CN110799816B - 用于光束扫描的测量探针 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于扫描光束(10)或激光束的测量探针。该测量探针适合用于直接扫描具有非常高的功率的激光束以及适合用于确定具有高空间分辨率和高信噪比的光束(10)的几何参数，因为测量探针对测量探针内部的多次反射不敏感。为此，提出一种装置，该装置包括具有光束入射面(22)、光束出射面(23)、样品光出射面(25)以及探针区域(30)的扫描体(20)。该装置还包括检测器(40)和用于提供扫描体(20)与光束(10)之间的相对运动的装置。扫描体(20)是杆状的，并且由透明的导光材料组成。扫描体(20)具有用于在扫描体(20)上形成表面部分(27)的凹槽(21)，该表面部分(27)包括光束入射面(22)或光束出射面(23)。光束入射面(22)的法线方向(28)相对于光束出射面(23)的法线方向(29)以5°至20°范围的角度α倾斜。探针区域(30)布置在扫描体(20)的横截面平面(26')中，该横截面平面(26')位于凹槽(21)的区域中。横截面平面(26')中的扫描体(20)的横截面尺寸(D')是凹槽(21)外部的横截面平面(26)中的扫描体(20)的横截面尺寸(D)的至少50％。探针区域(30)具有光偏转结构。检测器(40)被布置用于检测至少一部分由探针区域(30)从光束(10)偏转的光束分量(15)。

Description

用于光束扫描的测量探针

技术领域

本发明涉及一种用于扫描光束或激光束的装置。本发明适合用于确定几何参数，例如光束或激光束的横截面中的强度分布、光束轮廓或光束直径。本发明能够实现直接扫描具有最大亮度且功率在千瓦级和数千瓦级的激光束，而无需事先衰减激光束。该装置可以用于在不同平面中扫描多个光束横截面，并且因此也可以用于确定光束参数乘积、光束传播因子或激光束的聚焦位置。由于降低了对测量探针内的干扰性光反射的敏感性，本发明能够实现以高信噪比和高精度来进行测量。

背景技术

为了描述光束或激光束，一方面使用积分参量，例如能量或功率。另外，还需要几何参数，以便描述光束的传播和可聚焦性。这样的几何参数例如是光束直径、光束轮廓、聚焦位置或光束参数乘积。光束参数乘积描述了光束腰部的半径(即例如可能存在于光束的聚焦平面中的最小光束半径)与光束的孔径角的乘积，因此是光束或激光束的可聚焦性的指标。同一事物的其他指标或名称是光束质量、光束质量指数、光束传播因子、模式因子或衍射指标。在使用光束工作的许多生产过程中，必须定期测量光束参数以进行质量控制。

为了确定光束参数，例如根据标准ISO 11146，光束的强度分布或相对功率密度必须在光束的几个横截面平面中通过具有空间分辨率的方式进行确定。

为了扫描光束的横截面平面中的强度分布，从现有技术中已知许多方法。测量的主要可能性是将光束引导到有空间分辨力的传感器上，例如引导到CCD相机上，并以此方式确定光束横截面中的强度分布。用有空间分辨力的传感器进行的这种直接测量不适合于较高功率的光束，因为功率较高时，直接置入光束中的传感器有可能将被破坏。然后必须先衰减光束。反过来，在光束衰减的情况下，必须付出非常大的努力以确保例如由于感应的热光学效应而不会被衰减装置改变光束特性。

因此，期望在聚焦区域中直接测量光束，以便精确地测量和检验例如在激光材料加工时影响过程的特性。

用于直接测量光束的常用方法是在光栅运动中扫描强度分布，例如通过一种装置逐行扫描，该装置从光束的一小部分中取样，并且将样品辐射引导到检测器上。

例如，DE 199 09 595 A1公开了这种类型的装置。其中，以针孔或小针孔扫描光束，其特点在于，在针孔后面布置了散射体，由此获得的测量信号较少依赖于待测量的辐射的入射方向。WO 2009/000500 A1中示出了这种类型的另一种装置。在这里，部分光束通过孔或空心针状扫描头从光束中耦合出来，该扫描头扫描光束横截面。借助透镜将部分光束引导至位置分辨的检测器，以便生成波前特定的测量数据。

测量装置的扫描头并非总是必须与移动装置耦合在一起。如果要测量由扫描仪光学器件产生的光束，则可以使用扫描仪光学器件的光束偏转装置，在光栅运动中引导光束通过扫描头上方。DE 10 2005 038 587 A1和DE 10 2011 006 553 A1例如公开了这样的装置和方法。

当要在光束聚焦范围内测量具有最高功率和亮度的光束的几何形状时，从具有高功率的光束或激光束中取样仍然有很大的困难。在已知的用于扫描光束的装置中，有必要以特定于位置的方式限制光束，以便从光束横截面的一小段中获得部分光束。这些边界可能是针孔、小孔、空心针、偏转镜或其边缘或支架或其他设备等。同时，辐射会暂时不可避免地落到边界上，也可能会在很高的功率密度下被破坏，如同可能在高亮度的光束的焦点处发生的那样，即使在扫描过程中光束仅在非常短的时间内落在边界上。因此，已知的装置不适合于在腰部区域或在具有非常高功率的激光辐射的聚焦范围内测量光束横截面。

WO 98/50196 A1公开了一种用于检测和计算聚焦的激光束的聚焦位置、轮廓和功率分布的装置。为此，用影响光的主体扫描光束。在所示的实施形式中，影响光的主体是横向于光束布置的光纤，该光纤将来自激光束的辐射分量偏转到光传感器上。在这种情况下，光纤不可避免地总是在一个方向上检测整个光束横截面，从而使得测量信号是一维积分的信号，因此在该方向上无法生成有空间分辨力的信号。在其它公开的实施形式中，影响光的主体被设计成反射性的，例如被设计成含银的，或吸收性的。因此，从WO 98/50196 A1已知的装置一方面不适合于最高功率和亮度的激光辐射，另一方面，所述装置不适合用于实现高的空间分辨率，因为本专利申请说明书没有提供关于影响光的主体上或影响光的主体中的精确定义的相互作用几何结构的信息。

用透明探针扫描光束的另一个问题是，例如由于待扫描的光束的多次反射，会在扫描体中产生干扰性的散射光，从而限制了测量精度。

因此，例如，专利US 6 476 908 B1公开了用于测量光束中的强度分布的不同类型的光探针。其中示出的光探针的一些实施形式由诸如板或块的基材组成，其中布置了光漫射元件，例如气泡。为了避免菲涅耳反射，建议在基材的正面使用抗反射涂层。然而，抗反射涂层降低了损伤阈值。作为基材的材料公开的材料，例如透明的塑料或玻璃，不适合用于高功率激光束。常规的光学玻璃可以被聚焦的激光束熔化。菲涅耳反射也可能发生在基材的背面。通过基材内的多次反射，如US 6 476 908 B1的图7D所示，可以产生额外的散射光，该散射光叠加在测量信号上并降低了测量精度。

DE 10 2015 016 240 B3也公开了一种用于利用杆状或盘状的透明测量探针扫描光束的装置。在其中公开的测量探针，也可能由于光束出射面上的反射而导致在检测器信号中发生干扰。为了减少这种干扰，提出可以使光束出射面相对于光束倾斜。在此，没有说明可以以何种方式形成倾斜的光束出射面，以及继而倾斜反射的光束分量可能会导致哪些问题，例如由于将反射的光束分量向检测器的方向传播可能会增加检测器背景信号。作为用于减少光束与反射的光束分量自重合的问题的替代方法，在引用的专利中提出了将探针区域布置成尽可能靠近光束出射面。然而，在光束被探针区域扫描之前，要测量的光束可能必须传播更长的路径通过扫描体。这又可能由于折射和热光学效应而导致光束特性发生不希望的变化，从而导致扫描结果不准确。

因此，现有技术中已知的装置和方法在激光功率或功率密度非常高的情况下在可用性、可实现的空间分辨率和/或在测量精度或信号-干涉光距离方面具有明显的缺点。

发明内容

因此，本发明的任务在于，提供一种用于扫描光束的测量探针，该测量探针适合用于确定高功率或高功率密度的激光束的几何参数，并且对散射光和有错误的信号不敏感，从而能够实现确定空间分辨率高且信噪比高的几何参数。

