exits the fiber bundle.
A laser diode can be used as the measuring laser beam source 4. The wavelength of the measuring laser beam 12 preferably differs from the wavelength of the laser beam to be measured
1. As a result, the influence of the measuring laser beam 12 by the laser beam 1 to be measured can be avoided if the filter 16 is present. The measuring laser beam 12 can optionally be modulated by the modulator 17 connected to the source 4 to reduce the proportion of noise signals.
As the position detector 5, a four-quadrant photodiode or a CCD component can be used. The absorption of a small part of the high power laser beam 1 to be measured on the cover layer 10 causes a temperature gradient on the surface of the window 3. The reflection angle of the reflected measurement laser beam 14 depends on this temperature gradient. When the energy flux of the laser beam 1 changes, the direction of the reflected measuring laser beam 14 thus changes. This change of direction is amplified by the lens. The laser light distribution over the optical fibers of the fiber bundle 7 thus also depends on the direction of the measuring laser beam 14 and thus changes with a change of the reflection angle. The angle of the reflection can be determined by the position detector, from which the power of the laser beam 1 to be measured can then be derived.
Because the laser beam 1 falls perpendicular to the window 3, there is no influence of the polarization rotation of the high-power laser beam 1 to be measured. This perpendicular incidence is desirable because, during transport of a polarized laser beam through a fiber, the polarization upon bending of the fiber can which could lead to a change in the measurement signal. In the case of oblique incidence of a polarized laser beam on a surface, differences in light refraction can also occur depending on the polarization.
The above described device allows a compact installation since only the measuring cell, which is very compact, must be mounted in the measuring beam to be measured and the measuring laser beam source 4 and the position detector 5 must not be mounted together with the measuring cell 2. The connection, formed by the optical fiber 6 and the optical fiber bundle 7, between the measuring cell 2 and the measuring laser beam source 4 and the position detector 5 mounted at a distance therefrom is flexible, which facilitates the installation of the measuring cell 2. As a result, this source 4 and position detector 5 are also at a lower temperature than the measuring cell 2 in which the temperature can rise to 200 degrees Celsius, a temperature at which the measuring laser beam source 4 and the position detector 5 cannot withstand.
By making use of the photothermal effect, the device has a very fast response time. Such a fast response time is necessary, for example, in order to quickly detect any breakage in an optical fiber used for the transport of a high power laser beam.
The protection of the transport of such a laser beam is one of the possible applications of the device described above for determining a power of an energy flux. Such a device is mounted at the input and output of the optical fiber and the powers determined by the devices are compared with each other. In the event of a difference, which may indicate a break, an alarm is triggered.
Other applications can be found, for example, by including the measured power information in the control or management system of the laser beam 1.
This can take into account the change of wave modes of the high power laser beam between the input and the output. These changes can be caused by bending of the optical fiber. Although high power laser beams, for example for welding machines, usually have multimode laser beams, the accuracy of the above-described power determination device can be increased by integrating the measurement more evenly over the cross section of the laser beam 1 to be measured. This can be done concretely by using a relatively wide beam as the measuring laser beam 12, or even aiming a number of measuring laser beams 12 simultaneously at the window 3 in a variant.
The invention is by no means limited to the above-described embodiments and many changes can be made to the described embodiments within the scope of the patent application, including as regards the shape, the composition, the arrangement and the number of parts used to realize the invention.