DE102008035829A1

DE102008035829A1 - Vorrichtung zur Detektion der Leistung von Licht wenigstens eines Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls, und Lasermodul mit einer solchen Vorrichtung

Info

Publication number: DE102008035829A1
Application number: DE102008035829A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dr. Wolf; Dirk Dr. Lorenzen
Original assignee: Jenoptik Laserdiode GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2008-07-31
Filing date: 2008-07-31
Publication date: 2010-02-04

Abstract

Zur Einstellung der mittels eines Photodetektors detektierbaren Leistung von Licht wird vorgeschlagen, der lichtempfindlichen Einheit des Photodetektors eine lichtstreuende Einrichtung vorzulagern. Die lichtstreuende Einrichtung weist dabei zwei lichtstreuende Bereiche auf. Eine Veränderung der vom ersten auf den zweiten lichtstreuenden Bereiche übertragenen Lichtleistung wird durch eine Stelleinrichtung erreicht, mit der der Querschnitt des Strahlengangs zwischen dem ersten lichtstreuenden Bereich und dem zweiten lichtstreuenden Bereich kontinuierlich eingestellt und verändert werden kann. Eine solche Vorrichtung zur Lichtdetektion kommt vorzugsweise zum Einsatz in einem Lasermodul, in dem durch die Auskopplung von Licht aus einem Hauptstrahl ein Messstrahl gewonnen wird, dessen Leistung an den Detektionsbereich des Photodetektors anzupassen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion der Leistung von Licht wenigstens eines Laserstrahles nach dem Oberbegriff des Anspruches 1, ein Verfahren zur Einstellung der mittels eines Photodetektors detektierbaren Leistung von Licht nach dem Oberbegriff des Anspruches 10 sowie ein mit einer Vorrichtung zur Detektion von Lichtleistung ausgestattetes Lasermodul.
Einleitung
Unter einer Detektion von Lichtleistung wird im Zusammenhang mit der Erfindung die Erzeugung wenigstens eines – vorzugsweise elektrischen – Messsignals verstanden, welches mit der in der Detektion befindlichen Lichtleistung in Beziehung steht. Zu derartigen Photodetektoren zählen beispielsweise photoelektrische, pyroelektrische und kalorimetrische Detektoren. Zu den photoelektrischen Detektoren zählt beispielsweise die Photodiode.
Dabei unterliegt der Begriff des Photodetektors dem technisch-physikalischen Denominationsdualismus, nach dem der Photodetektor sowohl das technische Bauelement als auch die physikalische Grundeinheit als Teil des technischen Bauelementes bezeichnet. Für die Photodiode bedeutet dies, dass sie sowohl das lichtempfindliche Halbleiterbauelement selbst bezeichnen kann als auch das mit elektrischen Anschlüssen versehene und gehauste lichtempfindliche Halbleiterbauelement, das heißt: die Photodiode im physikalischen Sinne ist das Merkmal einer Photodiode im technischen Sinne.
In einem Lasermodul wird das Messsignal direkt aus dem Laserstrahl gewonnen, der der Nutzung unterliegt, um die Anforderungen an die Detektion der Leistung des Laserstrahls für sicherheitsrelevante Anwendungen zu erfüllen. Dazu wird ein Messstrahl mittels einer Auskoppelvorrichtung aus dem Hauptstrahl ausgekoppelt, dessen nach der Auskopplung verbleibende Leistung von dem Nutzstrahl umfaßt ist. Der Messstrahl trifft – möglicherweise bereits abgeschwächt – auf die Detektionsvorrichtung. Das Messsignal der Detektionsvorrichtung steht dabei in einer monotonenvorzugsweise zumindest näherungsweise linearen – Beziehung zu der Leistung des Nutzstrahles.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 100 12 536 A1 ist eine Vorrichtung zum Messen der Leistung eines Lichtstrahls bekannt, die eine lichtstreuende Einrichtung aufweist und in der ein Teil des Lichtes des Lichtstrahls, der auf die lichtstreuende Einrichtung trifft, auf einen Photodetektor gestreut wird. Der Photodetektor ist an eine Verarbeitungselektronik mit einer Einrichtung zum Einstellen der Verstärkung des von dem Photodetektor generierten Messsignals angeschlossen. Vorteilhaft an dieser Detektionsvorrichtung ist, dass Lagetoleranzen des Messstrahls bezüglich der Detektionsvorrichtung wegen des verwendeten Streuelementes im wesentlichen keinen Einfluß auf die Detektionsempfindlichkeit der Vorrichtung haben.
Die Detektionsvorrichtung nach dem Stand der Technik weist jedoch auch Nachteile auf, die den Anforderungen an eine effiziente, kostengünstige und servicefreundliche Detektion nicht oder teilweise nicht entsprechen.
Bei dem Einsatz beispielsweise einer Photodiode als Photodetektor erhält man als Messsignal einen Photostrom. Die Detektionsempfindlichkeit in Einheiten von Photostrom pro Lichtleistung des Messstrahls und insbesondere des Nutzstrahles läßt sich mit der bekannten Vorrichtung jedoch nicht einstellen.
So muß die Verarbeitungselektronik einen einstellbaren Verstärkungsfaktor aufweisen, um Einflußfaktoren, die das Verhältnis von der Lichtleistung des Nutzstrahles zum Messsignal des Messstrahles beeinflussen, zu kompensieren. Zu diesen Einflußfaktoren zählen die Wellenlängenabhängigkeit des Photodetektors, Toleranzen des Auskopplungsfaktors des Auskoppelelementes sowie mechanische und optische Toleranzen der Streuelemente und die Exemplarstreuung der Empfindlichkeit der Photodetektoren. Insbesondere der Auskopplungsfaktor des Auskoppelelementes verlangt einen großen Kompensationsbereich. Beispielsweise bedeutet eine Variation des Transmissionsgrades eines Auskoppelspiegels zwischen 99,0 und 99,9% eine Leistungsveränderung des reflektierten Messstrahls im Bereich eines Faktors 10. Daraus folgt, dass ein großer Einstellbereich des Verstärkungsfaktors erforderlich ist, was einen erhöhten Aufwand zur Gewährleistung der Einstellgenauigkeit und der Langzeitstabilität erfordert.
Mit der Kompensation durch die Verstärkungsänderung der Verarbeitungselektronik ändern sich zudem nachteiligerweise weitere Parameter, beispielsweise die Grenzfrequenz, das Dunkelsignal und das Ausgangsrauschen der Verarbeitungselektronik.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Detektionsvorrichtung ergibt sich aus der folgenden Betrachtung: Im Sinne einer Kostenreduzierung soll auf eine Integration der Verarbeitungselektronik in ein mit einer solchen Detektionsvorrichtung ausgestattetes Lasermodul verzichten werden, und das Lasermodul soll an eine extern angeordnete Verarbeitungselektronik angeschlossen sein. Dann ist ein solches Lasermodul allerdings nicht gegen ein anderes austauschbar, ohne dass der Verstärkungsfaktor neu eingestellt werden muss, was sich nachteilig auf die Servicefreundlichkeit eines Lasersystems auswirkt, das ein solches Lasermodul aufweist.