为了实现该任务，提出了一种用于扫描光束的装置，该装置包括具有光束入射面、光束出射面、样品光出射面以及探针区域的扫描体。该装置还包括检测器和用于提供扫描体与光束之间的相对运动的装置。在这种情况下，扫描体在纵向轴线方向上是杆状延伸的，并且由对光束透明的导光材料组成。扫描体具有用于在扫描体上形成表面部分的凹槽。该表面部分包括光束入射面或光束出射面。光束入射面的法线方向相对于光束出射面的法线方向以5°至20°范围的角度倾斜。扫描体包括探针区域。在这种情况下，探针区域布置在扫描体的横截面平面中，该横截面平面位于凹槽区域中。在布置了探针区域的横截面平面中的扫描体的横截面尺寸是在凹槽外部的横截面平面中的扫描体的横截面尺寸的至少50％。探针区域具有光偏转结构。布置了检测器，用于检测至少一部分由探针区域从光束偏转的光束分量。

位于凹槽区域中的横截面平面中布置有探针区域，该横截面平面垂直于扫描体的纵向轴线布置，并且邻接由凹槽形成的表面部分。凹槽外部的横截面平面也垂直于扫描体的纵向轴线布置。

根据本发明的一方面，由凹槽形成的表面部分的尺寸大于探针区域的尺寸。因此，扫描光束时减少了可能由于表面部分的边缘引起的干扰。

由凹槽形成的表面部分的尺寸也可以比探针区域的尺寸大至少十倍。

提供了一种本发明的实施形式，其中扫描体在纵向轴线方向上的长度至少是扫描体的横截面尺寸的四倍。

探针区域到具有样品光出射面的扫描体的后端的距离可以是扫描体的横截面尺寸的至少三倍。

还提供了一种实施形式，其中探针区域在纵向轴线方向上到扫描体的前端的距离至少是扫描体的横截面的一半尺寸。

提供了一种实施形式，其中探针区域到光束入射面的距离最大为扫描体的横截面尺寸的十分之一。

在一种可能的实施形式中，探针区域的光偏转结构由多个结构细节构成。

探针区域的光偏转结构可以通过聚焦的短脉冲激光来产生。

探针区域的尺寸可以小于要扫描的光束的最小光束横截面的一半尺寸。

此外，还提供了实施形式，其中在扫描体的样品光出射面和检测器之间布置有用于光收集的装置。在这种情况下，用于光收集的装置可以包括以下元件中的至少一个：透镜、梯度折射率透镜、凹面镜、光导或波导。

在一种可能的实施形式中，扫描体与探针区域间隔开并且还另外具有第一线形探针区域，该第一线形探针区域具有光偏转结构。

在另一种可能的实施形式中，扫描体与探针区域间隔开并且还另外具有第二线形探针区域，该第二线形探针区域具有光偏转结构。在这种情况下，可以在第一线形探针区域和第二线形探针区域之间布置探针区域。

用于提供相对运动的装置可以是扫描仪设备，借助该扫描仪设备光束可以在扫描体上移动。

在本发明的另一种可能的实施形式中，扫描体可借助用于提供相对运动的装置在横向于纵向轴线的第一运动方向和第二运动方向上运动，该第二运动方向独立于第一运动方向并且通过第一运动方向覆盖扫描表面。

用于扫描光束的第一运动方向可以通过扫描体围绕旋转轴线旋转来产生。

用于扫描光束的第二运动方向可以通过旋转轴线的平行位移来产生。

还提供了一种实施形式，其中可以通过扫描体的振动运动产生用于扫描光束的第一运动方向。

扫描体可以在垂直于第一和第二运动方向的第三运动方向上运动。

在一种可能的实施形式中，装置还包括用于记录来自检测器的时变信号的装置，以及用于从光束的以下参数组中确定至少一个参数的评估装置，这些参数组为：光束直径、光束轮廓、光束横截面中的强度分布、沿光束的轴线的多个位置处的光束直径、发散角、光束参数乘积、传播因子、轴向焦点位置、焦点直径。

该装置可用于确定激光束的空间尺寸。

附图说明

将参考以下附图对本发明进行更详细的描述，而不局限于所示出的实施形式和示例。还提供了其中可以组合在不同的附图中示出的特征的实施形式。图中显示：

图1：根据本发明的用于扫描光束的装置的示意图。

图2：本发明的可能的实施形式的示意图，其具有用于样品光的偏转镜和用于产生扫描运动的旋转轴线。

图3：从现有技术已知的扫描仪的示意图，其中由于被反射的入射到探针区域的光辐射而可能产生散射光。

图4：从现有技术中已知的另一种具有楔形形状的扫描仪的示意图，其中由于反射的光辐射可能会产生散射光，该光辐射在扫描仪中被全反射引导并且可以被检测器接收。

图5：具有凹槽的根据本发明的装置的扫描体的基本实施形式的示意图。该图在三个不同的视图中示出了光束入射面、光束出射面和探针区域之间的几何关系。

图6示出了根据本发明的装置的扫描体的实施形式的示意图，其中示出了受扫描体的凹槽影响的光束传播。通过扫描体的几何形状来确保反射的光从探针区域偏离，并且反射的光可以再次离开扫描体而不会碰到检测器。

图7：具有近似高斯型轮廓的光束经过计算的扫描过程图，与用具有根据本发明的凹槽的扫描体进行扫描相比(如图5或图6所示)，其由已知的扫描仪扫描(如图3所示)。

图8：示出了通过具有不同长度的不同扫描体的光束经过计算的扫描过程的几个图。

图9a：当光束到达探针区域时，光束在根据本发明的扫描体中传播的示意图。

图9b：在光束仍然在测量场中但没有到达探针区域的情况下，光束在根据本发明的扫描体中传播的示意图。

图9c：在光束位于测量场外部并且反射的部分可以到达探针区域的情况下，光束在根据本发明的扫描体中传播的示意图。

图10：以三个不同视图示出了扫描体的第一可能的实施形式的图示。

图11：扫描体的第二可能的实施形式的图示。

图12：扫描体的第三可能的实施形式的图示。

图13：扫描体的第四可能的实施形式的图示。

图14：扫描体的第五可能的实施形式的图示。

图15：扫描体的第六可能的实施形式的图示。

图16：扫描体的第七可能的实施形式的图示。

图17：扫描体的第八可能的实施形式的图示。

图18：具有透镜的本发明的实施例的图示，该透镜将样品光出射面成像到检测器上。

图19：具有透镜的本发明的另一个实施例的图示，该透镜将探针区域成像到布置在检测器前面的光阑上。

图20：本发明的另一个实施例的图示，其具有凹面镜作为用于光收集的装置。

图21：本发明的另一个实施例的图示，其在扫描体上具有附加的斜面用于使样品光偏转到检测器上。

图22：本发明的另一个实施例的图示，其在扫描体中具有样品光偏转区域并且具有用于将样品光成像在检测器上的透镜。

图23：以两个不同视图示意性示出了扫描体的局部区域，其具有探针区域的放大图。

图24：沿着三个扫描轨迹的光束的经过计算的扫描过程图。

图25：以两个视图示意性示出了扫描体的局部区域，该局部区域具有探针区域和两个附加的线形探针区域，该线形探针区域从探针区域侧向偏移并且被设置用于产生参考信号。

图26：通过扫描体计算出的光束沿着三个扫描轨迹的扫描过程图，该扫描体除了探针区域之外还具有另外两个线形的探针区域。

图1示出了本发明的示意图。具有轴线11的激光束或光束10入射到扫描体20的光束入射面22，该扫描体20由透明的光学材料构成，并且在纵向轴线19的方向上具有杆状的基本形状。杆状扫描体20在纵向轴线19的方向上具有长度L，并且横向于其长度具有横截面尺寸D。扫描体20在其中也有光束入射面22的前部区域中具有凹槽21。凹槽21在扫描体20上形成表面部分27。在所示的实施形式中，光束出射面23位于表面部分27内。光束出射面23的法线方向29相对于光束入射面22的法线方向28倾斜角度α。光束10传播通过扫描体20，并且经由光束出射面23再次从扫描体20射出。扫描体20包括具有光偏转结构的探针区域30。当光束10入射到探针区域30时，光束10的一部分在探针区域30的光偏转结构上沿其他方向偏转。以这种方式从光束10中取样。被偏转的光17的一部分可以在它离开扫描体20的方向上偏转，而不入射到检测器40上。被偏转的光15的另一部分在这种方向上偏转，其中被偏转的光15在扫描体20内被引导至样品光出射面25，被偏转的光15在该样品光出射面25离开扫描体20。被偏转的光15的至少一部分被检测器40检测到。为了避免在检测器40上产生非期望的外来光，样品光出射面25和检测器40可以一起被盖48围起来。扫描体20和光束10可以在多个空间方向51、52、53上相对于彼此移动。

