DD147001A1 - RADIATION ENERGY AND power meter - Google Patents
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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.The invention relates to a radiant energy and power generation apparatus, in particular for measuring high radiant powers of a few hundred and fifty one hundredths of a second. The aim of the invention is to provide a radiant energy and power meter which continuously monitors the energy or power of a radiant current This is achieved by the fact that in the beam path a scattering plate (or lens) with good transmissivity turned on and for energy or performance measurement only the radiation scattered in the plate is required, for example directs a Stahlungsleitkonus on a suitable detector. The radiation to be measured can be both continuous and pulse-shaped. The invention is suitable for energy or power measurement during the execution of work with a material processing laser.
Description
-"- 216 581- "- 216 581
Wieczorek, Dr. Ludwig Müller, Jürgen Fritz, GerhardWieczorek, dr. Ludwig Müller, Jürgen Fritz, Gerhard
Strahlungsenergie- und -leistungsmeBgerätRadiation energy and power meter
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.The invention relates to a device for measuring high radiation intensities preferably infrared, but also visible or ultraviolet radiation. The device is particularly suitable for measuring laser radiation.
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 -Various types of radiant energy meters, in particular of laser power and laser power meters, are known (see: Birnbaum, G. et al., Measurement of laser energy and power, Eroc., IEEE j., 5 (1967). 6, 1026 - IO3I; or: Gunn, SR: 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.Some types of devices are designed so that they can be arranged directly in the beam path for the purpose of energy or "power measurement and the laser beam hits the meter with its entire energy or power." It is therefore not possible during such an energy or power measurement. to use the laser beam at the same time elsewhere.
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.In cases where you want to continuously observe a laser energy or power, while the laser beam z. B. is used for material processing, it is known (z, B. US-PS 3,624,542), with the help of the beam direction obliquely arranged partially transparent optical materials, so-called beam splitters, couple out certain portions of the total power from the main beam by Eeflexion and a suitable To supply the detector. As a beam splitter are generally crystal window, which may have been suitably coated, use.
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.The percentage of radiation reflected as it passes through such a beam splitter is a minimum of about 5%. This means that z. B. for measuring high continuous radiation power between 100 W and 200 W, as they occur quite in material processing lasers, even for the measurement of only reflected at the beam splitter portion of the radiation power requires a particularly high loadable radiation power meter. This usually requires an increased economic effort. Equivalent applies to the measurement of higher energy amounts.
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,Finally, US Pat. No. 4,019,381 describes a "transparent optical power meter" in which the beam to be measured also requires an optical element, which, however, need not be arranged in an inclined position in the beam path,
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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.penetrates. In this case, the heating occurring as a result of absorption of a part of the radiation in the optical element is utilized as the measuring signal, d, h. Touch temperature sensors detect the changing temperature difference between the optical element and its surroundings. However, this arrangement operates relatively sluggish and also leads to a - especially in the use of laser beams for Materialbearbeitung'- unwanted weakening of the laser beam itself.
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·The invention provides the ability to continuously measure the energy or the power of a radiation current, while at the same time the effect of this z. B. in the form of a laser beam present radiation stream otherwise and unimpaired by the signal recovery z. B. can be used for purposes of material processing ·
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.The invention has for its object to describe a radiant energy and power meter, which is relatively easy constructed of well-available elements and avoids the disadvantages described above.
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, wieAccording to the invention, the object is achieved by a radiant energy and Leistungsmeßgerät, which consists of a scattering plate and a radiation detector, preferably. arranged at an angle of 90 ° »perpendicular to the transmission direction of the scattering plate and with this by a suitable optical transmission element, such as
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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«,ζ. Einen «a Strahlungsleitkonus or a light guide cable or a lens or« mirror assembly is connected. Depending on the type of radiation current to be measured, the scattering plate consists of one of the known optical materials which are very readily radiation-permeable for specific wavelength ranges. The scattering plate can also be designed as a lens. The radiation detector is also a function of the spectral composition of the radiation current, but also the time course of its strength (continuous or pulsed radiation .strom) τ- a known radiation detector of the type of thermal or quantum detector with suitable spectral sensitivity and suitable temporal response "
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.A constructed in this way radiant energy and power meter is introduced to measure a radiation energy or performance directly into the beam path, so that the entire radiation (except for reflection losses) enters the scattering plate. According to the very good transmittance of the scattering plate for the radiation to be measured, the vast majority of the radiation on the back of the scattering plate reemerges and is available for other uses. However, a very small portion of the radiation is diffusely scattered within the scattering plate due to crystal defects and other imperfections in the material of the scattering plate. This proportion passes through a polished side surface of the scattering plate from this and is z. B. passed over a Strahlungsleitkonus arranged perpendicular to the passage direction of the radiation through the scattering plate radiation detector and used by this for signal extraction. When using the meter as a Strahlungsenergiemeßgerät the radiation detector is a detector with integrating effect.
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Als StrahlungsleistungsmeBgerät ist das Gerät mit einem Detektor ohne integrierende Wirkung ausgestattet.As a radiation power measuring device, the device is equipped with a detector without integrating effect.