Ein weiterer Nachteil tritt hinzu, wenn die Verstärkung der Verarbeitungselektronik nicht einstellbar ist und die Kompensierung durch anschließende digitale Signalverarbeitung erfolgt. Dann muß nämlich die Auflösung des Analog-Digital-Wandlers sehr hoch sein, um den großen Kompensationsbereich zu überstreichen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Detektionsvorrichtung zu beschreiben, die die genannten Nachteile nicht aufweist.
Insbesondere soll die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung stabil, weitgehend temperaturunabhängig und einstellbar sein. Die Einstellung ihrer Empfindlichkeit soll mit geringem Arbeitsaufwand durchführbar sein, wobei die Detektionsvorrichtung kostengünstig herstellbar sein soll.
Ferner soll das Messsignal ein möglichst genau reproduzierbares Maß für die Leistung des gesamten Laserstrahls und nicht nur eines Ausschnittes desselben darstellen. Die Detektion soll auch für multimodige Laserstrahlen und Bündel aus mehreren Laserstrahlen zuverlässig funktionieren.
Weiterhin soll die Detektionsvorrichtung eine Abschwächung des aus dem Hauptstrahl ausgekoppelten Messstrahls zur Anpassung der detektierten Lichtleistung an den Messbereich des Photodetektors ermöglichen.
Schließlich soll ein erstes, mit einer ersten Detektionsvorrichtung ausgestattetes Lasermodul gegen ein zweites, mit einer zweiten Detektionsvorrichtung ausgestattetes Lasermodul austauschbar sein, ohne eine Neueinstellung der passenden Verstärkung an einer extern an die erste oder die zweite Detektionsvorrichtung anschließbare Verarbeitungselektronik vornehmen zu müssen.
Zusammengefasst ist eine Lösung gesucht, die ohne die genannte Verarbeitungselektronik in einem austauschbaren Lasermodul auskommt und dennoch eine Kompensation von Einflüssen auf die Detektionsempfindlichkeit bezüglich des Messstrahls, insbesondere aber bezüglich des Nutzstrahles, zulässt.
Lösung der Aufgabe
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Detektionsvorrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 sowie durch ein Verfahren zur Einstellung der detektierbaren Leistung von Licht mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 10.
Die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung weist eine Lichtstreueinrichtung auf, die dem Photodetektor im Strahlengang des zu detektierenden Lichtes vorgelagert ist. Die Lichtstreueinrichtung weist ihrerseits wenigstens zwei, einander im Strahlengang nachgelagerte, Lichtstreubereiche auf.
Erfindungswesentlich besitzt die Detektionsvorrichtung eine Stelleinrichtung, mit der der Querschnitt des Strahlengangs zwischen den beiden Lichtstreubereichen verändert werden kann, so daß die vom einen zum anderen Lichtstreubereich übertragene Lichtleistung durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Veränderung des Querschnitts mit der Stelleinrichtung eingestellt werden kann.
Dabei können die beiden Lichtstreubereiche in einem oder in mehreren lichtstreuenden Elementen vorliegen. Liegen sie in einem einzigen lichtstreuenden Elemente vor, so können die Lichtstreubereiche vollständig, teilweise oder nicht überlappen. Die lichtstreuenden Elemente müssen nicht zwingend als Streukörper ausgeführt sein, die im gesamten Volumen Licht streuen. Es ist auch möglich, lichtstreuende Elemente zu verwenden, die nur an der Oberfläche streuen, wie beispielsweise angerauhte Glasplatten. Außerdem ist es auch möglich, diffraktive lichtstreuende Elemente oder holografische lichtstreuende Elemente zu verwenden.
Darüber hinaus kann jeder Lichtstreubereich aus einem oder mehreren lichtstreuenden Elementen oder Substanzen bestehen. Dabei kann jedes der lichtstreuenden Elemente oder lichtstreuenden Substanzvolumina vollständig, teilweise oder nicht beiden Lichtstreubereichen zugeordnet sein.
Jede lichtstreuende Substanz kann vollständig oder teilweise fest, flüssig und/oder gasförmig sein.
Vorzugsweise ist die Wärmeleitfähigkeit der lichtstreuenden Substanz beziehungsweise des Materials des lichtstreuenden Elementes größer als die von Quarzglas, um einen Beitrag zur Entwärmung der Detektionsvorrichtung von absorbierter Leistung gestreuten Lichts zu leisten. Beispielsweise besteht das lichtstreuende Element zumindest teilweise aus Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid, Berylliumoxid und/oder Diamant.
Beide Lichtstreubereiche unterscheiden sich in erster Linie nicht räumlich sondern zeitlich durch die Reihenfolge, in der das Licht sie passiert. Erfindungsgemäß passiert Licht, das auf den zweiten Lichtstreubereich trifft, zuvor den ersten Lichtstreubereich. Dieser Umstand wird insbesondere im Verfahrensanspruch verdeutlicht, der von zweifacher Lichtstreuung spricht und eine Einstellung der Leistung des Lichtes, das nach der ersten Lichtstreuung eine zweite erfährt, durch die Verwendung einer Stelleinrichtung vorsieht, die den Querschnitt des vom Licht durchlaufenen Bereiches zwischen der ersten und der zweiten Lichtstreuung verändert.
Prinzipiell kann der Strahlengang des vom Licht von der ersten zur zweiten Lichtstreuung durchlaufenen Bereiches beliebig ausgebildet sein. Er kann den vom Licht durchlaufenen Bereich unbegrenzt lassen und seine Begrenzung erst durch eine erfindungsgemäße Querschnittsverengung erhalten.
Andererseits kann der Strahlengang als Lichtkanal ausgebildet sein, der durch eine zumindest teilweise lichtundurchlässige Wandung begrenzt ist. Die Wandung kann Bestandteil eines Halteelementes oder einer Haltevorrichtung sein, die zur Aufnahme eines oder mehrerer lichtstreuender Elemente ausgebildet sind.
Unter dem Querschnitt des Strahlengangs wird die in Richtung senkrecht zur mittleren Lichtausbreitung bestehende Ausdehnung des vom Licht auf dem Weg von der ersten zur zweiten Lichtstreuung – beziehungsweise vom ersten zum zweiten Lichtstreubereich – durchlaufenen Bereiches verstanden.
Erfindungsgemäß ist dieser Querschnitt kontinuierlich veränderbar, wodurch der Anteil des am oder im ersten Lichtstreubereich gestreuten Lichtes, welcher zum zweiten Lichtstreubereich gelangt, einstellbar ist. Je nachdem, ob ein größerer oder ein kleinerer Anteil des Lichtes zur zweiten Lichtstreuung gelangt, erzeugt der Photodetektor, der Licht vom zweiten Lichtstreubereich empfängt, einen, zur von ihm empfangenen Lichtleistung in eindeutiger Beziehung stehenden, höheren oder eine niedrigeren Photostrom.
Prinzipiell kann die erfindungsgemäße kontinuierliche Querschnittsveränderung in beliebiger Weise erfolgen. Dabei genügt es, dass eine kontinuierliche Querschnittsveränderung zwischen zwei verschiedenen Querschnittseinstellungen möglich sind.
Beispiele für Querschnittsveränderung des Strahlengangs sind zumindest teilweise lichtundurchlässige Objekte, die verschieden tief in den Lichtkanal eindringen können, sowie zumindest teilweise lichtundurchlässige Substanzen, die den Lichtkanal verschieden stark optisch verstopfen können. Eine Querschnittsveränderung kann auch durch eine oder mehrere, zueinander bewegliche Blenden vorgenommen werden. Beispiele hierfür sind eine Irisblende und ein Satz zweier Spaltblenden, die gegeneinander verdrehbar oder verschiebbar gelagert sind.