图2以局部透视图示意性地示出了本发明的实施例。扫描体20在此具有例如圆柱形的基本形状。为了在光束10和扫描体20之间产生相对运动51，将扫描体20可旋转地安装在旋转轴线61上，该旋转轴线优选可平行于光束10的轴线11对准或布置。为了在光束10和扫描体20之间产生进一步的相对运动52，将扫描体20和旋转轴线61耦合到移动装置上，使得光束10的轴线11与旋转轴线61之间的距离62是可调节的。在旋转轴线61上布置了偏转镜43，该偏转镜43将经由样品光出射面25传播的被偏转的光15在检测器40的方向上偏转。优选地，偏转镜43与扫描体20刚性耦合，因此也绕旋转轴线61旋转。然而，也布置在旋转轴线61上的检测器40不必与扫描体20和偏转镜43刚性耦合，而是优选与移动装置耦合，该移动装置产生相对运动52，从而使检测器40的位置保持在旋转轴线61上。用于记录信号的装置70记录与所接收的样品光15成比例地由检测器40产生的信号。用于记录信号的装置70还可以包括用于信号评估的装置。

图3示出了具有探针30的从现有技术中已知的扫描仪20。待扫描的光束10通过入射面22进入扫描仪中并入射到探针30上。同时产生散射光15，该散射光可以被检测器接收。在已知类型的扫描仪中，待扫描的光束10的一部分在扫描仪的出射面23处被反射。反射的光束13通过扫描仪20传播回光束入射面22，在该光束入射面22处，光束可以再次被部分反射，并且大部分离开扫描仪。光束分量18继续在与光束10相反的方向传播。反射的光束13可以在返回路径上穿过扫描仪入射到探针30上，从而有助于散射光15。由于光束在此期间被传播并且具有不同的直径，因此反射的光束13的散射光分量使扫描信号失真。

图4示出了具有探针30的另一种从现有技术中已知的扫描仪20。该扫描仪具有楔形形状，并且探针位于扫描仪逐渐变细的前部区域中。在此，待扫描光束10被简化为单独的线示出。在这种类型的扫描仪中，光束在离开扫描仪时会以一定角度反射，从而使得反射的光束13可以经过探针30传播。然而，在楔形扫描仪20内部的反射的光束13的每一次进一步反射中，辐射的角度都改变，使得在非常少数量的反射之后，也已超过了全反射角度并且光束分量不能再离开扫描仪20。该光束分量可以被检测器接收，并因此导致不期望的背景信号。

图5以三个不同视图详细示出了根据本发明的装置的实施形式的具有凹槽21和探针区域30的扫描体20的前部区域。例如，扫描体20具有沿着纵向轴线19延伸的圆柱形的基本形状。圆柱形的基本形状的横截面，即在凹槽21的区域之外的扫描体20的横截面平面26中的横截面在这种情况下是圆形的，并且具有横截面尺寸或直径D。凹槽21例如可以是在扫描体的前部区域中的倾斜延伸的第一切口，使得扫描体20的横截面朝圆柱形杆的前端逐渐变细。扫描体20的前端是扫描体的端部，该端部与具有样品光出射面25的后端相对。在其中布置有探针区域30的横截面平面26'中，横截面为截圆，并且横截面尺寸D'相应地减小。凹槽21可以布置在具有光束入射面22的扫描体20的上侧，或者如图5的实施例中那样，布置在具有光束出射面23的扫描体20的下侧。在这种情况下，由凹槽21形成的表面部分27包括光束出射面23。探针区域30布置在光束入射面22上或布置在扫描体20内，该扫描体在光束入射面22附近且与光束入射面22相距距离d。具有探针区域30的横截面平面26'与扫描体20的前端相距距离s。光束入射面22和光束出射面23彼此倾斜地延伸。光束入射面22的法线方向28和光束出射面23的法线方向29彼此成角度α布置。角度α可以在5°至20°的范围内。光束入射面22和/或光束出射面不必是平坦的，而是也可以具有曲率。在所示的实施例中，光束入射面22是扫描体20的圆柱形外表面的部分区域。相对于该表面的法线方向应理解为在该表面的点上的局部法线方向，其中测量场轴线24穿过各个表面。测量场轴线24是垂直于纵向轴线19的假想线，其延伸通过探针区域30，与纵向轴线19相交并且将光束入射面22与光束出射面23连接起来。测量场12围绕测量场轴线24延伸。光束入射面22和光束出射面23分别至少在测量场12上延伸。

图6更详细地示出了不同的光束分量在根据本发明的扫描体20中的传播。待扫描的光束10通过光束入射面22进入扫描体20，并入射到探针区域30。在这种情况下，通过使来自探针区域30的光束的一部分偏转，从光束10中取样。偏转的光束分量15可以在扫描体20中传播到样品光出射面25，然后被检测器接收。最初的光束10在扫描体中传播到光束出射面23并离开扫描体20。光束10的一部分在扫描体20的出射面23处反射并在扫描体内返回。由于入射面22和出射面23之间的角度，反射的光束13是倾斜的，因此不会到达探针区域30，从而不会产生错误的散射光分量。反射的光束13可以在扫描体20中以锯齿形路线传播，并且在扫描体的外表面上的每次反射时都被衰减，这是因为最大的光束分量18在每次入射时都被透射并且从扫描体20中逃出。在几次反射之后，反射的光束13被衰减，使得实际上不可再对其进行测量。因此，当扫描体20的长度足够长时，倾斜反射的光束13不会在检测器上产生散射光。

图7示出了用已知的扫描仪扫描光束时错误的信号的作用。图7示出了在扫描仪穿过光束移动期间由检测器接收的信号。因此，该信号表示穿过光束的单个扫描轨迹。虚线曲线表示用现有技术已知的无凹槽的扫描仪产生的信号。对数刻度可以识别出信号由两个信号分量组成：由较宽的约弱两个数量级的信号分量叠加而成的中央高信号脉冲。相比之下，实线表示相同光束的信号，该光束用根据本发明的具有凹槽的扫描仪扫描。在此，信号仅由没有背景分量的中央高信号脉冲组成。因此，光束被根据本发明的扫描体更加精确地扫描，该扫描体具有凹槽，而没有错误的信号分量。

图8示出了在用不同的扫描体扫描光束时的信号。根据本发明，所有扫描体都装备有凹槽，但是具有不同的长度L。在此可以看出，某些信号曲线具有均匀的散射光底面。扫描体的长度越短，散射光底面越高。如果扫描体的长度L至少是扫描体的横截面尺寸D的四倍，则背景信号是极小，以至于实际上不可再对其进行测量。然后，信噪比则大于四个数量级。

与图6类似，图9a，9b和9c示出了不同光束分量在扫描体20中的传播。在此，待扫描的光束10被简化示出为没有横向扩展的单个光束。图9a，9b和9c在所示的光束10和扫描体20的相对位置彼此不同。

在图9a中，光束10精确地入射到探针区域30。同时从光束10中取样并产生样品光15。在光束出射面23上反射的光束13相对于最初的光束10的轴线11倾斜，因此不能到达探针区域30。

在图9b中，光束10在探针区域30外部落在扫描体上，但是在测量场12内。在光束出射面23上反射的光束13相对于最初的光束10的轴线11倾斜得足够远，从而没有到达探针区域30。

在图9c中，光束10在探针区域30外部落在扫描体上，以至于反射的光束13到达探针区域30，因此产生错误的散射光15，该散射光15可以被检测器接收。然而，由于光束10已经在测量场12的外部，所以错误的散射光信号不会影响光束轮廓的重建。

图10至图17示例性地示出了扫描体20的各种可能的实施形式。为了便于理解，在每个图中的扫描体20以三个不同的视图示出：示出了扫描体的横截面形状(左)的xz平面中的正视图，沿扫描体的纵向轴线的yz平面中的侧视图(右)和空间视角的斜视图(底部)。

图10中的扫描体20具有圆柱形的基本形状。凹槽21布置在探针区域30下方的扫描体20的下侧，从而使得由凹槽21形成的表面部分27包括光束出射面23。光束出射面23的法线方向29在y-z平面中相对于光束入射面22的法线方向28以角度α倾斜。

图11所示的扫描体20也具有圆柱形的基本形状。在此，凹槽21布置在扫描体20的上侧，使得由凹槽21形成的表面部分27包括光束入射面22。光束入射面22的法线方向28在y-z平面中相对于光束出射面23的法线方向29以角度α倾斜。

