CZ305256B6 - Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku - Google Patents
Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku Download PDFInfo
- Publication number
- CZ305256B6 CZ305256B6 CZ2014-383A CZ2014383A CZ305256B6 CZ 305256 B6 CZ305256 B6 CZ 305256B6 CZ 2014383 A CZ2014383 A CZ 2014383A CZ 305256 B6 CZ305256 B6 CZ 305256B6
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- laser beam
- photodetector
- measured
- imaging
- measured laser
- Prior art date
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 239000003518 caustics Substances 0.000 claims abstract description 14
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 claims description 29
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 12
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 claims description 11
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 239000013078 crystal Substances 0.000 claims description 5
- 239000006089 photosensitive glass Substances 0.000 claims description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 14
- 238000000034 method Methods 0.000 description 8
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 5
- -1 Erbia ions Chemical class 0.000 description 4
- 229910052769 Ytterbium Inorganic materials 0.000 description 4
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 description 4
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 229910052684 Cerium Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 3
- 239000002019 doping agent Substances 0.000 description 3
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 3
- 229910052691 Erbium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052693 Europium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052688 Gadolinium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052689 Holmium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052777 Praseodymium Inorganic materials 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910052775 Thulium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052768 actinide Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000001255 actinides Chemical class 0.000 description 2
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000149 argon plasma sintering Methods 0.000 description 2
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 2
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 description 2
- 239000005350 fused silica glass Substances 0.000 description 2
- 239000002241 glass-ceramic Substances 0.000 description 2
- 229910052737 gold Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052747 lanthanoid Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002602 lanthanoids Chemical class 0.000 description 2
- 229910052746 lanthanum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052745 lead Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 238000001208 nuclear magnetic resonance pulse sequence Methods 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002689 soil Substances 0.000 description 2
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 2
- 229910052718 tin Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052725 zinc Inorganic materials 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 1
- 229910052779 Neodymium Inorganic materials 0.000 description 1
- BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N Orthosilicate Chemical compound [O-][Si]([O-])([O-])[O-] BPQQTUXANYXVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910019142 PO4 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910052772 Samarium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000004115 Sodium Silicate Substances 0.000 description 1
- 238000000862 absorption spectrum Methods 0.000 description 1
- PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N alumane;yttrium Chemical compound [AlH3].[Y] PSNPEOOEWZZFPJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N aluminum magnesium Chemical compound [Mg].[Al] SNAAJJQQZSMGQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N aluminum;oxygen(2-);yttrium(3+) Chemical compound [O-2].[O-2].[O-2].[Al+3].[Y+3] JNDMLEXHDPKVFC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 230000037237 body shape Effects 0.000 description 1
- 239000005388 borosilicate glass Substances 0.000 description 1
- 239000012876 carrier material Substances 0.000 description 1
- GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N cerium Chemical compound [Ce] GWXLDORMOJMVQZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 150000004770 chalcogenides Chemical class 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 238000005352 clarification Methods 0.000 description 1
- 238000007796 conventional method Methods 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 230000008030 elimination Effects 0.000 description 1
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000295 emission spectrum Methods 0.000 description 1
- VQCBHWLJZDBHOS-UHFFFAOYSA-N erbium(III) oxide Inorganic materials O=[Er]O[Er]=O VQCBHWLJZDBHOS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DWYMPOCYEZONEA-UHFFFAOYSA-L fluoridophosphate Chemical compound [O-]P([O-])(F)=O DWYMPOCYEZONEA-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 229940104869 fluorosilicate Drugs 0.000 description 1
- 239000002223 garnet Substances 0.000 description 1
- 229910052732 germanium Inorganic materials 0.000 description 1
- GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N germanium atom Chemical compound [Ge] GNPVGFCGXDBREM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 1
- OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N lutetium atom Chemical compound [Lu] OHSVLFRHMCKCQY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012423 maintenance Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 description 1
- 239000010452 phosphate Substances 0.000 description 1
- NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K phosphate Chemical compound [O-]P([O-])([O-])=O NBIIXXVUZAFLBC-UHFFFAOYSA-K 0.000 description 1
- 238000001485 positron annihilation lifetime spectroscopy Methods 0.000 description 1
- BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N potassiosodium Chemical compound [Na].[K] BITYAPCSNKJESK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 230000000750 progressive effect Effects 0.000 description 1
- 230000000717 retained effect Effects 0.000 description 1
- 229910052594 sapphire Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010980 sapphire Substances 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 1
- NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N sodium silicate Chemical compound [Na+].[Na+].[O-][Si]([O-])=O NTHWMYGWWRZVTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910052911 sodium silicate Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 229910052596 spinel Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011029 spinel Substances 0.000 description 1
- 230000009897 systematic effect Effects 0.000 description 1
- SITVSCPRJNYAGV-UHFFFAOYSA-L tellurite Chemical compound [O-][Te]([O-])=O SITVSCPRJNYAGV-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 1
- 238000011144 upstream manufacturing Methods 0.000 description 1
- RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N yttrium(III) oxide Inorganic materials [O-2].[O-2].[O-2].[Y+3].[Y+3] RUDFQVOCFDJEEF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
- G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
- G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
- G01J1/58—Photometry, e.g. photographic exposure meter using luminescence generated by light
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
Zařízení pro měření parametru kvality M.sup.2.n. laserového svazku (1) v jednom kroku, které využívá jevu změny vlnové délky měřeného laserového svazku v materiálu zobrazovacího tělesa (5), především jevu fluorescence. Zařízení obsahuje vstupní fokusační optiku (3), zobrazovací těleso (5) a příčně uspořádaný fotodetektor (4) pro snímání a analýzu laserem indukovaného obrazce. V materiálu zobrazovacího tělesa (5) vzniká po dopadu fokusovaného měřeného laserového svazku (1) např. fluorescenční obrazec, který odpovídá poloze a tvaru kaustiky svazku. Obrazec je snímán fotodetektorem (4) s vysokým rozlišením a následně je analyzován profil krčku. Díky tomuto zařízení může být monitorována kvalita laserového svazku (1) v reálném čase v kontinuálním i pulzním režimu provozu měřeného laseru.
