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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und einfachen Bestimmung
der Volumen- und Oberflächenabsorption an optischen Materialien, durch
Separation von Anteilen von Messwerten und Zuordnung zu einer der
beiden Absorptionsarten, eine Vorrichtung hierzu sowie deren Verwendung
zur Herstellung von insbesonders verlustarmen optischen Elementen
und/oder zur Bestimmung der optischen Güte.
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Optische
Materialien zeigen bei ihrer Durchstrahlung mit elektromagnetischen
Wellen, wie z. B. Licht, eine Abschwächung der Strahlungsintensität, so
dass die Intensität (Energie) eines Lichtstrahles vor dem
Eintritt in das optische Material größer ist als diejenige,
die er nach seinem Austritt aus dem Material noch aufweist. Diese
Intensitätsverringerung wird durch Reflexion, Streuung
und Absorption verursacht, wobei lediglich die Absorption eine Erwärmung
des optischen Materials verursacht.
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Es
ist auch bekannt, dass das Licht durch drei, gegebenenfalls verschiedene,
voneinander unabhängige Mechanismen absorbiert wird, und
zwar erstens bei seinem Eintritt in das optische Material an deren
Oberfläche bzw. Eintrittsfläche (Oberflächenabsorption),
und dann zweitens während seines Durchlaufs im Inneren
des optischen Materials (Volumenabsorption). Eine dritte Absorption
findet dann schließlich beim Austritt aus dem optischen
Material an dessen Oberflä che (Austrittsfläche)
statt. Dabei ist der Betrag oder Anteil der Oberflächenabsorption kein
reiner Materialparameter sondern ist unter anderem von der Qualität
bzw. der Verarbeitung (Rauhigkeit der Politurglätte) der
Oberfläche abhängig, wohingegen die Volumenabsorption
ein reiner Materialparameter ist und lediglich von Unregelmäßigkeiten (Inhomogenitäten)
im Materialaufbau (Kristallfehler, Lufteinschlüsse, Schlieren
etc.) oder auch Verunreinigungen durch andere gegebenenfalls gelöste Fremdstoffe
beeinflusst wird.
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In
optischen Elementen sind derartige Inhomogenitäten und
Verunreinigungen unerwünscht. Aus diesem Grund werden durch
Transmissions- bzw. Absorptionsmessungen diejenigen Rohlinge aussortiert,
die zu einer Weiterverarbeitung, z. B. zu Linsen etc., ungeeignet
sind. Da jedoch bei derartigen Absorptionsmessungen nur ein einziger
Wert erhalten wird, der nicht zwischen der durch mechanische Bearbeitung
oder optische Vergütung beeinflussbaren Oberflächenabsorption
und der von der Qualität des optischen Materials abhängigen
Volumenabsorption unterscheiden kann, sind derartige Messungen nur
bedingt zur Selektion von geeignetem optischen Material geeignet.
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Eine
Erhöhung der Volumenabsorption führt nämlich
dazu, dass ein optisches Medium durchstrahlendes Licht einen erhöhten
Teil seiner Energie an das optische Medium abgibt, was zu einer
lokalen Temperaturerhöhung im Material führt.
Da der Brechwert oder Brechungsindex temperaturabhängig
ist bzw. sich mit dieser ändert, wird eine Wellenfront
eines das optische Material durchlaufenden Lichtstrahls oder Strahlenbündels
deformiert. Derartige, eine Ablenkung des Strahlverlaufs induzierende, Temperaturinhomogenitäten
werden auch als thermische Linse bezeichnet. In einem optischen
Element, (wie z. B. einer Linse, einem Prisma oder einem optischen
Filter) führen solche thermischen Linsen zu Abbildungsfehlern
und sind daher unerwünscht. Es hat daher bereits vielfältige
Versuche gegeben, die innere Volumenabsorption in einem Material
zu bestimmen.
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Eine
Vorgehensweise besteht z. B. darin, die Volumenabsorption eines
Materials zu bestimmen, indem Materialproben verschiedener Längen
durchstrahlt werden und die Unterschiede der jeweils gefundenen
Absorption den unterschiedlichen Weglängen des Lichtstrahls
zuzuordnen. Ist dann die innere bzw. Volumenabsorption auf diese
Weise bestimmt, so ergibt sich die Oberflächenabsorption
als Differenz zur Gesamtabsorption. Diese Bestimmungsart setzt jedoch
voraus, dass die Oberflächenbeschaffenheit und damit auch
die Oberflächenabsorption in allen Proben gleich ist und
dass die Qualität des Materials der unterschiedlich langen
Proben völlig identisch ist, d. h. keine der zuvor beschriebenen
Materialfehler aufweist. Um eine gleiche Oberflächenbeschaffenheit
zu erreichen, muss jede der Proben separat für sich zuerst
zeit- und kostenaufwändig geschliffen und poliert werden.
