DE10128529A1 - Verfahren zur gleichzeitigen Messung der Intensitäts-, Wellenfront- und Richtungsverteilungen von paraxialen optischen Strahlungsfeldern - Google Patents

Verfahren zur gleichzeitigen Messung der Intensitäts-, Wellenfront- und Richtungsverteilungen von paraxialen optischen Strahlungsfeldern

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    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
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Description

Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Die Charakterisierung von Laserstrahlung bildet eine wesentliche Voraussetzung sowohl für den Einsatz von Lasern in der Praxis als auch beim Design von Lasersystemen. Neben Kenngrößen wie Wellenlänge, Ausgangsleistung/-energie oder Stabilität sind vor allem Parameter zur Beschreibung der Strahlpropagation wichtig, die es erlauben, Strahldurchmesser oder Divergenz an verschiedenen Positionen entlang des Strahlverlaufs auch in Anwesenheit optischer Elemente vorauszusagen. Für die tägliche Praxis wird eine Charakterisierung mit Hilfe einer möglichst geringen Anzahl von Parametern angestrebt, die ohne großen Aufwand mit ausreichender Genauigkeit messbar sind.
Als tragfähiges Konzept, sowohl theoretisch als auch im praktischen Einsatz, hat sich die Strahlbeschreibung mit Hilfe der 1-ten und 2-ten statistischen Momente der Orts- und Winkelvariablen x, y bzw. u, v des Strahlungsfeldes in einer Ebene senkrecht zur optischen Achse z erwiesen [1]. Die 2-ten Momente (z. B. <x2<, <u y< oder <u v<) bilden eine symmetrische 4 × 4 Matrix, die bei paraxialen optischen Abbildungen einem einfachen quadratischen Propagationsgesetz folgt [2]. Im allgemeinen sind zur Beschreibung des Strahls in 2-ter Ordnung 14 Parameter erforderlich (4 für die 1-te Ordnung, 10 für die 2-te Ordnung), zu deren Bestimmung die Verteilungen der Intensität I(x,y), der Wellenfront w(x,y) in einer Ebene [3, 4] sowie der Richtungen R(u,v) bekannt sein müssen. Aus der auf diese Weise gewonnenen Propagationsmatrix können die wichtigen Parameter Strahldurchmesser dσ x,y, Divergenz θσ x,y, Beugungsmaßzahl M2 und Twistparameter τ [5] bestimmt werden.
Darüber hinaus erlaubt die Kenntnis der Größen 1(x,y) und w(x,y) für kohärente Strahlungsfelder eine vollständige Berechnung der Propagation, während für partiell kohärente Felder zumindest eine Verfolgung einzelner Strahlen und damit ein qualitativer Überblick über die weitere Ausbreitung möglich ist. Die zusätzliche Kenntnis der Richtungsverteilung R(u,v) ermöglicht ferner die quantitative Beschreibung der globalen Kohärenzeigenschaften des Strahlungsfeldes.
Nachteile des Standes der Technik
Die Standard-Messvorschriften für die Bestimmung der Strahlparameter Durchmesser, Divergenz und Beugungsmaßzahl sind in der Norm ISO 11146 [1] niedergelegt. Im wesentlichen handelt es sich um Kaustikmessungen, bei denen aus einer Anzahl von etwa 10-20 Strahldurchmesserbestimmungen entlang der optischen Achse und unter Zuhilfenahme des parabolischen Propagationsgesetzes der 2-ten Momente paraxialer Strahlungsfelder die Elemente der Propagationsmatrix bestimmt werden. Generell sind die Standardmessungen zeitaufwendig und erfordern in der Regel den Aufbau gesonderter optischer Systeme. Zur Bestimmung des Twistparameters ist zusätzlich der Aufbau eines anamorphotischen Systems notwendig. Die Dauer einer Kaustikmessung liegt je nach Hardwareausstattung im Bereich 30 s bis einige Minuten, so dass gepulste und nicht stationäre Quellen nur eingeschränkt oder gar nicht charakterisiert werden können. Außerdem ist die Wellenfront aus den bei den Kaustikmessungen bestimmten Krümmungsradien nur bis zu quadratischen Gliedern rekonstruierbar, d. h. Aussagen zur Kohärenz sind i. a. nicht möglich.