Description
Oblast techniky
Předkládaný vynález se týká zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M2 laserového impulzního svazku bez využití mechanických pohyblivých částí pro změnu pozice měření.
Dosavadní stav techniky
Pro aplikace laserového záření je jedním ze základních parametrů kvalita získaného fokusu neboli ohniska. Fokus reálných laserových systémů není nikdy bodový, ale má tvar tzv. kaustiky (prostorové těleso vzniklé jako obálka přiblížení geometrické optiky pro reálné svazky). Nejužší místo kaustiky se nazývá krček a zhruba odpovídá ohnisku v přiblížení geometrické optiky. Tvar kaustiky ideálního Gaussovského svazku závisí na parametrech laserového svazku (velikost svazku je charakterizována jeho poloměrem d0, vlnovou délkou λ a divergencí fy) a použité fokusační optice (ohnisková vzdálenost čočky f a apertura D).
Při zachování podmínky, že ohnisková hloubka dopadajícího svazkuje mnohem větší než ohnisková vzdálenost fokusační optiky platí pro velikost plochy v místě krčku měřené kolmo na osu šíření (velikost ohniskového bodu) vztah:
U reálných astigmatických svazků může být pozice krčku pro různé souřadnice různá, obvykle se proto měření provádí ve dvou vzájemně kolmých osách - vertikální a horizontální složka.
Parametr kvality M2 je jedním ze základních parametrů popisujících kvalitu profdu vlnoplochy laserového svazku, která úzce souvisí s kvalitou realizovatelného fokusu. Je definován dle následujícího vztahu:
přičemž λ je vlnová délka laserového záření, df příčný průměr svazku v místě krčku, fy je úhel divergence po průchodu fokusační optikou, měřený od osy šíření, který závisí na primárním poloměru d0 laserového svazku a ohniskové vzdálenosti/fokusační optiky.
Pokud se hodnota parametru kvality M2 rovná jedné, je velikost ohniskového bodu závislá pouze na vlnové délce λ a úhlu divergence Θ, což jsou základní parametry každého laserového systému. Je-li parametr M2 roven jedné, předpokládá se optimální nastavení laserového zdroje a eliminace dodatečných rušivých vlivů instrumentace systému.
Základní konvenční metodou měření parametru M2 je provádění postupného proměřování příčné velikosti plochy kaustiky (měřeno v rovině kolmé na osu šíření) v okolí krčku. Vzhledem k důležitosti parametru M2 je tato metoda důkladně popsána v mezinárodní normě ISO11146.
Systém pro měření je koaxiální s osou šíření laserového svazku, přičemž obsahuje fokusační optiku a detektor, jejichž vzájemná pozice je pohyblivá. Pro relativní vyhodnocení je nutné změřit alespoň deset hodnot příčné velikosti plochy kaustiky v okolí krčku, přičemž nejméně polovina měření by měla být lokalizována do maximálně Rayleighovy vzdálenosti fy od krčku na obě strany. Druhá polovina měření pak je lokalizována maximálně v dvojnásobné vzdálenosti Rayleighovy vzdálenosti fy od krčku, opět na obě strany.
- 1 CZ 305256 B6
Rayleighova vzdálenost Rt je definována jako vzdálenost měřená podél osy šíření svazku, kdy se příčná plocha kaustiky zdvojnásobí oproti příčné ploše v místě krčku.
πά}
Dvojnásobek Rayleighovy vzdálenosti Rf odpovídá pojmu ohniskové hloubky, přičemž platí, že ohnisková hloubka je přímo úměrná ploše průřezu svazku v místě maximálního zúžení (krčku) a nepřímo úměrná vlnové délce. Tedy, že se získanou menší stopou fokusovaného svazku se zkracuje ohnisková hloubka. Zkrácení ohniskové hloubky znamená vyšší nároky na přesnost nastavení ohniskové roviny.
Vylepšení konvenčního řešení ve formě měření vlnoplochy pomocí Shack-Hartmanonova senzoru je popsáno např. \J. V. Sheldakova et al: Beam quality measurements with Shack-Hartmann wavefront sensor and M2-sensor: comparison of two methods, Proč. SPIE 6452, pp. 645207, 2007], přičemž i v tomto případě zůstala zachována nutnost mechanického posuvu detektoru vůči fokusační optice.