Darüber hinaus ist ein deformierbarer Lichtkanal geeignet, für eine kontinuierliche Querschnittsveränderung verwendet zu werden. Beispielsweise kann bei einem eine fluide lichtstreuende Substanz aufnehmenden Schlauch, dessen Wandung aus einem zumindest teilweise lichtundurchlässigen Elastomerwerkstoff besteht, durch Anwendung von lokalem Druck auf einen Außenflächenabschnitt der Wandung der Querschnitt des Schlauches zwischen zwei lichtstreuenden Bereichen der lichtstreuenden Substanz eingeengt werden.
Der erfindungsgemäß kontinuierlich einstellbare Querschnitt des Lichtweges bedingt neben der ersten Lichtstreuung erfindungsgemäß eine zweite. Während die erste Lichtstreuung dem Zweck dient, Lagetoleranzen und Strahlprofil-Inhomogenitäten des Messstrahls auszugleichen, um die Leistungsanpassung durch die Querschnittsveränderung an den Photodetektor weitgehend unabhängig von diesen ersten Messstrahl-Variablen vorzunehmen, sorgt die zweite Lichtstreuung für eine Homogenisierung der durch die im wesentlichen scharfkantige Querschnittsbegrenzung des Strahlengangs erzeugten Strahlprofile, um die transmittierte Lichtleistung weitgehend unabhängig von diesen zweiten Messstrahl-Variablen auf den Photodetektor zu führen.
Für die Integration und Anordnung der Stelleinrichtung und der lichtstreuenden Bereiche in die Detektionsvorrichtung gibt es zahlreiche Varianten.
In einer beispielhaften ersten Variante nimmt ein Halteelement zwei lichtstreuende Elemente auf sowie eine Photodiode im technischen Sinne. Ein freier Bereich zwischen den beiden lichtstreuenden Elementen bildet den Lichtkanal in dem der Querschnitt des Strahlenganges verändert werden kann.
In einer beispielhaften zweiten Variante nimmt ein Halteelement neben der Photodiode im technischen Sinne nur ein lichtstreuendes Element auf, welches durch eine Ausnehmung in zwei lichtstreuende Bereiche unterteilt ist. Durch diese Ausnehmung tritt das Licht auf seinem Weg von der ersten zur zweiten Lichtstreuung. Durch Einbringen eines veränderlichen Volumens einer lichtundurchlässigen Substanz kann der Querschnitt des Strahlengangs verändert werden.
In einer beispielhaften dritten Variante weist die Photodiode im technischen Sinne eine Photodiode in physikalischen Sinne auf sowie ein Gehäuse, das zumindest abschnittsweise aus einem oder zwei lichtstreuenden Elementen besteht.
In einer beispielhaften vierten Variante weist die Photodiode im technischen Sinne eine Photodiode im physikalischen Sinne auf sowie ein lichtundurchlässiges Gehäuse und ein lichtdurchlässiges Fenster, welches aus einem oder mehreren lichtstreuenden Elementen besteht oder ein solches oder solche aufweist.
Besonders bevorzugt sind Varianten der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung, in der die lichtstreuende Einrichtung und die Stelleinrichtung Teile des Photodetektors im technischen Sinne sind. Besonders bevorzugt bilden sie wenigstens teilweise das Gehäuse des Photodetektors.
Demgegenüber sind Varianten der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung, in der die lichtstreuende Einrichtung und der Photodetektor im technischen Sinne körperlich individuell existieren und in eine gemeinsame Halterung integriert sind, dann zu bevorzugen, wenn der Photodetektor im technischen Sinne ohne die erfindungswesentlichen Merkmale der Detektionsvorrichtung vorliegt.
Im Bedarfsfall erfordert die Stelleinrichtung ein Hilfsmittel (Stellmittel) zu ihrer Bedienung. Ein solches Hilfsmittel ist beispielsweise eine Dosiervorrichtung zum Zuführen einer flüssigen aushärtbaren lichtabsorbierenden Substanz in den Strahlengang. Ein weiteres Hilfsmittel ist beispielsweise ein Werkzeug zum Betätigen eines Stellelementes, das mit veränderbarer Eindringtiefe in den Lichtkanal eingreift.
Gegenüber dem Stand der Technik weist die Erfindung eine Reihe von Vorteilen auf:
Durch die Einstellung des Lichttransmissionsquerschnittes zwischen zwei lichtstreuenden Bereichen ist eine stabile Einstellung der Leistungs-Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung möglich, die weitgehend unabhängig von Einflüssen auf den Messstrahl ist, insbesondere solchen die von äußeren und/oder inneren Temperaturschwankungen herrühren.
Besonders geeignet ist die Detektionsvorrichtung im Einsatz innerhalb eines Lasermoduls, insbesondere eines Diodenlasermoduls, in dem das Messsignal direkt aus dem Ursprungs- oder Hauptlaserstrahl generiert wird, wie es für sicherheitsrelevante Anwendungen erforderlich ist. Dazu wird ein kleinerer Teil der Lichtleistung des Hauptlaserstrahls als Messstrahl ausgekoppelt, während der größere Teil der Lichtleistung im Nutzstrahl der Anwendung zur Verfügung steht. In einem Diodenlasermodul, in dem ein oder mehrere Laserstrahlen und/oder Laserstrahlenbündel eine oder mehrere, gegebenenfalls aufeinander folgende Strahlformungen mittels optischer Komponenten (Linsen, Prismen, Spiegel, Gitter, Wellenleitern usw.) erfahren, kann prinzipiell an jedem Ort zwischen Erzeugung des Laserlichtes und Austritt des Laserlichtes aus dem Diodenlasermodul eine Auskopplung eines Messstrahles erfolgen. Besonders vorteilhaft ist eine Auskopplung nach dem letzten optischen Element vor der Einkopplung in eine Lichtleitfaser. In diesem Auskopplungsbereich ist das Lichtstrahlenbündel konvergent, wobei der erste lichtstreuende Bereich vorteilhafterweise so angeordnet ist, dass sich seine Lichtaufnahmefläche nicht im Fokus des konvergenten Messstrahls befindet, sondern ein unscharfer Leuchtfleck auf dem lichtstreuenden Element erzeugt wird.
In diesem Zusammenhang ergibt das mit Leistungsmessung durch Photodetektor erzeugte Messsignal der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung ein reproduzierbares Maß für die Leistung des gesamten Laserstrahles, insbesondere seines Nutzstrahles, unabhängig von dem aus dem Hauptstrahl ausgekoppelten Anteil des Messstrahles.
Der Zusammenhang zwischen Messsignal und Laserleistung wird nur in geringem Maße vom Intensitätsprofil des Laserstrahls über den Laserstrahlquerschnitt beeinflusst. Dadurch wird das Messsignal kaum durch Modensprünge des Lasers beeinflusst. Deshalb ist die erfindungsgemäße Vorrichtung besonders geeignet zu Detektion der Strahlung von multimodigen Laser, bei welchen Modensprünge im Betrieb unvermeidbar sind.
In der Tat hat sich gerade bei der Leistungsdetektion von multimodigen Laserstrahlen, nämlich Bündeln mehrerer Diodenlaserstrahlen bei verschiedenen Tests die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung hinsichtlich der Zuverlässigkeit des Betriebs unabhängig von der eingestellten Detektionsempfindlichkeit hervorragend bewährt.