图12示出了具有圆柱形的基本形状的扫描体20的另一种可能的实施形式。在此，在扫描体20的上侧也布置了凹槽21，在扫描体20的下侧布置了第二凹槽21'，从而使得在扫描体20上形成两个倾斜的表面部分27和27'。其中一个表面部分27包括光束入射面22，而另一个表面部分27'包括光束出射面23。同样，光束入射面22的法线方向28在y-z平面中相对于光束出射面23的法线方向29以角度α倾斜。

在图13所示的实施形式中，与图10中的实施形式类似，扫描体20在下侧上具有凹槽21。与此不同的是，光束出射面23的法线方向29不在y-z平面中，而在x-z平面中相对于光束入射面22的法线方向28以角度α倾斜。因此，如所示的实施例所示，凹槽21可以在扫描体20的整个长度上延伸。

图14中的实施形式可以与图10中的实施形式相比，其中扫描体20在此不具有圆柱形的基本形状，而是具有六面体形状的基本形状。因此，扫描体20的横截面是矩形或正方形的。

杆状的扫描体20也可以具有其他横截面形状。因此，图15示例性地示出了具有六边形的基本形状的扫描体20，即具有六角形的横截面的杆体。

图16示出了具有圆柱形的基本形状并且在下侧上具有凹槽21的扫描体20，其中表面部分27倾斜成使得扫描体20的横截面不朝向杆的端部而是朝向扫描体的中心逐渐变细。

最后，图17还示出了另一个扫描体20，该扫描体具有圆柱形的基本形状并且在下侧上具有凹槽21。在本实施例中，由凹槽21形成的表面部分27均匀地弯曲。

图18示出了本发明的另一个可能的方面。在本实施例中，在样品光出射面25与检测器40之间布置了用于光收集的装置44。用于光收集的装置44可以是透镜，该透镜在所示的实施例中将样品光出射面25成像到检测器40上。当检测器40未布置成与样品光出射面25直接相对时，或者当扫描光线10时检测器40不与扫描体一起移动时，本发明的所示的方面可以用于优化样品光检测。通过将样品光出射面25成像到检测器40上既可以检测到被探针区域30直接往样品光出射面偏转的样品光分量15，又可以检测到在扫描体20内部被全反射引导的样品光分量16。

同样在图19所示的本发明的实施例中，用于光收集的装置44布置在样品光出射面25和检测器40之间。此外，在检测器40的前面还布置了光阑46。用于光收集的装置44将探针区域30成像到光阑46上。一方面可以通过透镜的聚光效果来提高被检测器40检测到的光分量，另一方面将探针区域30在检测器40前面的光阑46上的成像来致使选择接收到的光分量。通过该样品光选择，可以隐藏非期望的散射光。然而，也可能存在这样的光束部分16，它们虽然被扫描体20内部的全反射引导至样品光出射面25并构成原则上期望的样品光的一部分，但是由于通过光阑46的成像而进行的选择而被遮蔽了且无法到达检测器40。

用于光收集的装置44也可以同时形成为偏转镜43，如图2示意性所示。在这种情况下，样品光15借助于被设计为凹面镜的偏转镜43被收集，并在检测器40的方向上偏转并成像。如果通过扫描体20绕旋转轴线61的旋转产生相对运动51，则具有使样品光偏转的布置是有利的。偏转镜43和检测器40可以布置在旋转轴线61上。在此，检测器40不需要与旋转运动耦合。

图21示出了一个实施例，其中偏转镜43被构造成扫描体20的一部分。在这种情况下，样品光偏转区域36以倾斜表面的形式构造在扫描体20上，在该倾斜表面上，样品光15通过全反射被偏转到样品光出射面25和检测器40。

在图22所示的实施例中，样品光偏转区域36被构造在扫描体20内部。例如，样品光偏转区域36可以是具有光偏转或光散射结构的区域。另外，也如图22所示，用于光收集的装置44，例如透镜，可以布置在样品光出射面25与检测器40之间。

图23示出，探针区域30可以由多个结构细节31构成。这样一来，探针区域30可以有针对性地被赋予期望的密度分布和/或形状或轮廓。在所示的实施例中，由结构细节形成的探针区域30是球形的，具有直径作为尺寸33。

图24示出了相对于光束10的轴线11关于探针区域30或扫描体20的x位置绘制的来自检测器40的信号的图。也就是说绘制了信号，该信号例如在运动方向51上扫描时获得，更确切地说是针对三个不同的y位置，即沿着运动方向52的三个位置。在此，模拟了具有基本上为高斯型光束轮廓的光束的扫描。因此，绘制的这三条曲线示例性地示出了来自三个彼此平行偏移的扫描轨道的信号。因此，当扫描轨迹被足够密集地放置时，可以在被扫描的平面中重建二维的光束轮廓。

作为另一个实施例，图25示出了扫描体20，该扫描体20除了探针区域30之外还具有两个另外的线形探针区域35、35'，它们从探针区域30横向偏移。线形的探针区域35、35'的长度大约对应于测量场12的尺寸。在本实施例中，线形的探针区域35、35'布置在测量场12的外部，但是也可以布置在测量场12的内部。因此，当沿运动方向51扫描光束10时，连续产生多达三个信号脉冲。第一和最后一个信号脉冲，即由线形的探针区域35、35'产生的信号，可以作为参考信号用于同步扫描轨迹。

图26示出了如图24所示的光束的模拟的扫描过程图。图26所示的信号是在利用具有两个附加的线形探针区域的扫描体扫描光束时产生的，如图25所示。即使y位置移动，但由线形的探针区域产生的信号脉冲在每次扫描时也大致相同，这是因为线形的探针区域在y方向上延伸。因此，基于由线形的探针区域35、35'产生的信号，即基于第一信号脉冲和最后的信号脉冲可以使信号曲线彼此精确地相关，例如通过“叠加”曲线来使其相关。这样可以纠正扫描运动中的抖动。通过这种方式也可以补偿光束10的缓慢均匀的移动。

参考标记列表:

10光束；11光束轴线；12测量场；13在光束出射面上反射的光束；15在朝向检测器的方向上被偏转的光束分量(样品光)；16被偏转的光束分量；17被偏转的光束分量；18光束分量；19纵向轴线；20扫描体；21凹槽；21'凹槽；22光束入射面；23光束出射面；24测量场轴线；25样品光出射面；26扫描体的横截面平面；26'凹槽区域中的扫描体的横截面平面；27表面部分；27'表面部分；28光束入射面的法线方向；29光束出射面的法线方向；30探针区域；31结构细节；33探针区域的尺寸；35线形的探针区域；35'线形的探针区域；36样品光偏转区域；40检测器；43偏转镜；44用于光收集的装置；46光阑；48盖；51垂直于纵向轴线的第一运动方向；52第二运动方向；53第三运动方向；61旋转轴线；62光束轴线和旋转轴线之间的距离；70用于记录信号的装置；

具体实施方式

本发明提出一种针对该问题的解决方案，即在应用具有非常高功率的光束或激光束时，从现有技术中已知的用于光束分析的装置是不准确的或可能被破坏，并且可能会由于散射光而导致结果，例如由于有错误的信号的多次反射导致结果。相反，提供一种用于扫描光束的装置，该装置适合用于确定高功率或高功率密度的激光束的几何参数，其对散射光不敏感并且能够实现以高信噪比进行测量。

为了解决该问题，提出了一种用于扫描光束10的装置，该装置包括扫描体20、探针区域30、检测器40以及用于提供相对运动的装置。扫描体20由对光束10光学透明的材料构成。扫描体20具有光束入射面22、光束出射面23和样品光出射面25。扫描体20具有杆状的基本形状，即在纵向轴线19的方向延伸长度L。垂直于纵向轴线19，扫描体20具有横截面尺寸为D的横截面平面26。垂直于纵向轴线19的扫描体的横截面形状可以不同，例如可以是圆形、椭圆形、正方形、矩形、五边形、六边形或基于其他多边形。扫描体20具有凹槽21，该凹槽在扫描体20上形成表面部分27。表面部分27包括光束入射面22或光束出射面23。光束入射面22、光束出射面23和探针区域30位于比第二端(后端)更靠近扫描体20的第一端(前端)的区域中。光束入射面22和光束出射面23彼此相对地布置在扫描体20的外表面上。

