DD147001A1

DD147001A1 - Strahlungsenergie-und-leistungsmessgeraet

Info

Publication number: DD147001A1
Application number: DD21658179A
Authority: DD
Inventors: Ludwig W Wieczorek; Juergen Mueller; Gerhard Fritz
Original assignee: Ludwig W Wieczorek; Juergen Mueller; Gerhard Fritz
Priority date: 1979-10-31
Filing date: 1979-10-31
Publication date: 1981-03-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Strahlungsenergie- und -leistungsgemaeszgeraet, insbesondere zur Messung hoher Strahlungsleistungen von einigen 10hoch1...10hoch2W.Zield.Erfindung ist es,ein Strahlungsenergie-und-leistungsmeszgeraet zu schaffen,mit dem kontinuierlich die Energie bzw.die Leistung eines Strahlungsstromes ueberwacht werden kann,waehrend der Strahlungsstrom gleichzeitig anderweitig nutzbar bleibt.Das wird dadurch erreicht,dasz in den Strahlengang eine Streuplatte(oder-linse)mit gutem Transmissionsvermoegen eingeschaltet und zur Energie-bzw.Leistungsmessung nur die in der Platte gestreute Strahlung benoetigt wird, die z.B. ein Stahlungsleitkonus auf einen geeigneten Detektor leitet. Die zu messende Strahlung kann sowohl kontinuierlich als auch impulsfoermig sein. Die Erfindung eignet sich zur Energie- oder Leistungsmessung waehrend der Ausfuehrung von Arbeiten mit einem Materialbearbeitungslaser.

Description

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Wieczorek, Dr. Ludwig Müller, Jürgen Fritz, Gerhard

Titel der Erfindung

Strahlungsenergie- und -leistungsmeBgerät

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Gerät zur Messung hoher Strahlungsstärken vorzugsweise infraroter, aber auch sichtbarer oder ultravioletter Strahlung. Das Gerät eignet sich insbesondere zur Messung von Laserstrahlung.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Es sind verschiedene lypen von Strahlungsenergie- bzw. -Ieistungsmeßgeräten, insbesondere von Laserenergie- und von Laserleistungsmeßgeräteri, bekannt (vgl.: Birnbaum, G. u. M.: Measurement of laser energy and power, Eroc. IEEE j?5 (1967) 6, 1026 - IO3I; oder: Gunn, S. R.: Calorimetric measurements of laser energy and power, J. Phys. E: Sei. Instr. 6> (1973) 105 -

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Einige Gerätetypen sind so aufgebaut, daß sie zum Zwecke der Energie- bzw« Leistungsmessung direkt im Strahlengang anzuordnen sind und der Laserstrahl mit seiner gesamten Energie bzw. Leistung auf das Meßgerät auftrifft« Während einer solchen Energie- bzw. Leistungsmessung ist es daher nicht möglich, den Laserstrahl gleichzeitig anderweitig zu nutzen.

In den Fällen, in denen man kontinuierlich eine Laserenergie oder -leistung beobachten will, während der Laserstrahl gleichzeitig z. B. zur Materialbearbeitung eingesetzt wird, ist es bekannt (z, B. US-PS 3.624.542), mit Hilfe von zur Strahlrichtung schräg angeordneten teildurchlässigen optischen Materialien, sogenannten Strahlteilern, gewisse Anteile der Gesamtleistung aus dem Hauptstrahl durch Eeflexion auszukoppeln und einem geeigneten Detektor zuzuführen. Als Strahlteiler finden im allgemeinen Kristallfenster, die evtl. noch geeignet beschichtet wurden, Verwendung.

Der Prozentsatz der Strahlung, der beim Durchtritt durch einen solchen Strahlteiler reflektiert v/ird, liegt bei minimal etwa 5 %. Das bedeutet, daß man z. B. zur Messung hoher kontinuierlicher Strahlungsleistungen zwischen 100 W und 200 W, wie sie durchaus bei Materialbearbeitungslasern auftreten, auch für die Messung des lediglich am Strahlteiler reflektierten Anteils der Strahlungsleistung einen besonders hoch belastbaren Strahlungsleistungsmesser benötigt. Das erfordert zumeist einen erhöhten ökonomischen Aufwand. Äquivalentes gilt für die Messung höherer Energiebeträge.

Schließlich wird in der US-PS 4.019.381 ein "Transparent optical power meter" beschrieben, bei dem ebenfalls der zu messende Strahl ein optisches Element, das jedoch nicht in Schrägstellung im Strahlengang angeordnet zu sein braucht,

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durchdringt. Man nützt hierbei die infolge Absorption eines Teiles der Strahlung im optischen Element auftretende Erwärmung als Meßsignal aus, d, h. man stellt durch Berührungstemperaturfühler den sich verändernden Temperaturunterschied zwischen dem optischen Element und seiner Umgebung fest. Diese Anordnung arbeitet jedoch relativ träge und führt außerdem zu einer - insbesondere bei der Verwendung von Laserstrahlen zur Materialbearbeitung'- unerwünschten Schwächung des Laserstrahls selbst.