Darüber hinaus ist es möglich, mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mehrere Messsignale zu generieren, die jeweils ein Maß für die Leistung des Laserstrahl darstellen und somit eine redundante Detektion der Laserleistung ermöglichen. Dies kann beispielsweise durch Verwendung eines mehrsegmentigen Photodiodenchips innerhalb eines Photodetektors erfolgen oder durch die Platzierung mehrerer Photodetektoren an ein- und derselben Seite des zweiten lichtstreuenden Bereiches und/oder an verschiedenen- beispielsweise einander gegenüberliegenden Seiten desselben.
Mit der vorhandenen erfindungsgemäßen Abschwächungsmöglichkeit für den Messstrahl ist eine vorteilhafte Anpassung der detektierten Leistung an den Messbereich des Photodetektors vorhanden. Einrichtungen zur Querschnittsveränderung im Strahlengang sind im Gegensatz zu Einrichtungen zur veränderlichen Abschwächung, die auf Reflexion (veränderlich teildurchlässiger Spiegel) oder Absorption (veränderlicher Neutraldichte- oder Graufilter) beruhen, kostengünstig und einfach zu fertigen.
Dennoch kann selbstverständlich im Bedarfsfall an wenigstens einer Stelle im optischen Weg zwischen dem Auskoppelelement und dem Photodetektor wenigstens ein weiteres, nicht verstellbares, Element zur Verringerung der Lichtleistung eingebracht sein. Ebenso ist die Einstellung der Empfindlichkeit mit geringem Arbeitsaufwand durchführbar. Die Baugröße der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist zudem sehr gering, so daß der Platzbedarf im Lasermodul oder -system minimal ist.
Schließlich ist ein erstes, mit einer ersten Detektionsvorrichtung ausgestattetes Lasermodul gegen ein zweites, mit einer zweiten Detektionsvorrichtung ausgestattetes Lasermodul austauschbar, ohne dass eine Neueinstellung der passenden Verstärkung an einer extern an die erste oder die zweite Detektionsvorrichtung anschließbare Verarbeitungselektronik vornehmen wäre.
Tatsächlich ist der Anwender mit der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung in einem Lasermodul vorteilhafterweise in der Lage, ohne eine in das austauschbare Lasermodul integrierte Verarbeitungselektronik auszukommen und dennoch eine Kompensation von Einflüssen auf die Detektionsempfindlichkeit bezüglich des Messstrahls, insbesondere aber bezüglich des Nutzstrahles vorzunehmen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dazu zeigen
1a eine Querschnittsansicht einer handelsüblichen Photodiode im technischen Sinne,
1b eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einer ersten Variante zur Auskopplung des Messstrahls aus einem Hauptstrahl und einem ersten erfindungsgemäßen Stellmittel
1c eine Querschnittsansicht eines ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einer zweiten Variante zur Auskopplung des Messstrahls aus einem Hauptstrahl,
1d eine Querschnittsansicht einer Weiterbildung des ersten Ausführungsbeispieles,
2 eine Querschnittsansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung,
3a eine Querschnittsansicht eines dritten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einem zweiten erfindungsgemäßen Stellmittel,
3b eine Querschnittsansicht einer ersten Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit dem zweiten erfindungsgemäßen Stellmittel,
3c eine Querschnittsansicht einer zweiten Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung,
4a die Draufsicht auf einen ersten Maskensatz zur erfindungsgemäßen Querschnittsveränderung in einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung,
4b eine Querschnittsansicht eines vierten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit dem ersten Maskensatz,
4c eine Querschnittsansicht einer ersten Weiterbildung des vierten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einem zweiten Maskensatz,
4d eine Querschnittsansicht einer zweiten Weiterbildung des vierten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einem dritten Maskensatz,
5 eine Querschnittsansicht eines fünften Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einem weiteren Maskensatz und
6 eine Querschnittsansicht des ersten Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung mit einem skizzierten Verlauf der optischen Strahlung in einem erfindungsgemäßen Diodenlasermodul.
Erstes Ausführungsbeispiel
Als Beispiel für einen Photodetektor der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung zeigt 1a eine Photodiode 40 im technischen Sinne in einer Querschnittsansicht. Die Photodiode weist ein Gehäuse auf, das aus einer kreisrunden Bodenplatte 44, einem zylindrischen Rahmen 45 und einem gegenüber der Bodenplatte 44 am Rahmen 45 befestigten kreisrunden lichtdurchlässigen Fenster 43 besteht.
Dabei ragt ein konzentrischer Randbereich der Bodenplatte außerhalb des Gehäuses umlaufend gegenüber dem Rahmen hervor und weist an seinem zum Fenster gerichteten ringförmigen Oberflächenbereich eine umlaufende Befestigungsfläche 44a auf. Im Innenraum 46 des Gehäuses ist ein Photodiodenchip 41 so auf der Bodenplatte befestigt, dass zwei lichtempfindliche Segmente 42a und 42b, die auf dem Photodiodensubstrat des Photodiodenchips 41 angeordnet sind, dem Fenster 43 gegenüberliegen. Der außen liegende Oberflächenbereich des Fensters 43 bildet die Lichtempfangsfläche der Photodiode 40 im technischen Sinne. Zwei Anodenanschlüsse 47a und 47b sind durch die Bodenplatte 44, elektrisch von dieser isoliert, hindurchgeführt und über nicht bezeichnete Bonddrähte elektrisch mit gleichpoligen Kontakten der lichtempfindlichen Segmente 42a und 42b des Photodiodenchips 41 verbunden. Ein Kathodenanschluß 48 ist an die Bodenplatte 44 angeschlossen, die den gegenpoligen Kontakt des Photodiodenchips 41 kontaktiert. Alternativ ist der Kathodenanschluß 48 elektrisch von der Bodenplatte 44 isoliert durch die Bodenplatte 44 hindurch geführt und direkt an den Gegenpol des Photodiodenchips 41 angeschlossen.
Bodenplatte 44 und Rahmen 45 sind lichtundurchlässig, wodurch sie den Photodiodenchip gegenüber Licht abschirmen, welches nicht aus der durch die Lage des Fensters 43 vorgegebenen Richtung auf die Photodiode im technischen Sinne trifft.
Wie 1b dargestellt, ist eine solche Photodiode 40 in eine erste Ausführung der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung 20 integriert. Dazu weist ein zylindrisches Halteelement 30 zwei zylindrische Ausnehmungen 31 und 32 auf, die einander zumindest abschnittsweise gegenüberliegend konzentrisch in die beiden einander gegenüberliegenden Endflächen des Halteelementes eingebracht sind und miteinander über eine konzentrische Längsbohrung 33 verbunden sind. Auf die Bodenfläche der ersten Ausnehmung 31 in der ersten Endfläche ist eine erste Streuscheibe 21 so aufgebracht, dass sie die Bohrung 33 an ihrem ersten Ende verschließt. Auf der Bodenfläche der zweiten Ausnehmung in der zweiten Endfläche ist eine zweite Streuscheibe 22 so aufgebracht, dass sie die Bohrung 33 an ihrem zweiten, dem ersten Ende gegenüberliegenden, Ende verschließt. Die Tiefe der zweiten Ausnehmung 32 ist in Achsrichtung des Halteelementes so groß, dass die zweite Ausnehmung zumindest abschnittsweise die Photodiode 40 aufnehmen kann, die über ihre Befestigungsfläche 44a an der zweiten Endfläche des Halteelementes befestigt ist, welche durch die zweite Ausnehmung 32 ringförmig ausgebildet ist.