扫描体20包括具有光偏转结构的探针区域30。与布置在光束出射面23上相比，探针区域30布置成更靠近光束入射面22。在本发明的一种实施形式中，探针区域30到入射面22的距离d小于或最多等于横截面尺寸D的十分之一。探针区域30到扫描体20的第一端(前端)的距离s可以是横截面尺寸D的至少一半。与纵向轴线19垂直相交的假想线延伸穿过探针区域30并形成测量场轴线24。测量场轴线24穿通光束入射面22和光束出射面23。测量场12围绕测量场轴线24延伸。在测量场12的区域中有可能没有故障地扫描光束10。光束入射面22和光束出射面23至少在测量场12上延伸。测量场12可以被定义成使得在评估时仅考虑那些对应于测量场12内的光束10的位置的探测器信号。

根据本发明，光束入射面22的法线方向28相对于光束出射面23的法线方向29以5°至20°范围的角度α倾斜。稍后将解释该角度范围的特殊效果和意义。因此，光束入射面22和光束出射面23彼此成角度地布置。这是通过以下方式来实现的，即光束入射面22或光束出射面23位于由扫描体20上的凹槽21形成的表面部分27中。为了形成这种几何形状，扫描体20以及凹槽21可以具有不同的形状，这些形状各自可以彼此组合。图10至图17示出了根据本发明的扫描体20的多个实施例。光束入射面22和/或光束出射面23也可以是弯曲的。在这种情况下，各个表面的法线方向应理解为在入射面或出射面的点中的局部法线方向，在该点测量场轴线24穿通各个表面。

探针区域30布置在其中的横截面平面26'位于凹槽21的区域中。应被理解成横截面平面26'邻接由凹槽21形成的表面部分27。换句话说，凹槽21界定横截面平面26'，使得横截面平面26'接触由凹槽21形成的表面部分27。

在其中布置有探针区域30的扫描体20的横截面平面26'中，扫描体20具有横截面尺寸D'，该横截面尺寸由于凹槽21而可以小于在凹槽外部的扫描体20的区域中的横截面尺寸D。相对于在凹槽21外部的扫描体20的横截面平面26中的横截面尺寸D，横截面尺寸D'最多减少50％。

光束10可以经由光束入射面22进入扫描体20，传播通过扫描体20，并再次在光束出射面23处射出。光束入射面22和光束出射面23基本上是光滑的和抛光的，以避免非期望的散射光。根据扫描体20和光束10的相对瞬时位置，光束可以入射到探针区域30。在这种情况下，光束的一部分由于探针区域30的光偏转结构而偏转或散射，从而从光束10中取样。被偏转的光15的一部分可以在扫描体20中传播到样品光出射面25，并在那里离开扫描体。样品光出射面25布置在比第一端(前端)更靠近扫描体20的第二端(后端)的区域。例如，样品光出射面25可以是杆状的扫描体的后端表面。但是样品光出射面25也可以布置在后端附近的扫描体20的圆周上；在这种情况下，样品光出射面25是扫描体20的圆周表面的部分区域。

探针区域30可以布置在扫描体20内部或直接布置在光束入射面22上。探针区域30可以被设计成体积或被构造成扁平的。当扫描光束10时，存在探针区域30的有效表面，该有效表面由探针区域30在光束10的轴线11的方向上的二维投影来定义。因此，有效面积是探针区域30在垂直于光束10的轴线11的表面上的二维投影。该有效表面决定了从光束10的横截面中获取的样本有多大。探针区域的二维投影在运动方向51和52上可以具有近似相等的尺寸33。探针区域30的二维投影例如可以是正方形，圆形或多边形。因此，探针区域30本身例如可以是长方体、矩形盘、球形、椭圆体、圆形盘或椭圆形盘。

扫描体20的光学透明材料具有低吸收性和高热机械稳定性。优选地，当照射通过扫描体20时，光束10的总吸收小于0.1％或小于1000ppm(ppm＝百万分率)。合适的材料例如是石英玻璃，特别是采用合成方法生产的石英玻璃、蓝宝石以及其他具有高透射率的水晶玻璃和光学玻璃。当使用石英玻璃时，可以实现特别低的吸收率；许多石英玻璃的吸收小于100ppm/cm，有时小于10ppm/cm。

扫描体20的探针区域30中的材料可以是与扫描体20的光学透明材料相同的材料。在探针区域30外部，光束10不受干扰地传播通过透明材料。在探针区域30内，光束10通过光偏转结构而有一小部分在其他方向上偏转。结构的光偏转效果可以基于折射、反射或散射。为此，例如，在探针区域30内，材料的密度或折射率可以具有局部变化。光偏转结构也可以由粗糙的界面或表面形成。光偏转结构还可以由材料中的空腔、裂纹或其他缺陷形成。探针区域30中的材料也可以是完全不同于扫描体20的材料的其它材料或是部分不同于扫描体20的材料的其它材料。探针区域30中的材料也可以有掺杂。探针区域30的光偏转结构也可以通过荧光转换器在探针区域30的材料中形成，使得被偏转的光15具有与光束10不同的波长。探针区域30中的光偏转结构不必是均匀的、各向同性的或空间恒定的。探针区域30中的光偏转结构也可以由单个的或多个结构细节31形成。结构细节31例如可以是材料中的微观裂缝或空腔，或者是材料在密度、折射率或掺杂方面的微观改变。

例如，探针区域30可以仅由单个结构细节31组成。但是，探针区域30也可以由多个结构细节31组成，例如如图23所示。在这种情况下，结构细节可以在空间上部分重叠，但是它们也可以彼此隔开。从每体积单位的结构细节31的数量得出结构的空间密度。结构的密度越高，结构的光偏转效果越大，即被偏转的光分量越大。结构细节的空间密度的分布函数可以通过结构细节31在探针区域30内的有针对性的分布来适合不同的要求。例如，结构细节的空间密度的分布函数可以相对于探针区域30的中心径向对称。

用于产生探针区域30的一种可能性是所谓的玻璃内部雕刻。在这种情况下，超短脉冲的激光束在光学透明材料内部聚焦在非常小的，例如衍射极限的光斑上。由于在此过程中会出现极端的脉冲功率密度，因此可能会在聚焦区域中产生缺陷。在此，通过利用非线性效应，可以狭窄地限制材料的变化范围。因此有可能产生尺寸在大约1微米(μm)至几十微米范围的缺陷。产生的缺陷可能是空腔、裂纹、浑浊，或者甚至是材料的密度和/或折射率的局部变化，近似准时的变化。

特别是当探针区域30布置在光束入射面22上时，用于产生探针区域30的另一种可能性在于选择性蚀刻。通过所谓的选择性激光蚀刻可以产生特别小而精确的结构。在选择性激光蚀刻时，第一步是通过局部的激光脉冲处理来大大提高材料的可蚀刻性，第二步是通过化学蚀刻去除处理过的材料部位。

光束10和扫描体20可相对于彼此移动。为此，光束10的位置例如可以通过扫描仪设备来控制，或者扫描体20可以通过移动装置相对于光束10移动。提供了至少两个不同的独立的运动方向51、52，其覆盖扫描表面。被运动方向覆盖的扫描表面可以垂直于光束10的轴线11进行对准。通过在运动方向51和52的光栅运动将扫描体20的探针区域30引导通过光束10的横截面，并以此方式扫描光束10的强度分布。例如，利用横向于纵向轴线19的第一运动方向51可以由光束10的横截面产生扫描轨迹。利用在纵向轴线19方向上的第二运动方向52可以使扫描体20偏移很小的距离。随后，随着在运动方向51上的进一步移动，可以通过光束10的横截面产生另外的平行偏移的扫描轨迹。通过这种方式可以完全扫描一系列平行扫描轨迹中的光束的横截面，并重建光束10的二维光束轮廓。此外，还可以提供第三运动方向53，该第三运动方向53垂直于运动方向51、52对准并且可以平行于光束10的轴线11对准。通过扫描体20在该运动方向53上的移动，可以沿着轴线11连续地扫描光束10的多个横截面。

为了能够在无干扰散射光的情况下扫描光束10，通常测量场12大于待扫描的光束的横截面。测量场可以至少是光束直径的两倍大。由此确保在探针区域30在扫描运动期间检测光束10的横截面的时刻，光束10完全位于测量场12内，并且在其整个径向扩展部分中在光束入射面22和光束出射面23之间穿通扫描体20，并且光束的任何区域都不在测量场12外部，在该测量场中可能会产生非期望的偏转的光分量，并且会产生错误的信号贡献。因此，根据本发明的装置适合用于扫描空间上狭窄界定的辐射场，例如激光束。