Die Bestimmung der Wellenfront w(x,y) des Strahlungsfeldes erfolgt daher überwiegend entweder interferometrisch oder mit Hilfe des Hartmann-Shack-Verfahrens [6, 7]. Weitere Verfahren, die beispielsweise auf den Gleichungen für den Intensitätstransport beruhen [8], sind von geringem praktischen Interesse. Sowohl das interferometrische als auch das Hartmann-Shack-Verfahren liefern zwar simultan die Wellenfront-Gradientenverteilung grad(w(x,y)) und die Intensitätsverteilung I(x,y), gestatten aber im Falle partiell kohärenter Strahlung keine vollständige Bestimmung der Richtungsverteilung R(u,v) aus einer Messung. Damit ist in diesem Fall natürlich auch keine Berechnung der Propagation möglich.
Im allgemeinen erreicht man mit Interferometern eine höhere Ortsauflösung, ist jedoch auf schmalbandige Quellen beschränkt, wohingegen das Hartmann-Shack-Verfahren bei etwas geringerer Ortsauflösung auch für Weißlichtquellen geeignet und daher als flexibler anzusehen ist.
Das Standardverfahren zur Bestimmung der Richtungsverteilung R(u,v) besteht in einer Messung der Intensitätsverteilung IF im Fernfeld, also i. a. in der Brennebene einer Linse der Brennweite f, gemäß R (u, v) = IF (x/f, y/f) [1].
Aufgabe der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei paraxialen optischen Strahlungsfeldern (z. B. Laserstrahlung) gleichzeitig mit Hilfe eines einzigen Detektors die Verteilungen der Intensität I und der Wellenfrontgradienten grad(w) sowie die Richtungsverteilung R zu bestimmen.
Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch ein System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteile der Erfindung
Die gleichzeitige Messung von Intensität I(x,y), Wellenfrontgradienten grad(w(x,y)) und Richtungsverteilung R(u,v) gestattet die Bestimmung der Strahlparameter gemäß ISO 11146 [1], also Strahldurchmesser dσ x,y, Divergenz θσ x,y, Beugungsmaßzahl M2, sowie zusätzlich sämtlicher Elemente der Propagationsmatrix und des Twistparameters τ.
Die Hartmann-Shack-Daten allein (also Intensitätsverteilung und Verteilung der Wellenfrontgradienten) erlauben die Bestimmung von Strahldurchmesser, Wellenfront­ krümmung sowie des kohärenten Anteils der Strahldivergenz θc Damit ist auch der kohärente Anteil der Beugungsmaßzahl M2 c bestimmbar.
Somit lässt sich aus dem Vergleich der beiden Beugungsmaßzahlen die Größe
berechnen, die die Dimension einer Länge besitzt und als eine mittlere laterale Kohärenzlänge des Strahlungsfeldes am Messort z auf der optischen Achse angesehen werden kann. Im Gegensatz zum Meßprinzip nach dem Young'schen Doppelspaltversuch [9], das viele lokale Messungen zur Gewinnung mittlerer Charakteristika erfordert, liefert das neue Verfahren eine mittlere Kohärenzlänge aus nur einer Messung. Daneben ergibt sich im Falle kohärenter Strahlung die Möglichkeit einer numerischen Strahlpropagation nach Huygens-Fresnel oder Kirchoff [9].