Die Stelleinrichtung wird in der Detektionsvorrichtung 20 gebildet durch das Halteelement 30, eine Gewindebohrung 35, die sich von der äußeren Mantelfläche des Halteelementes radial in die Längsbohrung 33 erstreckt und eine Schraube 25, die von der Gewindebohrung 35 aufgenommen wird. In diesem Sinne ist die Gewindebohrung 35 die Zuführöffnung für die Zuführung des Stellelementes zum Stellraum. Die Länge des Abschnittes der Schraube 25, der in die Längsbohrung 33 hineinragt, kann durch Einschrauben mit Hilfe eines Schraubendrehers 27 als Stellmittel stufenlos eingestellt werden. Der zwischen dem dem Schraubenkopf gegenüberliegenden Schraubenende und der dem Schraubenende gegenüberliegenden Innenwandabschnitt der Längsbohrung 33 verbleibende Spalt definiert den veränderbaren Querschnitt des Lichtkanals 23 zwischen den beiden Streuscheiben 21 und 22. Das Halteelement 30, die Stellschraube 25, die erste und die zweite Streuscheibe 21 und 22 bilden gemeinsam die erfindungsgemäße lichtstreuende Einrichtung.
Zur Detektion von Licht wird ein Teil der Leistung des Hauptstrahles 11 mit einem Strahlteiler 13 in Form eines Messstrahls 14 in 90°-Richtung ausgekoppelt, der eine wesentlich geringere Leistung besitzt als der Nutzstrahl 12 und in der dargestellten ersten Auskopplungsvariante in gleicher Ausbreitungsrichtung wie der Hauptstrahl 11 verbleibt. Der Messstrahl trifft auf die Lichtaufnahmefläche 21a der Detektionsvorrichtung, die durch einen der Längsbohrung 33 abgewandten Außenflächenabschnitt der ersten Streuscheibe 21 bereitgestellt wird. Im weiteren Verlauf wird der Messstrahl durch die Streuscheibe gestreut, das heißt gegen über seinem ursprünglichen Querschnitt und seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung diffus verbreitert und abgelenkt. In diesem Zustand tritt wenigstens ein Teil des Messstrahl-Lichtes, das die erste Lichtstreuung erfahren hat, in den Lichtkanal 23 ein, der durch die mittels der Schraube 25 abschnittsweise verengte Längsbohrung 33 gebildet wird. Je nach Stellung der Schraube 25 gelangt mehr oder weniger Licht auf die zweite Streuscheibe 22, welches dort die zweite Streuung erfährt. Ein Teil des zweifach gestreuten Lichts passiert anschließend die Lichtabgabefläche 22a der Lichtstreueinrichtung, die durch einen der Längsbohrung 33 abgewandten Außenflächenabschnitt der zweiten Streuscheibe 22 bereitgestellt wird, und verläßt damit die Lichtstreueinrichtung.
Ausgehend von der Lichtabgabefläche 22a erreicht ein Teil des Lichtes die Photodiode 40 und passiert ihr Gehäusefenster 43, um teilweise auf das erste und teilweise auf das zweite lichtempfindliche Segment 42a und 42b des Photodiodenchips 41 zu treffen.
Die Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung 20 kann mit Hilfe der Stellschraube 25 an den Detektionsbereich der Photodiode 40 angepaßt werden, in der Weise, dass die maximal mögliche oder zulässige detektierbare Leistung unterhalb der Sättigungsschwelle der Photodiode 40 liegt.
Eine Verwendung der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung sieht vor, sie in ein Diodenlasermodul einzubauen, welches in einem Gehäuse eine Laserdiode und Strahlformungsoptiken aufweist, die dazu geeignet ist die Laserdiodenstrahlung auf das Ende einer Lichtleitfaser zu fokussieren.
Zur Erleichterung des Einbaus in ein solches Diodenlasermodul kann das Halteelement auch die Form eines ebenen Kegelstumpfes besitzen, wodurch eine selbstzentrierende Montage in eine kegelförmige Ausnehmung in der Gehäusewandung – sei es auf der Außenseite oder auf der Innenseite der Wandung – ermöglicht wird.
Eine zweite Variante der Auskopplung des Messstrahls ist in 1c veranschaulicht. In diesem Fall ist der Nutzstrahl 12 um 90° gegenüber dem Hauptstrahl 11 durch den Strahlteiler 13 abgelenkt, während eine kleiner Leistungsteil des Hauptstrahles 11 den Strahlteiler 13 parallel zu dessen Richtung als Messstrahl 14 passiert.
Eine in 1d dargestellte Weiterbildung der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung 20 weist einen auf der der Längsbohrung 33 abgewandten Seite der zweiten Streuscheibe 22 angebrachten Neutraldichtefilter 29 auf, der dazu dient, die Leistung des Messstrahles abzuschwächen für den Fall, dass die einstellbare Empfindlichkeit der Detektionsvorrichtung 20 ohne den Neutraldichtefilter 29 nicht, wie gefordert, die Leistungsgrenze der Sättigung der Photodiode unterschreitet.
Im dargestellten Fall ist der Neutraldichtefilter 29 der Lichtstreueinrichtung im Lichtweg nachgeordnet. Nichts spricht prinzipiell dagegen, diesen oder weitere Neutraldichtefilter in der Lichtstreueinrichtung zwischen der ersten und die zweiten Streuscheibe 21 und 22 anzuordnen und/oder der Lichtstreueinrichtung vorzulagern.
Zweites Ausführungsbeispiel
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das in 2 dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung zum einen dadurch, dass sich anstatt der zweiten konzentrischen Ausnehmung 32 eine radiale Querbohrung 34 durch die Längsbohrung 33 und das Halteelement 30 erstreckt. Zum anderen umfaßt die Detektionsvorrichtung – anders als im vorangegangen Ausführungsbeispiel – zwei Photodioden 40 und 40a, die eine redundante Detektion ermöglichen. Des weiteren wird als zweites Lichtstreuelement ein Streuzylinder 22 verwendet, der in einem Abschnitt der Querbohrung 34 angeordnet ist, der die Längsbohrung 33 kreuzt. Mittels eines lichtundurchlässigen Klebstoffes 36, der auf der der Streuscheibe 21 abgewandten Seite der Längsbohrung 33 in die Längsbohrung 33 eingebracht ist, wird der Streuzylinder in der Querbohrung 34 befestigt.
Die Photodioden 40 und 40a sind auf einander gegenüberliegenden Seiten des Halteelementes in von den Endflächen des Streuzylinders 22 abgewandten Richtungen abschnittsweise in die Querbohrung 34 eingebracht und über ihre Befestigungsflächen 44a an abgeflachten Bereichen der Mantelfläche des Halteelementes befestigt.
Licht, welches den Lichtkanal 23 passiert hat und in Richtung der optischen Achse auf den Streuzylinder 22 trifft, wird teilweise in einander entgegengesetzten Richtungen 90° zur optischen Achse geneigt in Richtung auf die Photodioden 40 und 40a zu gestreut.