Darüber hinaus ist mit diesem Verfahren (sog. Dickenserie)
nur die Summe beider Oberflächenabsorptionen (Eintritts-
und Austrittsfläche) bestimmbar. Eine Zuordnung der jeweiligen
Absorptionsanteile ist nicht möglich.
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M.
Guntau und W. Triebel, beschreiben in Rev. Sci. Instrum. Vol. 71,
2279–2282 (2000), "Novel method to measure bulk
absorption in optically transparent materials," ein
Verfahren zur Bestimmung der Volumenabsorption an optischen Materialien
bei dem mittels eines leistungsstarken Lichtstrahls, insbesonders
eines Laserstrahls im optischen Material durch Absorption Energie
deponiert wird, und bestimmen die absor bierte Energie durch Ablenkung
eines im rechten Winkel hierzu verlaufenden Messstrahles. Dieser
Messstrahl wird, wie zuvor beschrieben, durch die vom leistungsstarken
Strahl eines Anregungslasers erzeugte thermische Linse abgelenkt.
Mittels einer Eichkurve lässt sich dann aus dem Grad der
Ablenkung die im Material deponierte Energie und damit auch die
Volumenabsorption mittels zuvor ermittelten Eichwerten bestimmen.
Diese Technik wird inzwischen auch als Laser induzierte Deflektion
(LID) bezeichnet. Dass sich mit dieser Technik auch die Oberflächenabsorption
bestimmen lässt, ist darin jedoch nicht beschrieben.
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Eine
Anordnung zur Bestimmung der Absorption mittels dieser Vorgehensweise
ist beispielsweise in der
DE
101 39 906 A beschrieben. Danach wird in einer Anordnung
zur optischen Bestimmung der Absorption, die ein leistungsstarkes
Lichtbündel beim Passieren eines transparenten Mediums
durch Umwandlung eines Teils seiner Energie in Wärme erfährt,
die Ablenkung eines Lasermessstrahls bestimmt, der quer zu diesem
Lichtbündel gerichtet ist. Dabei passiert bzw. kreuzt der
Messstrahl das optische Medium außerhalb des Strahlengangs
des leistungsstarken Lichtbündels. Die durch die Absorption hervorgerufene
Ablenkung des Messstrahls wird nach seiner Passage durch das Medium
gemessen. In einer derartigen Vorrichtung wird der Messstrahl mittels
eines Strahlenteilers in zwei parallel verlaufende Strahlen geteilt,
welche den Energie liefernden Anregungsstrahl beabstandet beidseitig
passieren. Die erfolgte Ablenkung der Messstrahlen wird dann mittels
eindimensional positionsempfindlichen Detektoren bestimmt.
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C.
Mühlig, W. Triebel et al. beschreiben in Applied Optics,
Vol. 47, Nr. 13, S. C135–C142 (2008) die Auswirkungen
der Oberflächenabsorption auf die Auslenkung eines Messstrahls
in direkter Nähe der Oberfläche und in der Mitte
der Messprobe. Dabei zeigte sich, dass die Ablenkung des Messstrahls
in Oberflächennähe, und zwar sowohl bei der Eintritts- als
auch bei der Austrittsfläche, größer
ist als in der Mitte der Probe. Diese Unterschiede werden der jeweiligen
Oberflächenabsorption zugeschrieben, die ebenfalls eine
optische Linse ausbildet.
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Des
Weiteren beschreiben W. Triebel, C. H. Mühlig und
S. Kufert in "Application of laser induced deflection (LID)
technique for low absorption measurements in bulk materials and
coatings" (Proc. SPIE 2005, Vol. 5965, S. 499ff) die
Ausbildung von Temperaturprofilen in einem optischen Material zur
direkten Bestimmung der Absorption. Dabei werden an den Probenoberflächen
kleine Heizelemente, wie elektrische Widerstandsheizungen, angebracht
und die Ablenkung eines Messstrahles für eine bestimmte
Temperaturänderung (ΔT) bzw. für eine
bestimmte Heizleistung (mW) bestimmt. Dabei werden auch Formeln angegeben,
mit denen sich die jeweilige Oberflächen- und Volumenabsorption
bei unterschiedlichen Messstrahlpositionen bestimmen lässt.