一旦探针区域30至少部分地检测到光束10，由于探针区域30的光偏转结构，光束10的一部分会被偏转。偏转的光束分量15、16、17可以在不同的方向传播。光17的一部分可以在光离开扫描体20的方向上偏转，而不入射到检测器40。被偏转的光15的另一部分传播通过扫描体20，在样品光出射面25处射出，并被检测器40检测到。检测器40是光敏检测器，例如光电二极管，该检测器将入射的光转换成电信号。检测器40的信号在扫描运动期间被记录；然后可以从记录的信号中重建光束10的横截面中的强度分布或其光束轮廓。为了避免在检测器40上产生非期望的外来光，样品光出射面25和检测器40可以一起由盖48围起来。

由于探针区域30的扩展有限，出现在检测器40上的被偏转的光15以及从中由检测器40产生的信号脉冲的时间分布不完全对应于光束10横截面的扫描过的轨迹上的光束轮廓，但是检测器信号脉冲变宽了。如果沿光束轴线的光束轮廓的变化足够小，则检测器信号在数学上看是探针区域30的扫描函数与光束轮廓的卷积。因此，探针区域30应足够小。例如，当由探针区域的尺寸定义的近似高斯型扫描函数的宽度是近似高斯型光束横截面的直径的一半时，信号脉冲宽度的放大率仅约12％。因此，在本发明的实施形式中提出，探针区域30在第一运动方向51的方向上的尺寸33小于待扫描的光束10的最小光束横截面的一半尺寸。如果扫描函数的宽度较之于光束轮廓的宽度很小时，例如为1/10或更小时，那么信号脉冲的增宽仅为大约0.5％或更小并且可以忽略。

凹槽21和探针区域30不是相同的，尽管在本发明的各种可能的实施形式中可以提出，探针区域30可以布置在凹槽21处，或紧邻凹槽21处或可以布置在由凹槽21形成的表面部分27上。由凹槽21形成的表面部分27的尺寸大于探针区域30的尺寸33。较小的探针区域是有利的，以便在扫描光束10时实现高的空间分辨率。比探针区域更大的表面部分27有利于以尽可能小的干扰扫描光束。

由凹槽21形成的表面部分27包括光束入射面22或光束出射面23。光束入射面22和光束出射面23分别至少在测量场12上延伸。测量场12例如至少是待扫描的光束10的两倍大。显然，光束10在光束10的任何横截面中的直径都大于或等于待扫描的光束10的最小光束横截面。探针区域30的尺寸33小于光束10的最小光束横截面的一半尺寸。因此，由凹槽21形成的表面部分27的尺寸例如比探针区域30的尺寸33至少大4倍。有利的是确保表面部分27的边缘与探针区域30足够远，以便在扫描时可能出现的、可以由表面部分的边缘引起的干扰，例如额外的非期望的散射光能够与样品光15分离。

还提出，由凹槽21形成的表面部分27的尺寸可以比探针区域30的尺寸33至少大10倍，以便能够实现样品光15与可能的散射光更好的分离。

探针区域30的尺寸33可以在1μm和100μm之间的范围内。为了在扫描时产生足够高的信号，至少1μm的尺寸33是有利的。为了在扫描光束10时获得高的空间分辨率，最大为100的尺寸33是有利的。

由凹槽21形成的表面部分27的尺寸可以在0.5mm至100mm之间的范围内。至少0.5mm的尺寸是有利的，以便具有足够大的测量场12。为了在扫描体20运动时保持较小的惯性力，最大为100mm的尺寸是有利的。表面部分27的尺寸也可以特别在1mm至20mm的范围内。术语“尺寸”在此应被特别理解为直径或侧面长度。

为了能够实现对具有非常高功率和功率密度的光束和激光束进行扫描，可以省去在光束入射面22和光束出射面23上使用减少反射的涂层，因为减少反射的涂层，例如介电的多层有可能会明显降低扫描体20的损伤阈值。因此，菲涅耳反射发生在光束入射面22和光束出射面23，即光束10的一小部分被反射。在现有技术已知的扫描仪中，例如如图3所示，这会导致在光束出射面23处反射的光束13通过扫描仪传播回来并第二次到达探针区域30，因此与最初的光束叠加，并产生信号贡献。该信号分量提供错误的信号，因为由于光束的传播，当第二次到达探针区域30时光束轮廓已经改变。这种错误的信号贡献可以在图7的虚线中看到。

图7示出了单个扫描轨迹的图，该扫描轨迹是通过对扫描仪建模并借助于光线追迹软件来模拟光束传播计算出来的。虚线示出了用现有技术已知的扫描仪(先前技术)即用没有凹槽的扫描仪所产生的信号。该信号显然由两个信号分量组成：由较宽的约弱两个数量级的信号分量叠加而成的中央高信号脉冲。该中央高信号脉冲对应于扫描具有近似高斯型光束轮廓的光束时的预期分布。较宽、较弱的分量是由于光束出射面23处的菲涅耳反射造成的。在所示的实施例中，光束扫描的模拟在光束的束腰部或焦点附近的横截面中进行。当扫描远离光束腰部的光束的其他横截面时，由于反射的光束产生的错误的信号分量的影响可能要大得多。如果要沿轴线11扫描光束10的几个横截面以确定光束参数乘积、光束传播因子或光束的发散角，则这可能特别成问题。

但是，在图7的实线中缺少较宽较弱的分量。实线是利用根据本发明的具有凹槽21的扫描体20扫描相同光束的模拟信号。差异是由于在出射面23上反射的光束13倾斜所致，原因在于出射面23的法线方向29相对于入射面22的法线方向28倾斜至少5°。结果，反射的光束13不能到达探针区域30，如图6和图9a所示。因此，通过根据本发明的具有凹槽21而没有错误的信号分量的扫描体20对光束进行更加准确的扫描。

出射面23的法线方向29相对于入射面22的法线方向28的倾斜的最小角度例如可以从待扫描的光束的有限发散中得出。通常在激光材料加工中使用的激光束可以具有典型的125mrad(毫弧度)的最大半张角。该值在典型的光学器件直径为50mm的情况下从经常使用的200mm的处理光学元件的聚焦焦距产生。在光束入射面22处折射之后，扫描体20内的半张角约为4.8°，典型的折射率为1.5。为了能够扫描这种光束而不会干扰与反射的光束13的自重合，故出射面23的法线方向29和入射面22的法线方向28之间的角度应至少为5°。

另一方面，出射面23的法线方向29和入射面22的法线方向28之间的倾斜角α一定不能太大，否则反射的光束13如果进一步传播到扫描体的外表面，则它将在那里被全反射并且可能不再离开扫描体20。这将有可能导致信号背景明显增加。因此，反射的光束13的倾斜必须保持在全反射临界角下方，对于折射率为1.5的光学材料，该全反射临界角约为42°。因此提出，出射面23的法线方向29和入射面22的法线方向28之间的倾斜角α不大于20°。因此，得出根据本发明的5°至20°的角度范围。

光束入射面22和光束出射面23是光滑的表面。光束入射面22和光束出射面23可以在几何上被边缘限制或定界。特别地，由凹槽21形成的表面部分27可以在几何上受到边缘的限制。在本发明的另一方面，光束入射面22和光束出射面23在表面本身内没有边缘。光束入射面22和/或光束出射面23可以具有曲率，该曲率也可以为零。例如，表面22和/或23可以具有平面、球形、圆柱形、复曲面或其他弯曲形状。当光束入射面22和光束出射面23的一个或两个表面具有非零曲率时，光束入射面22的法线方向28相对于光束出射面23的法线方向29的倾斜角α的根据本发明的5°至20°的角度范围特别涉及在光束入射面22和光束出射面23上的测量场轴线24的穿通点的法线方向。

此外，还提供了扫描体20的实施形式，其中对光束入射面22上和光束出射面23上的所有表面元件而言，光束入射面22的法线方向28和光束出射面23的法线方向29之间的倾斜角在5°至20°的范围内。

在本发明的另一个可能的方面，对表面部分27的所有表面元件而言，由凹槽21形成的表面部分27上的局部表面法线相对于光束轴线11倾斜至多30°。这有利于避免待扫描的光束10在表面部分27上形成全反射。

此外，还提供了根据本发明的装置的实施形式，其中对光束入射面22和光束出射面23上的所有表面元件而言，光束入射面22上和光束出射面23上的局部法线相对于光束轴线11倾斜至多30°。