In einer nicht dargestellten Weiterbildung ist die Längsbohrung 33 als Sackloch ausgebildet und endet, ausgehend von der Ausnehmung 31, in der Querbohrung 34. Anstatt des lichtundurchlässigen Klebers wird in diesem Fall ein lichtdurchlässiger Kleber zur Befestigung des Streuzylinders 22 in der Querbohrung 34 verwendet.
Drittes Ausführungsbeispiel
Gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel unterscheidet sich das in 3a dargestellte zweite Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung zum einen dadurch, dass anstatt der Gewindebohrung ein Dosierkanal 35 als Zuführöffnung für das Stellmittel verwendet wird. In vorliegenden Fall ist das Stellmittel eine zumindest teilweise lichtundurchlässige aushärtbare viskose Substanz 25, die mittels einer Dosiervorrichtung 27 als Stellmittel der Längsbohrung zugeführt wird, die zwischen den beiden Streuscheiben 21 und 22 angeordnet ist. Je nach Menge der zugeführten Substanz ist der vom Licht durchlaufene Bereich mehr oder weniger eingeengt. Eine Aushärtung der lichtundurchlässigen Substanz geschieht beispielsweise automatisch im Laufe der Zeit nach der Zuführung, durch Anwendung von Wärme oder von Licht. Besonders geeignet als lichtundurchlässige Substanz ist ein lichtabsorbierender Klebstoff.
In einer ersten Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispieles, dargestellt in 3b, kommunizieren beide Ausnehmungen 31 und 32 direkt miteinander, wobei die zweite Ausnehmung 32 einen größeren Durchmesser aufweist als die erste Ausnehmung 31, so dass sie einen ringförmigen Boden besitzt.
Dieser ringförmige Boden dient zur Befestigung eines, von der zweiten Ausnehmung 32 aufgenommenen, flach-zylindrischen Streukörpers 21, der zwischen einem ersten Streubereich und einem zweiten Streubereich einen zur Mantelfläche hin geöffneten, radial ausgerichteten Dosierkanal 35 aufweist. Der erste Streubereich grenzt an die zur ersten Ausnehmung 31 gerichteten Lichtaufnahmefläche 21a der Detektionsvorrichtung/Lichtstreueinrichtung; der zweite Streubereich grenzt an die von der ersten Ausnehmung 31 abgewandten Lichtabgabefläche 22a der Lichtstreueinrichtung. Das Halteelement 30 besitzt eine Dosieröffnung 35a auf, die der Öffnung des Dosierkanals 35 gegenüberliegt und über die die lichtundurchlässige Substanz mittels der Dosiervorrichtung 27 dem Dosierkanal 35 zugeführt wird. Die Füllung des Dosierkanals 35 bewirkt eine Verringerung der vom ersten zum zweiten Streubereich übertragenen Lichtmenge. Der Dosierkanal 35 kann je nach Abschwächungsbedarf für das Licht als einzelne Längsbohrung oder als Querschlitz ausgeführt sein. Darüber hinaus ist eine Anordnung mehrerer Dosierkanäle möglich.
In einer zweiten Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispieles, dargestellt in 3c, ist in der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung kein Halteelement vorhanden. Statt dessen ist der Rahmen 45 und das Fenster 43 der Photodiode in Form eines zylindrischen Lichtstreukörpers 21 vereinigt, der eine konzentrische Ausnehmung 46 aufweist, an deren ringförmiger Endfläche die Bodenplatte 44 der Photodiode befestigt ist. In dieser zweiten Weiterbildung ist die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 20 eine Photodiode 40 im technischen Sinne. Die Mantelfläche des Streuzylinders 21 ist umlaufend mit einer lichtundurchlässigen Beschichtung 36 versehen, die zur Zuführung der lichtundurchlässigen Substanz 25 in den Dosierkanal 35 eine Dosieröffnung 35a aufweist.
Viertes Ausführungsbeispiel
Verschiedene Varianten von einem vierten Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtungen 20 nutzen einen Satz von zwei gegeneinander verdrehbaren Masken, von dem ein erster in 4a abgebildet ist. Beide Masken 25 und 26 weisen jeweils einen Schlitz 25a und 26a auf. Ein Parallelstellung der Schlitz ist der Lichtdurchlass maximal. Stehen die Schlitze senkrecht zueinander, ist der Lichtdurchlass minimal.
Bei einem Halteelement analog desjenigen des ersten Ausführungsbeispieles wird die Maske 25, wie in 4b dargestellt, als drehbares Stellelement in die erste Ausnehmung 31 eingebracht, während die zweite Streuscheibe 22 und die Photodiode 40 wie im ersten Ausführungsbeispiel am Halteelement befestigt sind. In von der zweiten Streuscheibe 22 abgewandten Richtung wird die erste Ausnehmung 31 durch die zweite, nicht bewegliche Maske 26 verschlossen. Auf den Schlitz 26a der zweiten Maske wird auf der der zweiten Streuscheibe 22 abgewandten Seite die erste Streuscheibe 21 aufgebracht. Die drehbare Maske 25 kann von außen betätigt werden, um den Querschnitt des Lichtkanals 23, der von den Schlitzen 25a, 26a und der Längsbohrung 33 gebildet wird, zu variieren.
In der ersten Weiterbildung des vierten Ausführungsbeispiels, dargestellt in 4b, wird in der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung ein zweiter Maskensatz verwendet, bei dem die feststehende Maske 26 aus einer lichtundurchlässigen Beschichtung besteht, die auf der der ersten Streuscheibe 21 zugewandten Seite der zweiten Streuscheibe 22 aufgebracht ist und eine schlitzförmige Öffnung 26a besitzt. Das Halteelement 30 ist eine zylindrische Hülse mit einer die äußere Mantelfläche azimutal umlaufenden Nut, in die ein nach innen gewölbter Kragen der topfförmig ausgebildeten drehbar gelagerten Maske 25 eingreift, welche im Boden einen Schlitz 25a aufweist.
Die zweite Streuscheibe 22 selbst ist auf dem Rahmen der Photodiode 40 so befestigt, das das Photodiodenfenster 43 durch die zweite Streuscheibe abgedeckt wird. Die Photodiode 40 ist zusammen mit der zweiten Streuscheibe 22 und der auf ihr aufgebrachten Maske 26 in die Ausnehmung 33 der Hülse 30 eingebracht, wobei die Photodioden-Befestigungsfläche 44a an der der drehbaren Maske 25 abgewandten Endfläche der Hülse 30 angebracht ist.
Der Schlitz 25a der drehbaren Maske 25 ist durch die erste Streuscheibe abgedeckt, die auf der der zweiten Streuscheibe abgewandten Seite der Maske befestigt ist.
Durch Drehung der Maske 25 kann der Querschnitt des Lichtkanals 23 zwischen den beiden Streuscheiben 21 und 22 verändert werden.
In einer zweiten, in 4c dargestellten, Weiterbildung besteht der Unterschied zur ersten Weiterbildung darin, dass die Hülse nunmehr den Rahmen 45 der Photodiode 40 bildet, die an Stelle ihres Fensters die zweite Streuscheibe 22 mit der feststehenden Maske 26 trägt. Ein drehbarer Maskenträger 25b ist topfförmig ausgebildet und greift mit seinem nach innen gewölbten Kragen 39 in die umlaufende Nut 49 des Photodioden-Gehäuserahmens 45 ein. Der Maskenträger weist in seinem Boden zwei konzentrische, einander gegenüberliegende und miteinander verbundene kreisförmige Ausnehmungen 31 und 32 auf, wobei die zweite Ausnehmung 32 einen größeren Durchmesser aufweist als die erste Ausnehmung 31 und auf der der Photodiode zugewandten Seite des Bodens angeordnet ist.