Mit den derart ermittelten Daten ist es dann mit der dort beschriebenen
LID-Technik möglich, an mehreren verschiedenen Positionen
jedoch bereits an einer einzigen Probe durch Bestimmung des Ablenkungswinkels
eines Messstrahls den jeweiligen Einfluss der Oberflächen-
und der Volumenabsorption zu bestimmen. Da jedoch für jede
Messung das ganze System kalibriert und neu justiert werden muss,
was ebenfalls zeitaufwändig ist, ist eine weitere Vereinfachung
sowie eine Zeit- und Kostenersparnis des Verfahrens wünschenswert.
Darüber hinaus entstehen bei Inhomogenitäten des
Probenmaterials unterschiedliche, nicht ver gleichbare Messergebnisse,
die zu falschen Werten, insbesonders für die Oberflächenabsorption führen.
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Die
Erfindung hat daher zum Ziel diese zuvor geschilderte LID Technik
noch weiter zu verbessern und, um zusätzliche Fehlerquellen
zu vermeiden, mit möglichst nur einer einzigen Messung
sowohl die separaten Anteile der Oberflächen- als auch
der Volumenabsorption zu bestimmen.
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Dieses
Ziel wird durch die in den Ansprüchen definierten Merkmale
erreicht.
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Die
Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass einerseits jede Ablenkung
eines Messlichtstrahles aus einem durch Oberflächen- und
einem durch Volumenabsorption hervorgerufenen Anteil erzeugt wird,
und dass andererseits sowohl die parallel zur Eintrittsoberfläche
als auch die parallel zum Strahlengang (z. B. horizontaler Anteil)
erzeugte Ablenkung jeweils aus einem Oberflächen- als auch
aus einem Volumenanteil bestehen. Daher lässt sich die
Ablenkung als Vektor D (Deflektion) D = {y·(AOF + Avol)} + {x·(AOF + Avol)}darstellen.
Wird nun erfindungsgemäß berücksichtigt,
dass, wie zuvor geschildert, jede Ablenkung in y- als auch in x-Richtung
jeweils sowohl von einem Oberflächen- als auch von einem
Volumenanteil herrührt, dann lässt sich der Ablenkungsvektor
wie folgt darstellen: D = {y1AOF + y2Avol}·{z1AOF + z2Avol}
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Dabei
sind sowohl z1, z2,
als auch y1, y2 reine Materialkonstanten,
die sich mittels den zuvor beschriebenen Heizele menten ohne weiteres
bestimmen lassen, wie dies z. B. in Proc. Spie., Vol. 5965, S.
499ff (2005) beschrieben ist. Damit reduziert sich das
obere Vektorgleichungssystem auf zwei Gleichungen mit den beiden
Unbekannten AOF und Avol. Damit
sind diese nun ohne weiteres mittels eines zweidimensional positionsempfindlichen
Empfängers/Detektors bestimmbar.
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Des
Weiteren wurde gefunden, dass sich die Oberflächen- und
die Volumenabsorption bei gleicher Vorgehensweise auch durch eine
zeitaufgelöste Bestimmung der durch einen Anregungslichtstrahl
induzierten Ablenkung ermitteln lassen. Dabei wird das leistungsstarke
Lichtstrahlenbündel nur für eine kurze Zeit in
das optische Material eingestrahlt und an einer Messposition die
hierdurch hervorgerufene Ablenkung über die Zeit verfolgt.
Es wurde nämlich gefunden, dass sich bei einer kurzzeitigen
Bestrahlung der zu untersuchenden Probe die Ausbreitung der absorbierten
Energie im optischen Medium verfolgen lässt. Dabei ist
die Dauer, welche die Wanderung bzw. Diffusion der durch Oberflächenabsorption
erzeugten Energie bis zur Position des Messpunktes benötigt,
im Vergleich zu derjenigen Dauer, welche die bereits in der Nähe
des beispielsweise in der Probenmitte durch die Probe geführten
Messstrahls erfolgten Volumenabsorption benötigt, verschieden,
so dass die beiden von verschiedenen Absorptionsarten induzierten
Ablenkungen zeitlich versetzt am Messpunkt erfassbar sind. Auf diese
Weise lassen sich die beiden Absorptionsarten Oberflächen-
und Volumenabsorption ebenfalls auf einfache Weise separat bestimmen.
Liegt der Messpunkt in der Mitte des Strahlenganges, dann werden
beide Oberflächenabsorptionsarten erfasst, also diejenige,
die der Anregungsstrahl beim Eintritt und beim Austritt aus dem
optischen Material erfährt. Durch Verschiebung der Position des
Messpunktes in Richtung einer der beiden Oberflächen ist
es auch bei dieser Vorgehensweise möglich, die jeweiligen
Anteile der beiden Oberflächenabsorptionsarten getrennt
zu erfassen.