Zjevnou nevýhodou tohoto konvenčního řešení (i jeho vylepšení) je přítomnost pohyblivých částí, které mohou zanášet systematickou chybu a neodstranitelná nutnost provádět opakovaná měření, což je zejména v případě pulzních laserových systémů nežádoucí. Z tohoto důvodu jsou vývojové aktivity soustředěny na hledání řešení bez nutnosti vzájemného pohybu optických a detekčních prvků a možnosti vyhodnocení parametru kvality M2 během jediného měření.
Ze stavu techniky známá řešení jednokrokového měření využívají různé fyzikální principy, například postupné oddělování a proměřování částí svazků [např. A. M. Carry et al: Instantaneous Measurement of A/2 Beam propagation ration in reál time, Ophir Photonics; J. A. Ruff: Single pulse laser beam quality measurements using a CCD camera systém, Applied Optics, Vol. 31 (1992). No. 24; CN101393050A], difrakění obrazce např. [R. Cortés: Laser beam quality factor measured by distorted fresnel zone plates, Rev. Mex. Fis., 54 (2008), JP2006054480A], nebo s využitím interferenčních jevů [US 8,427,633 Bl = zařízení Beamage-M2, fy Gentec-eo], Všechny tyto metody jsou spojené s poměrně náročným vyhodnocovacím systémem a vyžadují precizní zpracování optických prvků, které se k měření využívají.
Předkládaný vynález vychází z metody měření parametru kvality M2 laserového svazku založené na principu příčného rozptylu světla, která je popsána např. [K. C. Jorge et al: Real-time measurement of laser beam quality factor (M2) by imaging transverse scattered light, Proč. SPIE Vol. 6452 (2007)]. Tato metoda popisuje a ověřuje měření parametru M2 pomocí rozptýleného záření v kyvetě s kapalným médiem, zajišťujícím rovnoměrný difúzní rozptyl světla, přičemž obrazec rozptýleného záření je následně zaznamenáván CCD kamerou. Speciální konfigurace optického systému zajišťuje komplexní informaci o prostorovém tvaru kaustiky ve snímku zaznamenaném pouze v jednom směru. Kvalita měření touto metodou byla ověřena pomocí záření He-Ne laseru, který emituje záření ve viditelné oblasti spektra, což je vzhledem ke spektrální citlivosti fotodetektoru určující (během rozptylu zůstává vlnová délka záření zachována).
Omezení výše popsané metody pro měření parametru kvality M2 laserových zdrojů ve viditelné oblasti spektra je zásadním nedostatkem. Obdobně je nevýhodou nutnost náročné přípravy a udržování kvality rozptylujícího média. Tyto nedostatky odstraňuje řešení, které je předmětem vynálezu.
Podstata vynálezu
Předkládané zařízení pro měření parametru kvality laserového svazku M2 v jednom kroku beze změny pozice fotodetektoru vůči fokusační optice, jehož podstata spočívá v tom, že měřený laserový svazek ve viditelné, infračervené nebo ultrafialové spektrální oblasti je fokusován do zobra-2CZ 305256 B6 zovacího tělesa, ve kterém dochází ke vzniku fluorescenčního obrazce, který je detekován a vyhodnocován.
Zařízení podle vynálezu obsahuje:
- Fokusační optický systém pro fokusaci laserového svazku do zobrazovacího tělesa,
O ve výhodném provedení je hloubka ostrosti fokusačního optického systému větší, než je průměr primárního laserového svazku.
- Zobrazovací těleso, které má následující vlastnosti:
O materiál tělesa vykazuje fluorescenci v rozsahu vlnové délky měřeného laserového svazku, vykazuje detekovatelnou fluorescenci pro měřený výkon laserového svazku a má práh poškození vyšší, než je přiváděný měřený laserový svazek.
O krček kaustiky fokusovaného měřeného laserového svazkuje v objemu materiálu tělesa,
O Těleso je sloupcovitého tvaru s alespoň jednou rovinnou podstavou, jejíž nejmenší příčný rozměr a je větší než nebo roven průměru do laserového svazku vstupujícího do zařízení (a > do) a jednou rovinnou boční stěnou pláště, která vychází ze společné hrany s podstavou o délce odpovídající alespoň rozměru a a jejíž délka je alespoň 3 x Rf, přičemž obě tyto rovinné plochy jsou vyleštěny do opticky transparentní roviny kvalitou odpovídající vlnové délce λ dopadajícího měřeného laserového svazku.
O Ve výhodném provedení je kaustika fokusovaného záření v objemu zobrazovacího tělesa v minimální délce trojnásobku Rayleighovy vzdálenosti Rf.
O Ve výhodném provedení lze do objemu tělesa vepsat hranol o rozměrech a x a x b, kde a > do a b > 3 x Rf.
O Ve výhodném provedení je materiálem zobrazovacího tělesa fotocitlivé sklo, nebo transparentní keramika nebo monokrystal s vhodnou iontovou dopací dle vlnové délky měřeného laserového svazku.