Die zweite Ausnehmung 32 dient der Aufnahme der ersten Streuscheibe 21, die auf ihrer der zweiten Streuscheibe zugewandten Seite eine mit dem Maskenträger 25b drehbare lichtundurchlässige Beschichtung 25 mit einem Schlitz 25a aufweist.
Sieht man den drehbar gelagerten Maskenträger 25b zusammen mit der ersten Streuscheibe und der Maske 25 als Teil der Photodiode im technischen Sinne an, so ist in dieser zweiten Weiterbildung die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung 20 selbst eine Photodiode 40 im technischen Sinne. Gleiches gilt für die zweite Weiterbildung des dritten Ausführungsbeispieles.
Fünftes Ausführungsbeispiel
Während in den Varianten des vierten Ausführungsbeispieles eine erste Maske gegenüber einer zweiten verdrehbar gelagert waren, ist in dem in 5 dargestellten Ausführungsbeispiel eine erste Maske gegenüber einer zweiten verschiebbar gelagert.
Die lichtstreuende Einrichtung, die zwei Streuscheiben 21 und 22 aufweist und die Stelleinrichtung, die zwei Gitter 25 und 26 aufweist sind dabei in die Photodiode 40 im technischen Sinne integriert, womit die Photodiode 40 im technische Sinne gleichzeitig die Detektionsvorrichtung 20 bildet.
Der Rahmen 45 des Photodiodengehäuses besitzt die Form einer zylindrischen Hülse mit einem nach innen gewölbten Kragen auf der dem Gehäuseboden 44 Seite.
Auf der vom Innenraum 46 der Photodiode abgewandten ringförmigen Außenfläche des Kragen ist ein Halteelement 30 befestigt, welches eine im Halteelement verschiebbar gelagerte Maske 25 aufnimmt, die sich zumindest abschnittsweise über die Hülsenöffnung erstreckt. Die Maske 25 ist ein Gitter mit lichtundurchlässigen Strichen und lichtdurchlässigen Spalten- beispielsweise eine Platte mit Schlitzen. Strich- und Spaltbreiten sind identisch. Am Halteelement 30 ist auf der vom Innenraum 46 der Photodiode 40 abgewandten Seite eine erste, sich über die Hülsenöffnung erstreckende, Streuscheibe 21 befestigt, die ein dreieckiges Prisma 13 zur Auskopplung eines Messstrahls trägt.
Auf der zum Innenraum 46 der Photodiode gewandten ringförmigen Innenfläche des Kragens ist eine die Hülsenöffnung verschließende Streuscheibe 22 befestigt, die die Funktion des Gehäusefensters 43 besitzt und auf der dem Innenraum 46 abgewandten Seite eine Maske 26 mit lichtundurchlässigen Strichen und lichtdurchlässigen Spalten trägt. Ihre Strichperiode ist identisch mit der der verschiebbar gelagerten Maske 25, allerdings beträgt ihre Strichbreite nur 95% der Spaltbreite, wodurch in Stellung minimalen Lichtdurchlasses eine vollständig Abschattung der lichtempfindlichen Segmente 42a, 42b des Photodiodenchips 41 vermieden wird.
Sechstes Ausführungsbeispiel
6 veranschaulicht schematisch die Integration der erfindungsgemäßen Detektionsvorrichtung 20 in ein Diodenlasermodul, in dem die von einer oder mehrerer multimodiger Laserdioden emittierten Strahlenbündel zur Einkopplung in einen Wellenleiter geformt werden. Das Strahlprofil der Strahlformungsanordnung, bestehend aus der lichtemittierenden Laserdiode 10, Linsen 15, 15a und 15b, einem Strahlteiler 13 und einem lichtaufnehmenden Wellenleiter 19 – beispielsweise eine Lichtleitfaser – weist zwischen der ersten und der zweiten Linse 15 und 15a einen in wenigstens einer Richtung divergenten Strahlabschnitt 16 auf, zwischen der zweiten und der dritten Linse 15a und 15b ein in wenigstens einer Richtung kollimierten Strahlabschnitt 17 und zwischen der dritten Linse 15b und dem Wellenleiter 19 einen in wenigstens einer Richtung konvergenten Strahlabschnitt 18.
Weitere Strahlformungsoptiken, die nur dem Zweck der Anpassung der von der oder den Laserdioden emittierten Strahlenbündel an die Wellenleiterführung dienen und für das Verständnis für die Erfindung keinen entscheidenden Beitrag leisten, sind nicht dargestellt.
Im übrigen sind die gezeigten Linsen nur der Darstellung eines allgemeinen Strahlverlaufs sachdienlich, der prinzipiell in jeder Richtung senkrecht zur optischen Achse sowohl divergente als auch kollimierte und konvergente Strahlabschnitte aufweisen kann, aus denen ein Messstrahl ausgekoppelte werden kann, und nicht unbedingt der eigentlichen Strahlformungsaufgabe in einem Diodenlasermodul.
Die Auskopplung des Messstrahles 14 aus dem Hauptstrahl 11 erfolgt in der vorliegenden Variante des sechsten Ausführungsbeispiels im konvergenten Strahlabschnitt 18 mittels eines Strahlteilers, den der Nutzstrahl 12 parallel zur optischen Achse des Hauptstrahls 11 passiert. Das hat den Vorteil, daß der kollimierte Abschnitt nicht extra verlängert werden muß, um den erforderlichen Platz für den Strahlteiler bereitzustellen. Dadurch kann das Lasermodul sehr kompakt ausgeführt werden.
Die Detektionsvorrichtung ist vorteilhafterweise so platziert, dass sich seine Lichtaufnahmefläche 21a nicht in einem Fokus des konvergenten Messstrahls 14 befindet.
Selbstverständlich ist auch möglich, in weiteren – nicht dargestellten – Varianten des sechsten Ausführungsbeispieles der Erfindung den Strahlteiler in einem divergenten Abschnitt des Laserstrahlenbündels oder im kollimierten Abschnitt des Laserstrahlenbündels anzuordnen.
Weitere Ausführungsbeispiele dieser Erfindung kann der Fachmann anhand der erläuterten Ausführungsbeispiele, der Erfindungsbeschreibung und/oder dem bekannten Stand der Technik konzipieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Dies gilt insbesondere für die Kombination von Merkmalen der sechs beschriebenen Ausführungsbeispiele und ihrer Varianten und/oder Weiterbildungen.