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Liegt
der Messpunkt in der Mitte des Strahlenganges, dann werden beide
Oberflächenabsorptionsanteile erfasst, also diejenige,
die der Anregungsstrahl beim Eintritt und beim Austritt aus dem
optischen Material erfährt. Durch Verschiebung der Position
des Messpunktes in Richtung einer der beiden Oberflächen,
ist es auch mit dieser Vorgehensweise möglich, die jeweiligen
Anteile der beiden Oberflächenabsorptionen getrennt zu
erfassen.
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Die
Zeit, in welcher der Anregungsstrahl zur zeitaufgelösten
Bestimmung in das optische Medium eingestrahlt wird, muss ausreichend
lange sein, damit sich eine thermische Linse ausbilden kann. Sie darf
jedoch nicht so lange andauern, dass sich die durch die Volumenabsorption
hervorgerufene Ablenkung mit derjenigen überlappt, die
durch die Oberflächenabsorption erzeugt wird. Die Bestrahlungszeit bzw.
Dauer ist sowohl vom Grad der jeweiligen Absorption als auch von
der Wärmeleitfähigkeit abhängig und ist
für jedes Material und Medium leicht zu bestimmen. Typische
Zeiten hierfür betragen beispielsweise mindestens 0,5 Sekunden
bzw. 1 Sekunde und maximal 10 bzw. 8 Sekunden, wobei maximal 7 Sekunden
bzw. maximal 6 Sekunden besonders bevorzugt sind.
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Die
Proben zeigen üblicherweise eine quaderförmige
Geometrie auf.
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Die
Bestimmung der zweidimensionalen Ablenkung wird üblicherweise
mit einem positionsempfindlichen Detektor, beispielsweise einem
zweidimensionalen PSD bestimmt. Weitere Möglichkeiten zur
Bestimmung der Ablenkung sind beispielsweise ein zweidimensionales
Array von Foto- oder Pindioden sowie eine CCD-Anordnung, wie sie
in handelsüblichen Digitalkameras verwendet werden. Eine weitere
Möglichkeit zur zweidimensionalen Bestimmung der thermischen
Linse liegt in der Verwendung eines Hartmann-Shack-Sensors, der
eine zweidimensionale Deformation der Wellenfront eines ausgedehnten
Messstrahls mit großem Querschnitt erfasst. Dabei ist in
diesem Fall der Querschnitt des Messstrahls typischerweise größer
als derjenige des Anregungsstrahles. Mit derartigen Detektoren lassen sich
Ablenkungen von 1–2 μm ohne weiteres sehr genau
bestimmen.
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Die
jeweilige Ablenkung des Messstrahls wird zuvor für jedes
Probenmaterial, wie z. B. Calciumfluorid, Quarz, Glas, Glaskeramiken,
durchsichtiges Polyacrylat (Plexiglas®)
etc. bestimmt. Dabei wird, wie beispielsweise in der bereits erwähnten
Arbeit Proc. SPIE., Vol. 5965, S. 499ff (2005) oder
auch in Applied Optics (2008), Vol 47, Nr. 12, S. C135–C142)
beschrieben, die Ablenkung für eine bestimmte mit einem
Heizelement erzeugte Temperatur bestimmt. Hierzu wird üblicherweise
ein flaches Heizelement mittels einer Wärmeleitpaste an
der Oberfläche der Messprobe angeordnet. Für jede
damit erzeugte Temperaturänderung lässt sich mit
Hilfe des spezifischen Wärmekoeffizienten die in der Probe
deponierte Energie bzw. Leistung bestimmen und mit der hierdurch
ermittelten Ablenkung in Beziehung setzen. Eine gleiche Ablenkung
zeigt dann die Energie der durch das leistungsstarke Strahlenbündel
erzeugten Absorption an.
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Mit
dem erfindungsgemäßen Messverfahren ist es auch
möglich, die Qualität von beschichteten optischen
Oberflächen, wie beispielsweise reflektierenden oder auch
entspiegelten Oberflächen, zu bestimmen. So sollte beispielsweise
bei einer 100% reflektierenden Oberfläche keinerlei Oberflächenabsorption
aufzufinden sein. Ist dies dennoch der Fall, dann zeigt dies, dass
die Beschichtung nicht 100% reflektiert. Das Gleiche gilt jedoch
auch im umgekehrten Fall für eine entspiegelte Oberfläche,
die völlig reflektionsfrei sein muss. Hier sollte keinerlei
Reflektion, Absorption und/oder Streuung stattfinden, d. h. die
gesamte eingestrahlte Energie sollte für die Oberflächen-,
sowie für die Volumenabsorption wirksam werden. Weitere,
für das erfindungsgemäße Verfahren geeignete
Elemente sind Dünnschichtpolarisatoren sowie teilreflektierende
optische Elemente, insbesonders solche für Laserresonatoren.