- Fotodetektor s prostorovým rozlišením pro záznam fluorescence indukované vstupujícím fokusovaným laserovým svazkem v zobrazovacím tělese.
O Ve výhodném provedení je rozlišení fotodetektoru minimálně 10 pixelů detekujících fluorescenční obraz, které jsou uspořádány ve směru rovnoběžném s osou šíření měřeného laserového svazku.
O Ve výhodném provedení je fotodetektorem CCD kamera, nebo CMOS, nebo pole pixelových detektorů.
Zařízení je výhodné doplnit vyhodnocovací jednotkou pro analýzu a vyhodnocení fluorescenčních obrazců.
Ve výhodném provedení zařízení obsahuje zobrazovací optický systém pro přenos fluorescenčního obrazce na plochu fotodetektoru.
V jiném výhodném provedení je zařízení doplněno na vstupu děličem svazku pro regulaci laserového výkonu vstupujícího do zařízení.
V jiném výhodném provedení obsahuje zařízení spínací jednotku pro synchronizaci fotodetektoru s impulzy měřeného laseru.
Pro opakovači frekvenci měření je určující rychlost fotodetektoru, doba života fluorescence a tedy relaxace zobrazovacího tělesa odpovídá přibližně 1O8 s.
-3 CZ 305256 B6
Měřený laserový svazek prochází systémem fokusační optiky a proniká do zobrazovacího tělesa rovinnou podstavou, jejíž nejmenší příčný rozměr a > dQ a jeho materiál vykazuje detekovatelný jev fluorescence pro měřenou vlnovou délku laserového svazku. Fluorescenční obrazec je následně zaznamenán fotodetektorem s dostatečným prostorovým rozlišením.
Parametr M2 charakterizuje kvalitu měřeného laserového svazku. Z naměřeného fluorescenčního obrazce odečítáme příčný rozměr d/ v různých místech kaustiky (dle normy ISO11146) a následně vypočítáme
M2 = — přičemž parametr čýje určen vlastnostmi fokusační optiky zařízení.
Fluorescenční obrazec je s výhodou následně analyzován a vyhodnocován vyhodnocovací jednotkou, jejímž výstupem je parametr kvality laserového svazku M2.
Objasnění výkresů
Vynález bude dále přiblížen pomocí výkresů, které znázorňují;
- Obr. 1 - schéma uspořádání tradičního zařízení pro měření parametru kvality laserového svazku M2,
- Obr. 2 - schéma uspořádání zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality laserového svazku M2 podle vynálezu,
- Obr. 3a-f - příklady tvarů zobrazovacího tělesa při zachování definovaných podmínek.
Příklady uskutečnění vynálezu
Obr. 1 zobrazuje tradiční, běžně komerčně dostupné zařízení pro měření parametru kvality laserového svazku M2. Zařízení je tvořeno zdrojem měřeného laserového svazku I, systémem zrcadel 2 pro navedení svazku na fokusační optiku 3, se kterou může být pohybováno ve směru osy šíření měřeného laserového svazku 1 a fotodetektorem 4 s prostorovým rozlišením, se kterým také může být pohybováno ve směru osy šíření měřeného laserového svazku 1. Díky vzájemnému pohybu fokusační optiky 3 a fotodetektoru 4 je postupně proměřován tvar kaustiky a následně je zpracován vyhodnocovací jednotkou 6, kterou obvykle tvoří počítač s příslušným softwarem.
Na Obr. 2 je představeno schéma zařízení podle vynálezu. Při popisu jsou pro techniky analogické prvky použity stejné vztahové značky jako při popisu zařízení známého ze stavu techniky.
Oproti tradičnímu řešení obsahuje zařízení podle vynálezu modifikovaný (modifikace dle stavu techniky) systém fokusační optiky 3. Fokusovaný měřený laserový svazek I pak vstupuje do zobrazovacího tělesa 5, kde dochází během jevu fluorescence ke konverzi vlnových délek záření vstupujícího na vlnovou délku odpovídající citlivosti fotodetektoru 4. Fluorescenční obraz vzniklý v zobrazovacím tělese 5 je zobrazen na fotodetektor 4. Fluorescenční obraz vzniklý v zobrazovacím tělese 5 je zobrazen na fotodetektor 4 a následně je analyzován a vyhodnocen vyhodnocovací jednotkou 6, kterou obvykle tvoří počítač s příslušným softwarem. Ve výhodném provedení je zařízení doplněno o spínací jednotku 7 pro synchronizaci fotodetektoru s impulzy měřeného laseru.