为了扫描具有较高发散的光束，可以使用较大的最小角度。因此，还提供了这样的实施形式，其中出射面23的法线方向29与入射面22的法线方向28之间的倾斜角α在10°至20°之间的范围内。

然而，反射的光束13单独入射到扫描体外表面上不足以充分衰减在扫描体20中延伸的光束13，因为外表面上的大部分光束从扫描体20中裂开，但一小部分也会被再次反射回内部，从而使得光束在锯齿形路线中延伸穿过扫描体20。如果在后续反射中由于扫描体的几何形状而导致超过全反射临界角，则反射的光束13的其余部分在扫描体20内部没有其它衰减地被引导至样品光出射面25，并且可能在检测器上产生干扰的背景信号。该问题通常在现有技术已知的楔形扫描仪中发生，例如图4所示。在这种扫描仪中，扫描仪的横截面在布置有探针区域30的地方非常小，并且在样品光出射面25的方向上连续增加，使得在后端的扫描仪的横截面大很多倍。为了避免超过全反射角的影响，必须限制横截面的增加。

因此，提供了本发明的实施形式，其中在布置有探针区域30的扫描体20的横截面平面26'中，横截面尺寸D'大于或至少等于在凹槽21外部的扫描体20区域中的横截面平面26中横截面尺寸D的一半。与此相关的横截面尺寸D和D'是在测量场轴线24方向上的尺寸。

扫描体20还应具有一定的长度L，以使得在扫描体内部反射的光束分量13通过足够大量的反射而减小到实际上不再干扰的大小。其中可以看到有意义的限制，即由反射的光分量产生的背景信号应小于检测器或电子信号调节的动态范围。数字化16位(Bit)的电信号是最新技术。半导体光电检测器的动态范围向下受到暗电流的限制，通常小于16位。因此，实际上将无法确定高达1/65000(即，字长为16位的位)的背景信号。图8示出了具有不同长度的三个不同扫描体的模拟扫描信号。所有曲线均显示中央高信号脉冲，该信号脉冲对应于扫描具有近似高斯型光束轮廓的光束的预期过程。此外，曲线还部分地示出了均匀的信号背景，其大小在扫描体的长度L增加时减小。扫描体的长度L等于横截面尺寸D的四倍，在利用该扫描体模拟扫描的实线中，信号背景不再可识别。在该扫描体中，信噪比大于约40000：1，也就是说超过四个数量级，由此一来实际上不再能够确定可能还存在的信号背景。

因此，提供了本发明的实施形式，其中扫描体20在纵向轴线19的方向上具有长度L，该长度L是扫描体20的横截面尺寸D的至少四倍。

此外，还提供了这样的实施形式，其中探针区域30与扫描体20的后端的距离至少是扫描体20的横截面尺寸D的三倍，在该距离附近布置有样品光出射面25。因此，可以实现的是，非期望的反射的光束分量到达扫描体20内部的样品光出射面25的光束路径足够长，以便通过多次反射进行充分衰减。

由于其特征，本发明相较于现有技术具有如下明显的优点：

-装置允许扫描和测量具有非常高的功率和/或功率密度的光束和激光束。与通过小孔或针孔进行扫描的常规装置相比，光束的功率或功率密度可以高出多个数量级。还能够实现在光束聚焦区域内直接扫描光束。

-装置允许在所有空间方向上以高空间分辨率扫描和测量光束和激光束。

-在本发明中，减少或消除了错误的扫描信号和背景信号，所述错误的扫描信号是由于待扫描的光束与反射的光束分量自重合而产生，所述背景信号在具有透明的扫描体的扫描仪中出现。

-装置能够实现以很高的动态度和很高的信噪比进行扫描和测量。

-由此一来，特别是在确定参数(例如光束参数乘积或光束传播因子)时实现了较高的精度，因为高信噪比允许在沿激光束轴线的较大范围上对许多光束横截面平面进行精确的光束测量。

在不离开本发明的范围和任务的情况下，可以以各种方式进一步改进本发明。一些有利的实施形式和改进形式在附图和附图的相关描述中示出和阐述。

从各个扫描轨迹的信号脉冲分布中重建二维强度分布方面的问题可能在于，信号分布必须与沿运动方向的正确坐标相关联。为此，扫描运动可以与位置传感器耦合，该位置传感器的信号必须与检测器信号同步。特别地，当扫描速度高时，同步时小的时间误差或抖动会产生重大影响并影响精度。

因此，在本发明的其他实施形式中提出，从扫描信号本身获取各个扫描轨迹的同步。为此，可以在扫描体20中与探针区域30相距一定距离地布置具有光偏转结构的附加的线形探针区域35。优选地，线形的探针区域35横向于第一运动方向51布置，例如平行于扫描体的纵向轴线19。线形的探针区域35在扫描运动时从光束的整个横截面取样。所提取的样本或偏转的光的量相对于沿着线形的探针区域35的轴线的位置是不变的。因此，由线形的探针区域产生的信号脉冲在每次扫描运动和每次平行偏移的扫描轨迹时均具有近似相同的分布和近似相同的信号电平。因此，该信号脉冲可以用作参考信号，并且可以基于该参考信号来校准各个信号分布。同时，有可能通过比较各个参考信号来检查光束10在时间上是否静止。

如果第一运动方向51是由扫描体20围绕旋转轴线61的旋转产生的，则线形的探针区域35可以与纵向轴线19成小角度，从而使线形的探针区域35的轴线延伸通过旋转轴线61。通过这种方式使线形的探针区域35垂直于局部切线地与由运动方向51产生的扫描轨迹对齐。

另一种有利的实施形式在如下情况下产生，即在扫描体20中布置两个附加的线形探针区域35、35'，例如在探针区域30的每一侧上分别布置一个线形探针区域，使得探针区域30大约在两个线形的探针区域30之间的中间。图25示例性示出了这种实施形式。图26示出了计算出来的用这种扫描体20在光束扫描时产生的扫描信号。因此，在这种情况下，连续产生不超过三个信号脉冲。第一个和最后一个信号脉冲，即由线形的探针区域35、35'产生的信号，用作参考信号。在所有的扫描轨迹中，参考信号的分布和高度都大致相同，光线追迹模拟时出现的统计噪声除外。在本扫描体实施形式中，不仅可以补偿扫描运动的抖动，而且还可以识别和补偿扫描速度的变化。

为了在运动方向51和52上以及必要时另外在运动方向53上执行扫描运动，装置配备有用于提供相对运动的装置。例如，扫描体20可以与移动装置耦合，该移动装置由具有相应的驱动器的笛卡尔布置的线性引导件组成。这种装置是专家所熟悉的，因此无需详细说明。

图2示出了本发明的实施例，其中扫描体20可旋转地安装在旋转轴线61上，以便提供运动方向51。旋转轴线61与扫描体20的纵向轴线19或在样品光出射面上延伸的纵向轴线19相交。在所示的实施例中，旋转轴线61垂直于纵向轴线19布置。在旋转轴线61和延伸的纵向轴线19之间的交点处，可以布置偏转镜43，该偏转镜43将样品光15偏转到检测器40，并且与扫描体的旋转运动耦合。检测器40可以设置在旋转轴线61上，并且因此在不耦合到绕旋转轴线61旋转的情况下接收样品光15。为了产生在第二运动方向52上的运动，旋转轴线61可以借助另一移动装置平行移动，该另一移动装置可以是带驱动器的线性引导件。这样一来，光束10的轴线11和旋转轴线61之间的距离62是可调节的。也就是说，在这种情况下，运动方向51是旋转运动或圆周运动。因此，在本实施例中，扫描轨迹是平行偏移的圆形路径段。在光束轮廓的重建中可以考虑扫描轨迹的曲率，或者在旋转轴线61与探针区域30的距离足够大时可以将曲率忽略不计。

由于光束入射面22上的菲涅耳反射，小部分光束分量在到达的光束10的方向上被反射回来。对于非常高功率的光束，反射回来的分量可能会在光束发射装置上或在环境中造成非期望的影响。因此，有利的是，提供在光束入射面22处反射回来的光束分量的足够的扩展。为此，光束入射面22可以具有曲率，特别是凸曲率。当扫描体在扫描过程中被引导通过光束时，通过弯曲表面使反射回的分量在空间中分布，并且没有定向的反射。在图2、图5、图10、图13、图16、图17、图23和图25所示的实施例中，这是通过使用圆柱形的杆作为扫描体20来实现的，其中光束入射面22被构造成扫描体20的圆柱形圆周面的部分区域。由此一来，光束入射面22具有圆柱形的凸曲率。