Ferner folgt eine gleichermaßen gute Eignung des Verfahrens für gepulste bzw. fluktuierende sowie für kontinuierliche Strahlung, da alle Verteilungen innerhalb einer einzigen Messung gewonnen werden. Der mechanische Aufbau verwendet keine beweglichen Teile und kann daher wesentlich weniger aufwendig, kompakter und auch störungsunempfindlicher als beim Standard-Kaustikmessverfahren gestaltet werden. Zudem wird das bei den Kaustikmessungen auftretende Problem der unterschiedlichen Detektoraussteuerung für verschiedene z- Positionen umgangen.
Bei Verwendung geeigneter optischer Materialien, den entsprechenden Detektoren und gegebenenfalls unter Einsatz von Quantenkonvertern lässt sich der gesamte Spektralbereich vom mittleren Infrarot bis in den weichen Röntgenbereich (EUV) abdecken.
Ausführungsbeispiel
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben.
Es zeigt
Fig. 1 einen waagerechten Schnitt durch den Aufbau, bestehend aus einem Strahlteiler­ würfel (1) zur Aufteilung des Strahls in einen Nahfeldzweig (Bestimmung der Intensitätsverteilung und der Wellenfrontverteilung) und einen Fernfeldzweig (Bestimmung der Richtungsverteilung), einer Linse (2) der Brennweite f = 23 + 34 + 46, einem Spiegel (5) für das Nahfeld, zwei Spiegeln (3) und (4) für das Fernfeld, einem ortsauflösenden Detektor (6) sowie einem Mikrolinsenarray geeigneter Brennweite F (7) zur Segmentierung des Nahfeldes, der Sensorelektronik (8), variablen Abschwächern (9) und (10) zur optimalen Aussteuerung der beiden Messfelder sowie einem PC mit Framegrabber und Auswerte­ software (11).
Der einfallende Lichtstrahl wird mit Hilfe eines 50% : 50% Strahlteilerwürfels in zwei Komponenten I und II gleicher Intensität aufgespalten. Gegenbenenfalls muss zuvor (nicht gezeichnet) die laterale Ausdehnung des Strahlprofils an die Fläche des Messfeldes angepasst werden. Im Nahfeldzweig (Weg 1-5-7) befindet sich ein variabler Abschwächer, um eine optimale Aussteuerung des Messfeldes zu ermöglichen. Nach einmaliger Umlenkung trifft der Strahl I auf ein Mikrolinsenarray mit Brennweite F, wo eine Segmentierung in einzelne Teilstrahlen erfolgt. Das Array deckt etwa 2/3 (in Fig. 1 nicht maßstäblich) der Gesamtfläche des ortsauflösenden Detektors ab, der sich im Abstand F hinter dem Array befindet. Strahl II durchläuft ebenfalls einen variablen Abschwächer und wird mit Hilfe einer Linse und zweier Umlenkspiegel auf das nicht vom Array bedeckte restliche Drittel des Detektors fokussiert. Über die Sensorelektronik und eine Framegrabberkarte wird das Signal in einen PC transferiert und mittels einer geeigneten Software ausgewertet.
In einer nicht abgebildeten Ausführung ist das Mikrolinsenarray durch eine Lochrasterplattc ersetzt.
Fig. 2 zeigt die mit dem in Fig. 1 dargestellten Messsystem vorgenommene Aufnahme der Nah- und Fernfeldverteilungen eines Diodenlasers, aus denen sich I(x,y), w(x,y) und R(u,v) und somit wie beschrieben die Strahlpropagations-Kenngrößen bestimmen lassen.