Ziel der Erfindung

Durch die Erfindung soll die Möglichkeit geschaffen werden, die Energie bzw. die Leistung eines Strahlungsstromes kontinuierlich zu messen, während gleichzeitig die Wirkung dieses z. B. in Form eines Laserstrahles vorliegenden Strahlungsstromes anderweitig und im wesentlichen durch die Signalgewinnung ungeschwächt z. B. für Zwecke einer Materialbearbeitung genutzt werden kann·

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Strahlungsenergie- und-leistungsmeßgerät zu beschreiben, das relativ einfach aus gut verfügbaren Elementen aufgebaut ist und die oben geschilderten Nachteile vermeidet.

Erfindungsgemaß wird die Aufgabe durch ein Strahlungsenergie- und-leistungsmeßgerät gelöst, das aus einer Streuplatte und einem Strahlungsdetektor besteht, der vorzugsweise . in einem Winkel von 90 °» also senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung der Streuplatte angeordnet und mit dieser durch ein geeignetes optisches übertragungselement, wie

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ζ. Β« einen Strahlungsleitkonus oder ein Lichtleitkabel oder eine Linsen- bzw«, Spiegelanordnung, verbunden ist. Je nach Art des zu messenden Strahlungsstromes besteht die Streuplatte aus einem der bekannten, für spezielle Wellenlängenbereiche sehr gut strahlungsdurchlässigen optischen Materialien. Die Streuplatte kann auch als Linse ausgebildet sein. Der Strahlungsdetektor ist - ebenfalls in Abhängigkeit von der spektralen Zusammensetzung des Strahlungsstromes, aber auch vom zeitlichen Verlauf von dessen Stärke (kontinuierlicher oder impulsförmiger Strahlungs-.strom) τ- ein bekannter Strahlungsdetektor vom Typ eines thermischen oder eines Quantendetektors mit geeigneter spektraler Empfindlichkeit und geeignetem zeitlichen Ansprechvermögen«,

Ein in dieser Art aufgebautes Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät wird zur Messung einer Strahlungsenergie bzw. -leistung unmittelbar in den Strahlengang eingebracht, so daß die gesamte Strahlung (bis auf ReflexionsVerluste) in die Streuplatte eintritt. Entsprechend dem für die zu messende Strahlung sehr guten Transmissionsvermögen der Streuplatte tritt der weitaus überwiegende Teil der Strahlung auf der Rückseite der Streuplatte wieder aus und steht für andere Verwendungszwecke zur Verfügung. Ein sehr geringer Teil der Strahlung wird jedoch innerhalb der Streuplatte an Kristallbaufehlern und anderen Störstellen im Material der Streuplatte diffus gestreut. Dieser Anteil tritt durch eine polierte Seitenfläche der Streuplatte aus dieser aus und wird z. B. über einen Strahlungsleitkonus auf den senkrecht zur Durchgangsrichtung der Strahlung durch die Streuplatte angeordneten Strahlungsdetektor geleitet und von diesem zur Signalgewinnung genutzt. Bei Benutzung des Meßgerätes als Strahlungsenergiemeßgerät ist der Strahlungsdetektor ein Detektor mit integrierender Wirkung.

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Als StrahlungsleistungsmeBgerät ist das Gerät mit einem Detektor ohne integrierende Wirkung ausgestattet.

Ausführungsbeispiele

Die Erfindung soll nachstehend an vier Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden, wobei zum Teil mehrere Variantenlösungen angegeben werden. Es zeigen

Fig. 1: das Prinzipschema eines Schnitts durch ein Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät und

Fig. 2: das Prinzipschema der Draufsicht auf ein

Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät.

Zu einer Streuplatte 1, die während einer Strahlungsenergie- oder -leistungsmessung von der zu messenden Strahlung in Richtung 4 -> 5 durchdrungen wird, ist senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung ein Strahlungsdetektor 2 angeordnet. Dabei ist das optische Übertragungselement 3 zwischen Streuplatte 1 und Strahlungsdetektor 2 entweder als Strahlleitkonus oder als Lichtleitkabel oder als Linsen- oder Spiegelanordnung ausgebildet. Die Randflächen der Streu-.platte 1 sind vorzugsweise matt poliert oder verspiegelt und nur dort, wo das optische Übertragungselement 3 an die Streuplatte 1 angesetzt ist, optisch fein poliert, so daß die Streustrahlung dort gut aus der Streuplatte 1 austreten und über das optische Übertragungselement 3 in cLen Strahlungsdetektor 2 gelangen kann. Der Strahlungsdetektor 2 ist in einer in den Figuren nicht mit dargestellten Fassung angeordnet, in der er leicht gegen einen anderen Detektor

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mit anderen Eigenschaften ausgetauscht werden kann, je nachdem, ob eine Energie- oder Leistungsmessung ausgeführt werden soll, bzw, je nachdem, welche spektrale Zusammensetzung und welchen zeitlichen Verlauf die zu messende Strahlung besitzt.