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Es
hat sich gezeigt, dass erfindungsgemäß der erforderliche
Aufwand an Kalibrierungen weiterhin deutlich reduziert werden kann
und der Zeitaufwand für eine Messung um ca. 50% vermindert
werden kann. Zudem spielen eventuelle Inhomogenitäten der
Absorption entlang der Probenlänge keine Rolle mehr. Mit
nur einer Probe und an nur einer einzigen Messposition können
erfindungsgemäß Oberflächen- und Volumenabsorption
getrennt erfasst und bestimmt werden, und zwar an einer beliebigen
Stelle entlang der Probenlänge, wobei jedoch oberflächennahe
Abstände bevorzugt sind. Dabei ist es prinzipiell wünschenswert,
den Messpunkt so nah wie technisch realisierbar an der Oberfläche
zu positionieren. Dies hängt jedoch auch vom Durchmessers
des Messstrahles ab oder ob die Probe an dieser Stelle eine Fase
aufweist.
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Prinzipiell
ist es bevorzugt, dass der Messstrahl den Anregungsstrahl an einer
solchen Stelle kreuzt, an der der Abstand des Messstrahls bezogen auf
die entfernte Oberfläche mindestens 10 mal größer
ist als der Abstand bezogen auf die nahe Oberfläche. Dies
gilt insbesonders dann, wenn beide Oberflächen eine identische
Beschaffenheit aufweisen. Es gilt daher 2 × D ist kleiner
oder gleich groß L – Lc,
wobei D der Abstand des Messpunktes von der „nahen” Oberfläche
und L die Probenlänge bedeutet und Lc derjenige
Abstand von der „nahen”, also zu untersuchenden
Oberfläche ist, bei der die an der Oberfläche
erzeugte Wärmemenge/Temperatur auf den eten-Teil abgenommen
hat. Dabei bedeutet e die Eulersche Zahl. Es hat sich nämlich
gezeigt, dass bei identischen Oberflächen der Anteil der
weiter entfernt liegenden Oberfläche am Messsignal vorzugsweise kleiner
als 10% sein sollte, damit sein Anteil vernachlässigbar
ist. Weist die zu bestimmende oder zu messende „nahe” Oberfläche
jedoch eine höhere Absorption auf als die weiter entfernte
(wenn diese zum Beispiel mit einer Vergütungsschicht versehen
ist und/oder die entfernte poliert und ohne Beschichtung ist), dann
sind auch Messungen möglich, wenn die zuvor geschilderte
Bedingung nicht erfüllt ist. Generell ist es jedoch bevorzugt,
den Abstand zur „zu vermessenden” Oberfläche
so zu wählen, dass der Absorptionsanteil der anderen (nicht
zu vermessenden) Oberfläche an der Ablenkung des Messstrahls
an der Messposition gleich oder weniger als 10% beträgt, wobei
gleich oder weniger als 5% noch weiter bevorzugt ist. Besonders
bevorzugt sind Anteile von kleiner gleich 1%.
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Im
Rahmen der Erfindung wurde auch gefunden, dass es bevorzugt ist,
wenn die Messstrahlen möglichst nahe, jedoch beabstandet
den Strahlengang des Anregungslasers insbesonders rechtwinklig queren
oder kreuzen. Vorzugsweise sind solche Messstrahlen bevorzugt, die
ein Gaußsches Strahlungsprofil aufweisen und/oder deren
Durchmesser des Lichtfleckes kleiner als 1 mm beträgt,
wobei die Ränder des Lichtfleckes dadurch definiert sind,
dass die Lichtintensität von ihrem Maximum in der Mitte des
Lichtfleckes auf den Wert 1/e2 abgesunken
ist, wobei auch hier wieder e die Eulersche Zahl bedeutet. In einer
erfindungsgemäß bevorzugten Ausführungsform
beträgt der Mindestabstand des Randes des Messstrahlflecks
vom Rand des Anregungsstrahl mindestens 0,5 mm bzw. liegt die Mitte
(Intensitätsmaximum) des Messstrahls vorzugsweise mindestens
1 mm bzw. mindestens 1,5 mm und vorzugsweise maximal 5 mm bzw. maximal
4 mm, insbesonders maximal 3 bzw. maximal 2 mm vom Rand des Anregungsstrahls
entfernt. Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße
Vorgehensweise zur Bestimmung der Absorption von transparenten optischen
Schichten, da hierbei beispielsweise nur der parallel zum Anregungslaser
verlaufende Gradient der thermischen Linse ausgewertet wird. Dies
gilt insbesondere für Verfahren, bei denen das Verhältnis
der Empfindlichkeiten K für die Schichten und die Volumenabsorption
Ks/Kvol größer
als 50, insbesonders größer als 80, wobei größer
100 besonders bevorzugt ist, beträgt, wobei die Empfindlichkeit
das Verhältnis der Ablenkungen bezogen auf die absorbierte
Leistung bedeutet (μm/mW).