Die Erfindung soll nachstehend an vier Ausführungsbeispielen an Hand von Zeichnungen näher erläutert werden, wobei zum Teil mehrere Variantenlösungen angegeben werden. Es zeigenThe invention will be explained in more detail below with reference to four exemplary embodiments with reference to drawings, some of which specify a number of variant solutions. Show it
Fig. 1: das Prinzipschema eines Schnitts durch ein Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät undFig. 1: the schematic diagram of a section through a radiant energy and power meter and
Fig. 2: das Prinzipschema der Draufsicht auf einFig. 2: the schematic diagram of the plan view of a
Strahlungsenergie- und -leistungsmeßgerät.Radiation energy and power meter.
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 DetektorTo a scattering plate 1, which is penetrated during a radiation energy or power measurement of the radiation to be measured in the direction 4 -> 5, a radiation detector 2 is arranged perpendicular to the transmission direction. In this case, the optical transmission element 3 is formed between the diffusion plate 1 and the radiation detector 2 either as a beam guide cone or as a light guide or as a lens or mirror assembly. The edge surfaces of the scattering .platte 1 are preferably matte polished or mirrored and only where the optical transmission element 3 is attached to the diffusion plate 1, optically finely polished, so that the scattered radiation well there from the diffusion plate 1 and exit via the optical transmission element 3 in cLen radiation detector 2 can get. The radiation detector 2 is arranged in a version not shown in the figures, in which he easily against another detector
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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.can be exchanged with other properties, depending on whether an energy or power measurement is to be performed, or, depending on which spectral composition and which time course the radiation to be measured has.
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.An already proven and proven pattern of a Strahlungsleistungsmeßgerätes, for measuring up to about 200 W strong continuous COp laser radiation z. B. from a round, 3 m ^ thick Alkalihalogenidstreuplatte with 20 mm diameter, from the edge of a segment with a baseline of about 10 mm in length has been polished, so that the scattering radiation resulting in the scattering plate by an area of ca * 3 I 10 mm can emerge laterally from the spreading plate. The scattering plate is held in a not shown in the figures with the version in the meter.
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 beschlägtβ Die Eigentemperatur der Streuplatte beeinflußt die hier als Relativmessung durchgeführte Leistungsmessung nicht, wenn sie konstant gehalten wird. - . ·When using hygroscopic alkali halides, it is expedient to additionally arrange a known heating device, as amended, which is the temperature of the diffusion plate to hold so high in a position that the diffusion plate itself does not fog β Temperature of the diffusion plate affects the here performed as a relative measure performance measurement not if it is kept constant. -. ·
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.The version of the scattering plate is fixedly connected to the socket for the radiation detector within the measuring device, it being favorable, the connector in the form of a known Radungsleitkonus 1 with a suitable inlet and outlet aperture and suitable opening angle, ζ. Β, an internally polished tube tapering conically towards the detector.
216 5Sl216 5sl
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.The detector is a commercially available radiation thermometer with a sensitivity of approx. 10 V / W. In the described embodiment, the radiation power meter delivers a signal of approximately 15 mV at a radiation power of approximately 100 W, for the generation of which only 1.5 mW of scattered radiation is therefore required. This output signal is in a metrologically further processed order of magnitude. The measurement signal proved to be well linearly dependent on the measured radiation power.
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 a second, the first very similar embodiment, the scattering plate is formed as a lens, which is also polished laterally, so that an exit of the scattered radiation to the detector is possible. This scattering plate designed as a lens fulfills in this case additional optical punctures with respect to the course of the beam path of the radiation to be measured, which, however, are unrelated to the mode of operation of the measuring device.
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 a third embodiment of a radiant energy and Leistungsmeßgerätes, which is preferably suitable for measuring low-frequency modulated radiation, the radiation detector 2 is another thermal detector, for. B, a bolometer or a pyroelectric detector.
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.In a fourth embodiment, it is a radiant energy and power meter for rapidly successive radiation pulses. In this case, the radiation detector 2 is a correspondingly fast responding photoconductive or photovoltaic quantum detector or a still sufficiently sensitive pyroelectric detector.
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.It is an advantage of the invention under certain experimental conditions that only a few millimeters of freely accessible beam path "are required to introduce the radiant energy and Leistungsmeßgerätes in the beam path, while the introduction of beam splitters for coupling out reflected radiation claimed much more space.
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD21658179A DD147001A1 (en) | 1979-10-31 | 1979-10-31 | RADIATION ENERGY AND power meter |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DD21658179A DD147001A1 (en) | 1979-10-31 | 1979-10-31 | RADIATION ENERGY AND power meter |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| DD147001A1 true DD147001A1 (en) | 1981-03-11 |
Family
ID=5520846
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| DD21658179A DD147001A1 (en) | 1979-10-31 | 1979-10-31 | RADIATION ENERGY AND power meter |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| DD (1) | DD147001A1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3138878A1 (en) * | 1981-09-30 | 1983-04-14 | Boehringer Mannheim Gmbh, 6800 Mannheim | MEASURING DEVICE, IN PARTICULAR ULBRICHT'S BALL |
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1979
- 1979-10-31 DD DD21658179A patent/DD147001A1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE3138878A1 (en) * | 1981-09-30 | 1983-04-14 | Boehringer Mannheim Gmbh, 6800 Mannheim | MEASURING DEVICE, IN PARTICULAR ULBRICHT'S BALL |
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