Obr. 3a až 3f zobrazuje příklady možných tvarů zobrazovacího tělesa 5, které musí splňovat podmínky dle vynálezu. Zobrazovací těleso 5 může mít v podstatě libovolný tvar, nicméně měřený laserový svazek i musí do zobrazovacího tělesa 5 vstupovat rovnou, opticky transparentní a
-4CZ 305256 B6 kolmo na směr šíření orientovanou stěnou (podstava a x a), jejíž minimální příčný rozměr a>d0 odpovídá alespoň průměru měřeného laserového svazku i. Dále musí být splněna podmínka, že vznikající fluorescenční obrazec kaustiky musí být v celé jeho délce možné detekovat na opět rovné a opticky transparentní stěně (a x b), která je orientována rovnoběžně s osou šíření měřeného laserového svazku i. Tato stěna a x b, ze které je snímán fluorescenční obrazec musí mít rozměr b ve směru osy šíření měřeného laserového svazku 1 roven minimálně trojnásobku Rayleighovy vzdálenosti b > 3 x Rf. Geometrické osy zobrazovacího tělesa 5 mohou být obecně orientovány nezávisle na směru šíření měřeného laserového záření při zachování výše popsaných podmínek.
Experimentální uspořádání ve všech uvedených příkladech odpovídalo schématu uvedenému na Obr. 2.
Příklad 1
Pevnolátkový impulzní diodově čerpaný laser generuje nanosekundové pulzy záření o vlnové délce 1030 nm, a středním výkonu 50 W, opakovači frekvence je 10 Hz.
Zobrazovacím tělesem 5 je deska z transparentní keramiky dopované ionty Er3+ a Yb3+ fotocitlivá na vlnový rozsah 900 nm až 1070 nm s emisí fluorescencí v rozsahu 550 nm až 660 nm. Minimální citlivost je 15 mW/mm2 pro 1060 nm, práh poškození 110 W/mm2 kontinuálního výkonu. Fotodetektorem 4 je CMOS kamera se spektrálním rozsahem citlivosti 400 nm až 900 nm.
Dále zařízení obsahuje spínací jednotku 7 synchronizující dobu snímání fotodetektoru s opakovači frekvencí laseru. Zařízení měří s frekvencí 10 Hz odpovídající opakovači frekvenci laserového zdroje.
Výsledky měření korespondují s výsledky získanými konvenčním zařízením. Z jednoho impulzu získané hodnoty parametru kvality M2 laserového svazku umožňují sledovat fluktuace mezi jednotlivými impulzy, zatímco konvenčně měřené hodnoty odpovídají středním hodnotám.
Příklad 2
Vláknový Er:sklo laserový zdroj generuje záření o vlnové 1,55 pm kontinuálního výkonu 1W.
Zobrazovacím tělesem 5 je hranol se dvěma vzájemně kolmými vyleštěnými stěnami z monokrystalu dopovaného ionty Sammaria Sm:YAG.
Fotodetektorem 4 je CCD kamera s regulovatelnou závěrkou.
Z jednoho každého snímku s proměnnou dobou integrace získané hodnoty parametru kvality M2 laserového svazku odpovídají hodnotám naměřeným konvenčním zařízením.
Příklad 3
Optický parametrický zesilovač emitující pikosekundové pulzy o vlnové délce 800 nm a středním výkonu 5 W s opakovači frekvencí 10 kHz.
Zobrazovací těleso 5 je částečně seříznutá a vyleštěná tyč z borosilikátového skla dopovaného ionty Yb3+.
-5CZ 305256 B6
Fotodetektorem 4 je pole pixelových detektorů. Zařízení je doplněno o optický systém zobrazující fluorescenční obrazec na pole pixelových detektorů o velikosti 1x10. Fotodetektor má integrovanou záznamovou a vyhodnocovací jednotku.
Z řady kontinuálně snímaných impulzů získané hodnoty parametru kvality M2 laserového svazku odpovídají hodnotám naměřeným konvenčním zařízením.
Příklad 4
Excimerový laser o vlnové délce 250 nm s opakovači frekvencí 1 Hz.
Fluorescenční obrazec je detekován pomocí sloupcovitého tělesa obecného tvaru se dvěma vzájemně kolmými stěnami rozměrů odpovídajících definicí (ostatní stěny nejsou speciálně opracovány). Materiálem zobrazovacího tělesa je Cerem dopovaný krystal Lutecium aluminium granátu Ce:LuAG.
Fotodetektorem 4 je CCD kamera se závěrkou. Zařízení je doplněno o spínací jednotku 7 pro synchronizaci laserového zdroje a fotodetektorů.
Z každého snímku jednotlivých výstřelů získané hodnoty parametru kvality M2 laserového svazku korespondují s hodnotami naměřenými konvenčním zařízením v sekvenci impulzů. Obdobně jako v příkladu 1 je možné díky zařízení podle vynálezu sledovat fluktuace mezi jednotlivými impulzy, zatímco výsledek měření konvenčním zařízením nabízí pouze střední hodnotu.
Příklad 5
Laserový zdroj vysokého výkonu typu PALS generující laserový impulz s energií v řádu kJ. Osamocené impulzy jsou opakovány jednou za cca 20 minut. Vlnová délka produkovaného záření je 1315 nm.
Před fokusační optiku 3 je zařazen dělič svazku (může být součástí systému zrcadel 2) pro regulaci výkonu záření vstupujícího do zařízení.
Zobrazovacím tělesem je osmihranný hranol tvarově splňující podmínky dle vynálezu. Materiálem je ionty Erbia dopovaná keramika Yttrium aluminium perovskitu (Er.YAP).