Ein bereits erprobtes und bewährtes Muster eines Strahlungsleistungsmeßgerätes, zur Messung einer bis ca. 200 W starken kontinuierlichen COp-Laserstrahlung besteht z. B. aus einer runden, 3 ^m^ dicken Alkalihalogenidstreuplatte mit 20 mm Durchmesser, von der am Rande ein Segment mit einer Grundlinie von ca. 10 mm Länge abpoliert worden ist, so daß die in der Streuplatte entstandene Streustrahlung durch eine Fläche von ca* 3 ™i χ 10 mm aus der Streuplatte seitlich austreten kann. Die Streuplatte ist in einer in den Figuren nicht mit dargestellten Fassung im Meßgerät gehaltert.

Bei Verwendung von hygroskopischen Alkalihalogeniden ist es zweckmäßig, in der Fassung zusätzlich eine bekannte Heizvorrichtung anzuordnen, die die Temperatur der Streuplatte so hoch zu halten in der Lage ist, daß die Streuplatte selbst nicht beschlägt_β Die Eigentemperatur der Streuplatte beeinflußt die hier als Relativmessung durchgeführte Leistungsmessung nicht, wenn sie konstant gehalten wird. - . ·

Die Fassung der Streuplatte ist mit der Fassung für den Strahlungsdetektor innerhalb des Meßgerätes fest verbunden, wobei es günstig ist, dem Verbindungsstück die Form eines an sich bekannten Strahlungsleitkonus¹ mit geeigneter Eintritts- und Austrittsapertur sowie geeignetem Öffnungswinkel, ζ. Β«, eines innen polierten, sich konisch zum Detektor hin verjüngenden Rohrs, zu geben.

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Der Detektor ist eine handelsübliche Strahlungsthermosäule mit einer Empfindlichkeit von ca. 10 V/W. In der beschriebenen Ausführungsform liefert das Strahlungsleistungsmeßgerät bei einer Strahlungsleistung von ca. 100 W ein Signal von ca. 15 mV, zu dessen Erzeugung also lediglich 1,5 mW Streustrahlung benötigt werden. Dieses Ausgangssignal liegt in einer meßtechnisch günstig weiter verarbeitbaren Größenordnung. Das Meßsignal erwies sich als von der gemessenen Strahlungsleistung gut linear abhängig.

In einem zweiten, dem ersten sehr ähnlichen Ausführungsbeispiel ist die Streuplatte als Linse ausgebildet, die ebenfalls seitlich anpoliert ist, so daß ein Austritt der Streustrahlung zum Detektor möglich wird. Diese als Linse ausgebildete Streuplatte erfüllt in diesem Fall zusätzliche optische Punktionen in Bezug auf den Verlauf des Strahlenganges der zu messenden Strahlung, die aber in keinem Zusammenhang mit der Wirkungsweise des Meßgerätes stehen.

In einem dritten Ausführungsbeispiel eines Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerätes, das vorzugsweise zur Messung niederfrequent modulierter Strahlung geeignet ist, ist der Strahlungsdetektor 2 ein anderer thermischer Detektor, z. B, ein Bolometer oder ein pyroelektrischer Detektor.

In einem vierten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät für schnell aufeinanderfolgende Strahlungsimpulse. In diesem Falle ist der Strahlungsdetektor 2 ein entsprechend schnell ansprechender fotoleitender oder fotovoltaischer Quantendetektor oder ein noch ausreichend empfindlicher pyroelektrischer Detektor.

Es ist unter gewissen experimentellen Bedingungen ein Vorteil der Erfindung, daß zur Einbringung des Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerätes in den Strahlengang nur wenige Millimeter frei zugängiger Strahlengang "benötigt werden, während die Einbringung von Strahlteilern zur Auskopplung reflektierter Strahlung wesentlich mehr Platz beansprucht.

Claims

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Erfindungsanspruch ··

1. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät, gekennzeichnet dadurch, daß es aus einer Streuplatte und einem Strahlungsdetektor besteht, der vorzugsweise senkrecht zur Durchstrahlungsrichtung der Streuplatte angeordnet ist, wobei die Streuplatte und der Strahlungsdetektor durch ein optisches Übertragungselement vorzugsweise fest miteinander zu einer Einheit verbunden sind.
2. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Streuplatte an den Randflächen zumindest zum Teil optisch fein poliert und sonst matt oder verspiegelt ist.
3. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1 oder 2, gekennzeichnet dadurch, daß die Streuplatte als Linse ausgebildet ist.
4. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1,

2 oder 3» gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlungsdetektor ein thermischer Detektor, vorzugsweise eine Strahlungsthermosäule, ein Bolometer oder ein pyroelektrischer Detektor ist.
5. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1,

2 oder 3 > gekennzeichnet dadurch, daß der Strahlungsdetektor ein Quantendetektor ist.
6. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1, 2, 3, 4- oder 5» gekennzeichnet., da '- durch, daß das optische Übertragungselement als Strahlungsleitkonus ausgebildet ist," der eine sich zum Detektor hin verjüngende Form besitzt.
7. Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät nach Punkt 1, 2, 3, 4 oder 5_S gekennzeichnet dadurch, daß das optische Übertragungselement ein Lichtleitkabel oder eine Linsen- bzw. Spiegelanordnung ist.

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