具有扫描体20的装置例如可以以如下方式取向，使得光束入射面22近似垂直于光束轴线11。然而，该装置也可以与光束10对准，使得光束入射面22的法线方向28相对于光束轴线11倾斜一定角度，从而使光束入射面22相对于光束10倾斜。由于菲涅耳反射取决于偏振方向，故当光束被传输到扫描体中时，在两个偏振方向上的光束的相对强度可以改变，这对于光束测量而言是不希望的。极化分量的相对变化应小于1％或小于0.1％。因此，可以提供装置的布置或定向，其中光束入射面22的法线方向28相对于光束轴线11的倾斜度最多为17°。还提供了这样的布置，其中光束入射面22的法线方向28相对于光束轴线11的倾斜度最多为6°。

扫描体20可以包括样品光偏转区域36。样品光偏转区域使被探针区域30偏转的光束分量15的至少一部分在朝向检测器40的方向上偏转。样品光偏转区域36例如可以以如下方式设计，即样品光偏转区域36在扫描体20的材料中具有光偏转结构。可以用与探针区域30的光偏转结构相似的方式构造样品光偏转区域36的光偏转结构。样品光偏转区域36也可以是扫描体20的倾斜的表面。图21和图22示例性示出了这样的实施形式。

在样品光出射面25和检测器40之间可以提供用于优化由探针区域30偏转的光束分量15的光束引导的其他元件。可能的元件是用于光收集的装置、偏转镜、光漫射表面或光阑。借助用于光收集的装置44可以将从样品光出射面25射出的偏转的光15聚焦到检测器40上。因此，可以增加由检测器40检测到的光分量，从而可以增加信号水平。用于光收集的装置44还可以用于将探针区域30直接成像到检测器40上。由此可以实现检测器40选择性地仅检测已经被探针区域30偏转的光。通过这种方式可以进一步改善外来光抑制。用于光收集的装置44例如可以包括透镜、凹面镜、光导或波导。透镜可以是任何类型的透镜，即球面或非球面的单透镜、透镜系统或梯度折射率透镜。偏转镜43可有助于将扫描体20的运动与检测器40解耦。光漫射表面可有益于减少或消除检测灵敏度中的方向依赖性。图18至图20和图22示出了前述实施可能性的示例。

用于光收集的装置也可以与样品光出射面25组合，例如通过凸形的样品光出射面25来实现。

例如，本发明可以用于确定光束10的以下参数中的一个或多个：光束直径、光束轮廓、强度分布、相对功率密度。如果除了运动方向51和52之外，在装置的移动装置中还另外提供了第三运动方向53上的调节或驱动可能性，该第三运动方向53平行于光束10的轴线11方向，那么还有可能确定以下参数中的一个或多个：发散角、光束参数乘积、传播因子、轴向焦点位置、焦点直径。

本发明可以用于扫描具有非常高功率和/或功率密度的激光束。激光束可以具有高达1000W的功率，并且还可以具有比这更大的功率，例如100kW及以上。激光束在聚焦时可以具有的功率密度高达5MW/cm²，甚至比这还高几个数量级。

Claims (25)

1.一种用于扫描光束（10）的装置，其包括具有光束入射面（22）、光束出射面（23）、样品光出射面（25）以及探针区域（30）的扫描体（20），所述装置还包括检测器（40）和用于提供扫描体（20）与光束（10）之间的相对运动的装置，

- 其中所述扫描体（20）在纵向轴线（19）的方向上是杆状延伸的，并且由对光束（10）透明的导光材料组成，

- 其中扫描体（20）具有用于在扫描体（20）上形成表面部分（27）的凹槽（21），所述表面部分（27）包括光束入射面（22）或光束出射面（23），

- 其中光束入射面（22）的法线方向（28）相对于光束出射面（23）的法线方向（29）以5°至20°范围的角度（α）倾斜，

- 其中扫描体（20）包括探针区域（30），

- 其中探针区域（30）布置在扫描体（20）的横截面平面（26'）中，所述横截面平面（26'）位于凹槽（21）区域中，垂直于纵向轴线（19）并且邻接表面部分（27），

- 其中在布置了探针区域（30）的横截面平面（26'）中的扫描体（20）的第一横截面尺寸（D'）是位于凹槽（21）外部的、垂直于纵向轴线（19）的横截面平面（26）中的扫描体（20）的第二横截面尺寸（D）的至少50％，

- 其中探针区域（30）具有光偏转结构，以及

- 其中检测器（40）被布置用于检测至少一部分由探针区域（30）从光束（10）偏转的光束分量（15）。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于由凹槽（21）形成的表面部分（27）的尺寸大于探针区域（30）的尺寸（33）。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述凹槽（21）形成的表面部分（27）的尺寸比探针区域（30）的尺寸（33）大至少十倍。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述扫描体（20）在纵向轴线（19）方向上具有长度（L），所述长度（L）至少是扫描体（20）的第二横截面尺寸（D）的四倍。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）到具有样品光出射面（25）的扫描体（20）的后端的距离是扫描体（20）的第二横截面尺寸（D）的至少三倍。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）在纵向轴线（19）方向上到扫描体的前端的距离（s）至少是扫描体（20）的第二横截面尺寸（D）的一半。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）到光束入射面（22）的距离最大为扫描体（20）的第二横截面尺寸（D）的十分之一。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）的光偏转结构由多个结构细节（31）构成。

9.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）的光偏转结构通过聚焦的短脉冲激光来产生。

10.根据权利要求1所述的装置，其特征在于探针区域（30）的尺寸（33）小于待扫描的光束（10）的最小光束横截面的一半尺寸。

11.根据权利要求1所述的装置，其特征在于在所述扫描体（20）的样品光出射面（25）和检测器（40）之间布置有用于光收集的装置（44），并且其中用于光收集的装置（44）包括以下元件中的至少一个：透镜、凹面镜、或波导。

12.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述透镜包括梯度折射率透镜。

13.根据权利要求11所述的装置，其特征在于，所述波导包括光导。

14.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述扫描体（20）与探针区域（30）间隔开并且还另外具有第一线形探针区域（35），所述第一线形探针区域（35）具有光偏转的构造设计。

15.根据权利要求14所述的装置，其特征在于扫描体（20）与探针区域（30）间隔开并且还另外具有第二线形探针区域（35'），所述第二线形探针区域（35'）具有光偏转结构，并且其中在所述第一线形探针区域（35）和第二线形探针区域（35'）之间布置探针区域（30）。

16.根据权利要求1所述的装置，其特征在于用于提供相对运动的装置是扫描仪设备，借助所述扫描仪设备， 光束（10）可以在扫描体（20）上移动。

17.根据权利要求1所述的装置，其特征在于所述扫描体（20）可借助用于提供相对运动的装置在横向于纵向轴线（19）的第一运动方向（51）和第二运动方向（ 52 ） 上运动，所述第二运动方向（52）独立于第一运动方向（51）并且通过所述第一运动方向（51）覆盖扫描表面。

18.根据权利要求17所述的装置，其特征在于用于扫描光束（10）的第一运动方向（51）可以通过扫描体（20）围绕旋转轴线（61）旋转来产生。

19.根据权利要求18所述的装置，其特征在于用于扫描光束（10）的第二运动方向（52）可以通过旋转轴线（61）的平行位移来产生。

20.根据权利要求17所述的装置，其特征在于可以通过所述扫描体（20）的振动运动产生用于扫描光束（10）的第一运动方向（51）。

21.根据权利要求17至20中任一项所述的装置，其特征在于所述扫描体（20）可以在垂直于第一和第二运动方向（51，52）的第三运动方向（53）上运动。

22.根据权利要求1所述的装置，其特征在于还包括

- 用于记录来自检测器（40）的时变信号的装置（70），以及

- 用于从光束（10）的以下参数组中确定至少一个参数的评估装置，所述参数组为：光束直径、光束轮廓、光束横截面中的强度分布、发散角、光束参数乘积、传播因子、轴向焦点位置、焦点直径。

23.根据权利要求22所述的装置，其特征在于，所述参数组还包括沿光束的轴线的多个位置处的光束直径。

24.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探针区域（30）布置在所述扫描体（20）之内或者布置在所述光束入射面（22）上，并且，由所述凹槽（21）形成的所述表面部分（27）和所述探针区域（30）不相同。

25.根据权利要求1至20、22至24中任一项所述的装置的用途，所述装置被用于确定激光束的空间尺寸。

Images