Fotodetektorem je CCD kamera se závěrkou. Zařízení je doplněno o spínací jednotku pro synchronizaci laserového zdroje a fotodetektorů a dále o vyhodnocovací jednotku v podobě PC a komerčně dostupným softwarem.
Z každého jednotlivého snímku jednotlivých výstřelů získané hodnoty parametru kvality M2 laserového svazku korespondují s hodnotami naměřenými konvenčním zařízením v sekvenci impulzů s rozšířenou možností sledování fluktuací v jednotlivých impulzech. Pro optimalizaci laserového zdroje provozovaného v tomto režimu „single shot“ je vyhodnocení parametru kvality svazku M z jednoho výstřelu zásadní.
Pro realizaci zařízení je rozhodující vlnová délka měřeného laserového svazku I a volba spektrální citlivosti fotodetektorů 4. Dle těchto parametrů je třeba volit vhodný materiál pro zobrazovací těleso 5 tak, aby absorpční a emisní spektra odpovídala vstupním parametrům. Vhodné kombinace jsou známy ze stavu techniky a ukazuje je následující přehled.
Vhodný materiál nosiče může být pro všechny spektrální oblasti analogický:
-6CZ 305256 B6
Skla BK7, tavený křemen, fluorofosfátové, fluorozirkonát, fluorosilikát, fused quartz, fosfátové, fosfosilikátové, křemičitan sodný, telurité, chalkogenidové, germaniěité, borosilikátové, sodno-draselné, borofosforosodné.
Keramiky Silicate oxyfluoride sklo-keramika, Germanate-oxyfluoride skloa krystaly keramika, Tellurite-oxyhalide sklo-keramika, Yttium aluminium gamet (YAG), Safír, Yttria, Magnesium aluminate spinel, Lutetium aluminium gamet (LuAG), Sesquioxides, Calcium-fluoride, Yttrium aluminium perovskite (YAP).
IR rozsah vlnových délek ~ 800 nm - 11 pm
Mechanismus: konverze na kratší vlnové délky
Dopant: Vz. zeminy (např. Y, La, Pr, Nd, Sm, Eu, Gd, Ho, Er, Tm, Yb, Ce)
VIS rozsah vlnových délek ~ 400 nm - 800 nm
Mechanismus: Rozptyl, fluorescence
Dopant: Nanočástice kovů (např. Zn, Cr, Ag, Au, Al, Pb, Sn, Ti)
Lanthanoidy (např. La, Er, Yb, atd.)
Aktinoidy (např. Th, atd.)
UV rozsah vlnových délek ~ 100 nm - 400 nm a dále EUV, X-ray
Mechanismus: Scintilace
Dopant: Vz. zeminy (např. Y, La, Pr, Nad, SM, Eu, Gd, Ho, Er, Tm, Yb, Ce)
Kovy (např. Zn, Cr, Au, Ag, Ti, Al, Pb, Sn, atd.)
Lanthanoidy (např. La, Er, Yb, atd.)
Aktinoidy (např. Th, atd.)
Výkresy a příklady, které ilustrují představovaný vynález, a jeho konkrétní provedení v žádném případě neomezují rozsah ochrany uvedený v nárocích, ale jen objasňují podstatu vynálezu.
Průmyslová využitelnost
Pro řadu průmyslových a vědeckých aplikací laserových svazků je kvalita svazku zásadním parametrem. H vysokovýkonových ultrakrátkých impulzních systémů dochází ke změně kvality v jednotlivých impulzech v delším časovém úseku a je tedy třeba monitorovat kvalitu svazku (parametr M1 2) průběžně v jednotlivých impulzech s rychlým vyhodnocením a zpětnou vazbou korigovat změny v laserovém systému tak, aby byl výsledný efekt pro aplikaci stabilní.
Claims (12)
- PATENTOVÉ NÁROKY1. Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M2 laserového svazku, které obsahuje fokusační optický systém (3) pro fokusaci měřeného laserového svazku (1), fotodetektor (4) a vyhodnocovací jednotku (6) připojenou k fotodetektoru vyznačující se tím, že mezi fokusačním optickým systémem (3) a fotodetektorem (4) je uspořádáno zobrazovací těleso (5) z materiálu vykazujícího detekovatelnou fluorescenci v rozsahu vlnové délky měřeného laserového svazku (1), a které má alespoň jednu rovinnou podstavu, jejíž nejmenší příčný rozměr (a) je větší nebo roven průměru (d0) laserového svazku (1) vstupujícího do zařízení (a > d0) a dále alespoň jednu rovinnou boční stěnu pláště, přičemž obě tyto rovinné plochy jsou vyleštěny do opticky transparentní roviny kvalitou odpovídající vlnové délce λ dopadajícího měřeného laserového-7 CZ 305256 B6 svazku (1), přičemž fotodetektor (4) je uspořádaný pro snímání fluorescenčního obrazce indukovaného v zobrazovacím tělese (5) dopadajícím měřeným laserovým svazkem (1) přes alespoň jednu opticky transparentní stěnu zobrazovacího tělesa (5).