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Darüber
hinaus ist durch die zeitliche Trennung der Messsignale der Absorption
von der Oberfläche und vom Volumen eine sehr schnelle Nachweismöglichkeit
gegeben, da die Aufbauzeiten der verschiedenen thermischen Linsen
aus Volumen- und Oberflächenabsorption unterschiedlich
sind. Mit beiden Vorgehensweisen ist eine Trennung von Volumen und
Oberflä chenabsorption an nur einer Position entlang der
Probenlänge möglich.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren sowie die erfindungsgemäße
Vorrichtung sind besonders zur Herstellung von optischen Elementen
wie Linsen, Prismen, Filtern, Spiegeln, Lichtleitern, Dünnschichtpolarisatoren,
teilreflektierenden optischen Elementen, Laserresonatoren sowie
solche oberflächenvergütete Elemente, insbesonders
reflektierende oder reflektionsfreie optische Elemente geeignet.
Bevorzugte optische Elemente umfassen optische Kristalle, wie Alkali-
und Erdalkalihalogenide, insbesonders -fluoride wie Calciumfluorid,
Magnesiumfluorid, Kaliumfluorid sowie Mischungen hiervon, LuAG,
Quarz, Quarzglas und Alkali- und Erdalkalioxid, insbesonders Magnesiumoxid
sowie Mischungen davon sowohl untereinander als auch mit anderen
Oxiden, Glas, Quarzglas, Glaskeramiken sowie lichtdurchlässige
Kunststoffe wie Polyacrylate (wie z. B. Plexiglas® etc.).
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Die
Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Durchführung
des erfindungsgemäßen Verfahrens. Die Vorrichtung
umfasst eine Quelle zur Erzeugung eines ausreichend leistungsstarken
Lichtstrahles zum Erzeugen einer thermischen Linse in einem optischen
Medium, sowie mindestens eine Quelle zum Erzeugen mindestens eines
Messstrahles. Die Erfindung umfasst vorzugsweise ebenfalls eine
Einrichtung zum Durchleiten des Messstrahles durch eine, vorzugsweise
in einer Probenhalterung gehalterten Probe eines optischen Mediums
oder Materials. Des Weiteren enthält die erfindungsgemäße
Vorrichtung mindestens einen strahlenempfindlichen Detektor, wobei
die erfindungsgemäße Vorrichtung dadurch gekennzeich net
ist, dass der positionsempfindliche Detektor ein zweidimensionalempfindlicher
Detektor ist.
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In
einer weiteren bevorzugten erfindungsgemäßen Vorrichtung
weist diese einen Strahlenteiler zum Teilen des mindestens einen
Messstrahls in mindestens zwei Teilmessstrahlen auf, von denen ein erster
Teilmessstrahl vorzugsweise bereits am Strahlenteiler und ein zweiter
durch den Strahlenteiler hindurchtretender Messstrahl an einem Spiegel
abgelenkt und durch die Probe geleitet werden. In einer erfindungsgemäß bevorzugten
Ausführungsform weist die Vorrichtung sowohl einen vor
(dritter Spiegel) als auch einen nach (zweiter Spiegel) der Probe
angeordneten Reflektionsspiegel auf, welche die Messstrahlen reflektieren
und diese so mehrfach durch die Probe leiten. Dabei ist mindestens
der zweite, zwischen Strahlenteiler und ersten Spiegel und vor der Probe
angeordneter (dritter) Spiegel ein teildurchlässiger Spiegel
bzw. Reflektor. Ebenso ist der erste Spiegel oder Reflektor vorzugsweise
ein teildurchlässiger Reflektor. Die erfindungsgemäßen,
zweidimensionalen, positionsempfindlichen Detektoren sind handelsübliche
Detektoren und ersetzen die bislang verwendeten eindimensionalen
Detektoren.
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Die
in den positionsempfindlichen Detektoren erzeugten Signale bzw.