10: Laserdiode
11: Hauptlaserstrahl
12: Nutzstrahl
13: Optisches Auskoppelelement (Strahlteiler)
14: Messstrahl
15, 15a, 15b: Linse
16: divergenter Strahlabschnitt
17: kollimierter Strahlabschnitt
18: konvergenter Strahlabschnitt
19: Wellenleiter (Lichtleitfaser)
20: Detektionsvorrichtung
21: erster lichtstreuender Bereich (erste Streuscheibe/Streuzylinder)
21a: Lichtaufnahmefläche
22: zweiter lichtstreuender Bereich (zweite Streuscheibe/Streuzylinder)
22a: Lichtabgabefläche
23: Lichtkanal
25: Stellelement (Stellschraube/bewegliche Maske/lichtabsorbierende Substanz)
25a: Schlitz in drehbarer Maske
25b: Maskenträger für drehbare Maske
26: feststehende Maske
26a: Schlitz in feststehender Maske
27: Stellmittel (Dosiervorrichtung/Schraubendreher)
29: Neutraldichtefilter
30: Halteelement
31: erste Ausnehmung
32: zweite Ausnehmung
33: Längsbohrung
34, 34a: Querbohrung
35: Zuführöffnung für Stellelement (Gewindebohrung, Dosierkanal)
35a: Dosieröffnung
36: lichtundurchlässige Beschichtung
39: Kragen
40, 40a: Photodetektor, Photodetektorgehäuse (Photodiode, Photodiodengehäuse)
41: Photodiodenchip, Photodiodensubstrat
42a, 42b: Lichtempfindliche Segmente der Photodiode
43: Fenster
44: Bodenplatte
44a: Befestigungsfläche
45: Rahmen
46: Innenraum
47a, 47b: Anodenanschluss
48: Kathodenanschluss
49: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10012536 A1 [0005]

Claims

Vorrichtung 20 zur Detektion der Leistung von Licht wenigstens eines Lichtstrahls 11/12/14, insbesondere wenigstens eines Laserstrahls, mit – wenigstens einem Photodetektor 40 und – wenigstens einer lichtstreuenden Einrichtung, die dem Photodetektor 40 im Strahlengang vorgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuende Einrichtung – wenigstens einen ersten Lichtstreubereich 21 und – wenigstens einen, dem ersten Lichtstreubereich 21 im Strahlengang nachgelagerten, zweiten Lichtstreubereich 22 aufweist und die Vorrichtung 20 wenigstens eine Stelleinrichtung aufweist, die zur Einstellung der von dem ersten Lichtstreubereich 21 zum zweiten Lichtstreubereich 22 übertragenen Lichtleistung eine kontinuierliche Querschnittsveränderung des Strahlengangs zwischen dem ersten Lichtstreubereich 21 und zweiten Lichtstreubereich 22 vorsieht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 gekennzeichnet durch wenigstens ein Halteelement 30, an dem wenigstens ein, wenigstens einen Lichtstreubereich 21/22 aufweisendes, lichtstreuendes Element der lichtstreuende Einrichtung und der Photodetektor 40 gemeinsam befestigt sind, und welches den Strahlengang des Lichtstrahles 11/12/14 in der Vorrichtung zumindest abschnittsweise wenigstens teilweise lichtundurchlässig umgibt.
Photodetektor 40 mit – wenigstens einem lichtempfindlichen Segment 42a/42b und – wenigstens einer lichtstreuenden Einrichtung, die dem lichtempfindlichen Segment 42a/42b in Lichtempfangsrichtung vorgelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass die lichtstreuende Einrichtung – wenigstens einen ersten Lichtstreubereich 21 und – wenigstens einen, dem ersten Lichtstreubereich 21 im Strahlengang nachgelagerten, zweiten Lichtstreubereich 22 aufweist und der Photodetektor 40 wenigstens eine Stelleinrichtung aufweist, die zur Einstellung der von dem ersten Lichtstreubereich 21 zum zweiten Lichtstreubereich 22 übertragenen Lichtleistung eine kontinuierliche Querschnittsveränderung des Strahlengangs zwischen dem ersten Lichtstreubereich 21 und zweiten Lichtstreubereich 22 vorsieht.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 oder Photodetektor nach Anspruch 3 gekennzeichnet durch wenigstens ein optisches Auskoppelelement 13, welches Licht, das aus einer Richtung kommend auf das optische Auskoppelelement 13 trifft, in zwei unterschiedliche Richtungen ablenkt, von der wenigstens eine auf den ersten Lichtstreubereich 21 orientiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4 oder Photodetektor nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass der erste Lichtstreubereich 21 in einem ersten lichtstreuenden Element angeordnet ist und der zweite Lichtstreubereich 22 in einem zweiten lichtstreuenden Element angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 4 oder Photodetektor nach Anspruch 3 oder 4 dadurch gekennzeichnet, dass das der erste Lichtstreubereich 21 und der zweite Lichtstreubereich 22 in einem gemeinsamen lichtstreuenden Element angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 6 oder Photodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen Lichtkanal 23 aufweist, in das ein Stellelement 25 eingreift, wobei die Tiefe des Eingriffs veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7 oder Photodetektor nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement eine Stellschraube ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1, 2, und 4 bis 6 oder Photodetektor nach einem der Ansprüche 3 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die Stelleinrichtung einen Satz von wenigstens zwei Masken aufweist, von der wenigstens eine erste Maske gegenüber der zweiten beweglich gelagert ist.
Verfahren zur Einstellung der mittels eines Photodetektors 40 detektierbaren Leistung von Licht, bei dem dem Lichtempfang wenigstens eines lichtempfindlichen Segmentes 42a/42b des Photodetektors 40 die Lichtstreuung in einer lichtstreuenden Einrichtung vorangeht, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Verwendung wenigstens einer Stelleinrichtung die Leistung des Lichtes, das nach einer ersten Lichtstreuung in der lichtstreuenden Einrichtung zu einer zweiten Lichtstreuung in der lichtstreuenden Einrichtung gelangt, eingestellt wird, indem der Querschnitt des vom Licht durchlaufenen Bereiches zwischen der ersten und der zweiten Lichtstreuung kontinuierlich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass zur kontinuierlichen Veränderung des Querschnittes des vom Licht durchlaufenen Bereiches zwischen der ersten und der zweiten Lichtstreuung ein Stellmittel als Hilfsmittel zur Bedienung der Stelleinrichtung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt des vom Licht durchlaufenen Bereiches zwischen der ersten und der zweiten Lichtstreuung durch das Einbringen wenigstens einer viskosen, aushärtbaren Substanz mit lichtreflektierenden und/oder lichtabsorbierenden Eigenschaften zwischen einen ersten, die erste Lichtstreuung aufweisenden, Lichtstreubereich und einen zweiten, die zweite Lichtstreuung aufweisenden, Lichtstreubereich verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 12 dadurch gekennzeichnet, dass zum Einbringen einer bestimmbaren Menge der viskosen, aushärtbaren Substanz zwischen den ersten und den zweiten Lichtstreubereich eine Zuführvorrichtung und/oder Dosiervorrichtung verwendet wird
Lasermodul mit – wenigstens einem Laserlicht emittierenden Element 10 und – wenigstens einem im Strahlengang des Lasermoduls angeordneten optischen Auskoppelelement 13 dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul – wenigstens eine Vorrichtung 20 nach einem der Ansprüche 1, 2 und 4 bis 9 oder – wenigstens einen Photodetektor 40 nach einem der Ansprüche 3 bis 9 aufweist, und ein Teil des Laserlichts durch das optische Auskoppelelement 13 auf eine Lichtaufnahmefläche 21a der Vorrichtung 20 oder des Photodetektors 40 gelenkt wird.
Lasermodul nach Anspruch 14 dadurch gekennzeichnet, dass das optische Auskoppelelement in einem konvergenten Strahlenabschnitt des Strahlengangs im Lasermodul angeordnet ist.
Lasermodul nach Anspruch 15 dadurch gekennzeichnet, dass der konvergente Strahlenabschnitt in eine Lichtleitfaser mündet.