- 2. Zařízení podle nároku 1, vyznačující se tím, že vyhodnocovací jednotka (6) je určená pro analýzu a vyhodnocení fluorescenčního obrazce.
- 3. Zařízení podle nároku 1 nebo 2, vyznačující se tím, že dále obsahuje zobrazovací optický systém uspořádaný mezi zobrazovacím tělesem (5) a fotodetektorem (4), který je určen pro přenos fluorescenčního obrazce na plochu fotodetektoru (4).
- 4. Zařízení podle některého z nároků 1 až 3, v y z n a Č u j í c í se tí m , že před fokusačním optickým systémem (3) je uspořádán dělič svazku pro regulaci výkonu měřeného laserového svazku (1) vstupujícího do zařízení.
- 5. Zařízení podle jednoho z nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že dále obsahuje spínací jednotku (7) pro synchronizaci fotodetektoru (4) s impulzy měřeného laserového svazku (1).
- 6. Zařízení podle některého z nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že objem materiálu zobrazovacího tělesa (5) pojme kaustiku fokusovaného laserového svazku (1) alespoň v délce trojnásobku Rayleighovy vzdálenosti Rf.
- 7. Zařízení podle některého z nároků 1 až 6, vyznačující se tím, že zobrazovací těleso (5) je sloupcovitého tvaru s alespoň jednou rovinnou podstavou, jejíž nejmenší příčný rozměr a je větší než nebo roven průměru dn laserového svazku (1) vstupujícího do zařízení [a > do) a jednou rovinnou boční stěnou pláště, která vychází ze společné hrany s podstavou o délce odpovídající alespoň rozměru a a jejíž délka b je alespoň rovna trojnásobku Rayleighovy vzdálenosti b > 3 x Rf.
- 8. Zařízení podle nároku 6 nebo 7, vyznačující se tím, že do objemu zobrazovacího tělesa (5) je vepsatelný hranol o rozměrech axaxb, kde a>doab>3xRf, přičemž osa hranolu rovnoběžná s hranou délky b je orientována koaxiálně s osou fokusačního optického systému (3).
- 9. Zařízení podle nároku 8, vyznačující se tím, že alespoň jedna boční stěna vepsaného hranolu, která tvoří obdélník o rozměrech a x b je současně alespoň částí vnější stěny zobrazovacího tělesa (5), přičemž alespoň uvedená alespoň jedna stenaje vyleštěna do opticky transparentní roviny.
- 10. Zařízení podle některého z nároků laž9, vyznačující se tím, že zobrazovací tělesa (5) je z fotocitlivého skla, transparentní keramiky nebo monokrystalu s vhodnou iontovou dopací dle vlnové délky měřeného laserového svazku (1).
- 11. Zařízení podle některého z nároků lažlO, vyznačující se tím, že fotodetektor (4) má prostorové rozlišení alespoň 10 pixelů pro detekci fluorescenčního obrazce, které jsou uspořádány ve směru rovnoběžném s osou šíření měřeného laserového svazku (1).
- 12. Zařízení podle některého z nároků 1 až 11, vyznačující se tím, že fotodetektor (4) je CCD kamera, CMOS kamera, nebo pole pixelových fotodetektorů.
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-383A CZ305256B6 (cs) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku |
| EP15001590.7A EP2952861A1 (en) | 2014-06-03 | 2015-05-27 | Apparatus and method for single shot measurement of the m2 parameter of a laser beam |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2014-383A CZ305256B6 (cs) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ2014383A3 CZ2014383A3 (cs) | 2015-07-01 |
| CZ305256B6 true CZ305256B6 (cs) | 2015-07-01 |
Family
ID=53275953
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2014-383A CZ305256B6 (cs) | 2014-06-03 | 2014-06-03 | Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku |
Country Status (2)
| Country | Link |
|---|---|
| EP (1) | EP2952861A1 (cs) |
| CZ (1) | CZ305256B6 (cs) |
Families Citing this family (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE102016011568B4 (de) | 2016-09-26 | 2019-03-07 | Primes GmbH Meßtechnik für die Produktion mit Laserstrahlung | Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls |
| KR20190129028A (ko) * | 2017-03-29 | 2019-11-19 | 세키스이가가쿠 고교가부시키가이샤 | 레이저광 검지구 |
| FR3068127B1 (fr) * | 2017-06-21 | 2020-12-25 | Leosphere | Dispositif pour le diagnostic de systemes optroniques et procede associe. |
| TWI647430B (zh) | 2017-10-12 | 2019-01-11 | 致茂電子股份有限公司 | 光學量測裝置 |
| DE102017131224A1 (de) * | 2017-12-22 | 2019-06-27 | Precitec Gmbh & Co. Kg | Verfahren und Vorrichtung zur Erfassung einer Fokuslage eines Laserstrahls |