Ablenkungen werden dann gegebenenfalls nach Verstärkung,
zu einer rechnergesteuerten Auswerte- oder Anzeigeeinheit geleitet
und dort anhand zuvor bestimmter kalibrierter Eichwerte verglichen
und so der jeweilige Absorptionskoeffizient errechnet bzw. bestimmt.
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Die
Erfindung soll an den folgenden Beispielen und Figuren naher erläutert
werden.
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1 zeigt
die Ablenkung eines Messstrahles in einem, durch einen Excimer-Laser
durchstrahlten und damit erwärmten Quarzglas.
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2 zeigt eine schematische Anordnung der
Messung mittels zwei Messstrahlen und einem Anregungslaser, wobei 2a den
Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung und 2b den
Verlauf von Anregungsstrahl und Messstrahl zueinander veranschaulicht.
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3 zeigt
die Zerlegung der Ablenkung bei einem zweidimensionalempfindlichen
Positionsdetektor.
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4 zeigt
die zeitliche Auflösung der Absorption eines Laserstrahls
nach einer kurzen Bestrahlung einer Quarzglasprobe.
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Wie
in 1 dargestellt, wird um den Strahlengang des eingestrahlten
Excimer-Lasers (1) durch die absorbierte Energie ein vom
Excimer-Laser (1) in Richtung Probenrand (5) abnehmendes
Temperaturfeld (2) erzeugt. Da dieses im Temperaturfeld
erwärmte Material einen höheren Brechungsindex
aufweist als das vor seiner Erwärmung kühlere
Material, wird der Messstrahl (3) um den Winkel α (4)
abgelenkt. Wurde zuvor die Abhängigkeit der Ablenkung von
der Wärmeleistung mittels eines Heizelementes bestimmt,
dann lässt sich der hier erzeugte Ablenkungswinkel α direkt
einer Temperatur bzw. Wärme und damit einer absorbierten
Strahlungsenergie zuordnen.
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Im
vorliegenden Fall wurde ein leistungsstarkes Lichtbündel
mittels eines Excimer-Lasers von 193 nm in ein Quarzglas eingeleitet
und als Messstrahl wurde ein dünner Laserlichtstrahl der
Wellenlänge 640 nm verwendet. Durch die elektri sche Kalibrierung
mittels Heizelementen ist es nicht mehr notwendig, den Materialparameter
dn/dT zu bestimmen, vielmehr werden nur noch leistungsabhängige
Ablenkungen bzw. Absorptionen erfasst. So ergibt z. B. Laserlicht
bei 193 nm und Fluenzen zwischen 3 und 25 mJ/cm2 bei
Pulsraten zwischen 50 und 400 Hz Absorptionskoeffizienten zwischen
5 und 9·10–3 cm–1. Auf diese Weise wurde beispielsweise
für Quarzglas ein Wert von (dn/dT) 640 nm von 9,7·10–6 und für Calciumfluorid
ein Wert von –10,1·10–6 (K–1) ermittelt. Die Fluenz H des
anregenden Excimer-Lasers betrug 10–23 mJ/cm2 bei
einer Pulsrate von 300 und 1000 Hz.
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2a zeigt
das Prinzip einer Vorrichtung zur Messung kleiner Absorptionskoeffizienten
in einem optisch transparenten Medium. Dabei wird ein ausreichend
leistungsstarkes Lichtbündel oder Lichtstrahl durch eine
Probe (6) des optischen Mediums hindurchgeleitet. Der ausreichend
leistungsstarke Anregungslichtstrahl ist vorzugsweise ein Laserlichtstrahl,
wobei Excimer-Laser besonders bevorzugt sind. Selbstverständlich
ist es erfindungsgemäß auch möglich,
andere Lichtstrahlen zu verwenden, die eine ausreichende Leistung
oder Strahlenintensität aufweisen. Von einer weiteren Lichtquelle
(nicht weiter gezeigt) wird ein Messstrahl zuerst über
einen Strahlenteiler, sowie anschließend über
einen ersten Spiegel durch die Probe geleitet. Da der Messstrahl am
Strahlenteiler geteilt wird und der durch den Teiler hindurchtretende
Teil am ersten Spiegel reflektiert wird, ist es auf diese Weise
möglich, zwei Messstrahlen durch die Probe zu leiten. Die
Messstrahlen verlaufen mehr oder weniger senkrecht bzw. quer zum Strahlengang
des Anregungslichtes und sind von diesem beabstandet. Nach ihrem
Durchtritt durch die Probe (6) treffen beide Messstrahlen
(7a, 7b) auf einen zweiten Spiegel (10)
und werden von die sem reflektiert und nochmals durch die Probe (6)
geleitet. Nach ihrem Wiederaustritt aus der Probe (6) werden dann
die Messstrahlen (7a, 7b) an einem dritten Spiegel
(11) nochmals reflektiert und ein weiteres Mal durch die
Probe geleitet. Nach mehreren Durchgängen tritt dann ein
Teil der Messstrahlen (7a, 7b) durch den dritten
Spiegel (7), den Teiler (8) bzw. den ersten Spiegel
(9) hindurch und trifft auf zwei positionsempfindliche
Detektoren (12a und 12b). Die positionsempfindlichen
Detektoren (12a und 12b) sind zweidimensionalempfindliche
Detektoren und erfassen die Auslenkung der Messstrahlen (7a, 7b)
sowohl in x- als auch in y-Richtung.