Literatur
[1] ISO/FDIS 11146: "Test methods for laser beam parameters: beam widths, divergence angle and beam propagation factor", Jan. 1999
[2] H. Weber, Propagation and Characterisation of Radiation Fields - a Review, Proc. LBOC 5, S. 15, Erice (2000)
[3] ISO/DIS 15367: "Lasers and Iaser-related equipment - Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront, Part I - Terminology and fundamental aspects", April 2001
[4] ISO/DIS 13694: "Test methods for laser beam parameters: Power (energy) density distribution", Mai 1999
[5] G. Nemes, J. Serna, The ten physical parameters associated with a full general astigmatic beam: A Gauss Shell-model, Proc. LBOC 4, S. 92, (1997)
[6] ISO/CD 15367: "Lasers and laser-related equipment - Test methods for determination of the shape of a laser beam wavefront, Part II - Hartmann-Shack sensors", Mai 2001
[7] B. Schäfer, K. Mann, Laserstrahlcharakterisierung mit dem Hartmann-Shack- Wellenfrontsensor, LaserOpto, 6, S. 47, (2000)
[8] N. Streibel, Phase Imaging by the Transport Equation of Intensity, Opt. Communications, 49, S. 6, (1989)
[9] M. Born und E. Wolf, Principles of Optics, 6th
ed., Cambridge (1985)

Claims (19)

1. Verfahren zur umfassenden Bestimmung der Propagationseigenschaften von paraxialen optischen Strahlungsfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe eines einzigen ortsauflösenden Detektors (6) die Intensitätsverteilung, die Wellenfront sowie die Fernfeld-Richtungsverteilung der Strahlung simultan detektiert werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Strahlungsfeld mit Hilfe eines Strahlteilers (1) in einen Nahfeld-Strahl (I) und einen Fernfeld-Strahl (II) aufgeteilt wird, die dem ortsauflösenden Detektor (6) mit Hilfe von Spiegeln (3, 4, 5) separat zugeführt werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernfeld- Richtungsverteilung auf dem ortsauflösenden Detektor (6) mit Hilfe einer Plankonvex­ linse (2) erzeugt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Fernfeld- Richtungsverteilung auf dem ortsauflösenden Detektor (6) mit Hilfe eines Achromaten (2) erzeugt wird.
5. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung des Nahfeldstrahls durch ein Mikrolinsenfeld (7) vor dem ortsauflösendem Detektor (6) realisiert wird.
6. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmentierung des Nahfeldstrahls durch eine Lochrasterplatte (7) vor dem ortsauflösendem Detektor (6) realisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem ortsauflösenden Detektor (6) ein Mikrolinsenfeld (7) angeordenet ist, das die Ermittlung der lokalen Fernfeld-Richtungsverteilung aus den lokalen Intensitätsverteilungen gestattet.
8. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dem ortsauflösenden Detektor (6) ein Quantenkonverter (UV/VUV/EUV-VIS), positioniert wird.
9. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass unmittelbar vor dem ortsauflösenden Detektor (6) ein Quantenkonverter (UV/VUV/EUV-NIR), positioniert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Strahlen durch einen Strahlteilerwürfel realisiert wird.
11. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufteilung der Strahlen durch eine einseitig AR- und einseitig PR-beschichtete planparallele Platte realisiert wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrolinsenfeld mit orthogonaler Anordnung der Einzelelemente verwendet wird.
13. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Mikrolinsenfeld mit hexagonaler Anordnung der Einzelelemente verwendet wird.
14. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochrasterplatte mit hexagonaler Anordnung der Einzelelemente verwendet wird.
15. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Lochrasterplatte mit orthogonaler Anordnung der Einzelelemente verwendet wird.
16. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine freitragende, nicht transparente Folie mit gemäß Anspruch 14 oder 15 angeordneten Öffnungen als Lochrasterplatte verwendet wird.
17. Verfahren nach Anspruch 1, 2 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine dünne, nicht transparente Schicht auf einem transparenten Substrat mit gemäß Anspruch 14 oder 15 angeordneten Öffnungen als Lochrasterplatte verwendet wird.
18. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass separate Abschwächer im Nahfeld- und Fernfeld-Strahlengang positioniert werden.
19. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zu vermessende Strahlungsfeld von einem kontinuierlich oder gepulst betriebenen Laser emittiert wird.
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