| CN112414677B (zh) * | 2020-11-10 | 2022-05-27 | 中国工程物理研究院上海激光等离子体研究所 | 一种高精度测量光学元件体内光斑大小的测试装置及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006054480A (ja) * | 2005-09-16 | 2006-02-23 | Mitsubishi Electric Corp | レーザプロセス装置 |
| CN2890864Y (zh) * | 2006-01-18 | 2007-04-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光光束质量测量装置 |
| CN2890863Y (zh) * | 2005-09-28 | 2007-04-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光光束质量m2因子实时检测仪 |
| CN101393050A (zh) * | 2008-11-07 | 2009-03-25 | 四川大学 | 激光光束m2因子矩阵的测量方法与测量仪器 |
| US8427633B1 (en) * | 2010-04-08 | 2013-04-23 | Haas Laser Technologies, Inc. | Laser beam analysis apparatus |
| CN103499872A (zh) * | 2013-09-02 | 2014-01-08 | 长春理工大学 | 一种用于激光光束质量测量的超消色差光学系统 |
Family Cites Families (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4792690A (en) * | 1987-08-21 | 1988-12-20 | University Of Tennessee Research Corporation | Ultraviolet laser beam monitor using radiation responsive crystals |
| DE3738480A1 (de) * | 1987-11-12 | 1989-05-24 | Lambda Physik Forschung | Verfahren und vorrichtung zum messen der intensitaet eines uv-laserstrahles |
| JPH0641885B2 (ja) * | 1991-10-07 | 1994-06-01 | 工業技術院長 | 気体ビームを用いた超短レーザーパルス測定方法 |
-
2014
- 2014-06-03 CZ CZ2014-383A patent/CZ305256B6/cs not_active IP Right Cessation
-
2015
- 2015-05-27 EP EP15001590.7A patent/EP2952861A1/en not_active Withdrawn
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2006054480A (ja) * | 2005-09-16 | 2006-02-23 | Mitsubishi Electric Corp | レーザプロセス装置 |
| CN2890863Y (zh) * | 2005-09-28 | 2007-04-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光光束质量m2因子实时检测仪 |
| CN2890864Y (zh) * | 2006-01-18 | 2007-04-18 | 中国科学院上海光学精密机械研究所 | 激光光束质量测量装置 |
| CN101393050A (zh) * | 2008-11-07 | 2009-03-25 | 四川大学 | 激光光束m2因子矩阵的测量方法与测量仪器 |
| US8427633B1 (en) * | 2010-04-08 | 2013-04-23 | Haas Laser Technologies, Inc. | Laser beam analysis apparatus |
| CN103499872A (zh) * | 2013-09-02 | 2014-01-08 | 长春理工大学 | 一种用于激光光束质量测量的超消色差光学系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| EP2952861A1 (en) | 2015-12-09 |
| CZ2014383A3 (cs) | 2015-07-01 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CZ305256B6 (cs) | Zařízení pro jednokrokové měření parametru kvality M² laserového svazku | |
| Parzuchowski et al. | Setting bounds on entangled two-photon absorption cross sections in common fluorophores | |
| CN101140196B (zh) | 透镜焦距的测量装置及其测量方法和光学质量评估方法 | |
| CN100529737C (zh) | 超短脉冲激光诱导的多光子电离非线性显微成像方法和系统及其应用 | |
| Lednev et al. | Compact diode-pumped Nd: YAG laser for remote analysis of low-alloy steels by laser-induced breakdown spectroscopy | |
| CN108233154A (zh) | 使用激光脉冲倍增器的半导体检验及计量系统 | |
| CN102680447A (zh) | 光学材料的缺陷和光致损伤的检测装置 | |
| CN106403843A (zh) | 基于共焦显微技术的大口径高曲率光学元件的轮廓扫描测量装置及方法 | |
| Su et al. | Optical emission character of collinear dual pulse laser plasma with cylindrical cavity confinement | |
| CN107110783B (zh) | 用于激光诱导击穿光谱的紧凑型装置及其方法 | |
| CN202916206U (zh) | 一种薄膜抗激光损伤能力测量与评价装置 | |
| Castillo et al. | Depressed-cladding 3-D waveguide arrays fabricated with femtosecond laser pulses | |
| JP2007071831A (ja) | 光学材料の評価方法および装置 | |
| Mackinnon et al. | Implementation of a near backscattering imaging system on the National Ignition Facility | |
| Ito et al. | Picosecond time‐resolved absorption spectrometer using a streak camera | |
| EP1312912A1 (en) | Light track observing device | |
| WO2002016913A1 (fr) | Instrument pour mesurer la duree de vie de fluorescence | |
| Voropay et al. | Laser atomic emission spectrometer with achromatic optical system | |
| Dimitrov et al. | Measuring the relation between pulse-front-tilt angle and beam size for ultrashort laser pulses | |
| RU2671150C1 (ru) | Способ формирования дефектов в объеме образца диэлектрика лазерным излучением | |
| US7046365B1 (en) | Light track observing device | |
| RU2375677C1 (ru) | Измеритель шероховатости | |
| Denis et al. | LMJ 2023 facility status | |
| Jedamzik et al. | Recent results on bulk laser damage threshold of optical glasses | |
| Mühlig et al. | Laser induced deflection (LID) method for absolute absorption measurements of optical materials and thin films |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | Patent lapsed due to non-payment of fee |
Effective date: 20180603 |