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Die
schematische Darstellung von
2b zeigt
die Lage der Messstrahlen in Bezug zur leistungsstarken Anregungslichtstrahlung
(z. B. ein Excimer-Laser mit 193 nm). Die Anordnung der gesamten Vorrichtung
ist beispielsweise in der bereits erwähnten
DE 101 39 906 A1 beschrieben.
Auf das von diesen Messpunkten, die den Strahlengang des Anregungslasers
beabstandet kreuzen, durchstrahlte Probenmaterial wirken nun die
voneinander völlig unabhängigen Temperaturfelder
der Oberflächenabsorption und der Volumenabsorption ein.
Diese Temperaturfelder bewirken nun eine Auslenkung, sowohl entlang
des Strahlengangs des leistungsstarken Anregungslichtes (x-Richtung),
als auch parallel zur Oberfläche (y-Richtung). Da nun die
jeweiligen x- und y-Anteile der Oberflächen- als auch der
Volumenabsorption, wie vorher beschrieben, durch eine Eichung ermittelbar
sind, lassen sich auf diese Weise mit den weiter oben angeführten
Formeln sowohl die Oberflächen- als auch die Volumenabsorption
genau bestimmen.
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3 zeigt
die Änderung der Lage der Abbildung eines Messstrahls (7)
vor Ausbildung einer thermischen Linse durch den Anregungsstrahl
(Position x0, y0)
zu seiner Lage nach erfolg ter Ablenkung durch die thermische Linse
(Position x, y). Mittels der der Erfindung zugrunde liegenden Erkenntnis
lassen sich nun beide x- und y-Werte gemäß der
Formel (Teilvektor y = y1·AOF + y2·AVOL sowie der x-Anteil mit der Formel Teilvektor
x = x1·AOF +
x2·AVOL)
bestimmen.
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In 4 ist
die von der Oberflächenabsorption und der Volumenabsorption
erzeugte Ablenkung an zwei zeitlich getrennt auftretenden Peaks
ersichtlich. Dabei wird aufgrund der kürzeren Entfernung der
Messstrahlen zum Strahlengang des Anregungslasers zuerst die durch
Volumenabsorption (1) hervorgerufene Ablenkung und erst
später die Ablenkung der Oberflächenabsorption
(2) sichtbar gemacht. Mittels des Integrals unter diesen
Kurven lässt sich ebenfalls anhand von vorher ermittelten
Eich- und Kalibrierungswerten die jeweilige absorbierte Energie
und damit die Absorption selbst ermitteln. Bei 4 wurde
beispielsweise eine Probe von 1 cm Quarzglas mittels eines Excimer-Lasers
bei 193 nm Wellenlänge und einer Fluenz von 2 mJ/cm2 fünf Sekunden lang bestrahlt.
Während dieser Zeit wirken 5000 Laserimpulse auf das Material
ein.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 10139906
A [0008]
- - DE 10139906 A1 [0038]
-
Zitierte Nicht-Patentliteratur
-
- - M. Guntau
und W. Triebel, beschreiben in Rev. Sci. Instrum. Vol. 71, 2279–2282
(2000), ”Novel method to measure bulk absorption in optically transparent
materials,” [0007]
- - C. Mühlig, W. Triebel et al. beschreiben in Applied
Optics, Vol. 47, Nr. 13, S. C135–C142 (2008) [0009]
- - W. Triebel, C. H. Mühlig und S. Kufert in ”Application
of laser induced deflection (LID) technique for low absorption measurements
in bulk materials and coatings” (Proc. SPIE 2005, Vol.
5965, S. 499ff) [0010]
- - Proc. Spie., Vol. 5965, S. 499ff (2005) [0014]
- - Proc. SPIE., Vol. 5965, S. 499ff (2005) [0020]
- - Applied Optics (2008), Vol 47, Nr. 12, S. C135–C142 [0020]