DE102011113572B9

DE102011113572B9 - Verfahren zur schnellen Bestimmung der separaten Anteile von Volumen- und Oberflächenabsorption von optischen Medien, eine Vorrichtung hierzu sowie deren Verwendung

Info

Publication number: DE102011113572B9
Application number: DE201110113572
Authority: DE
Inventors: Dr. Mühlig Christian; Simon Bublitz
Original assignee: Institut fur Photonische Technologien EV
Current assignee: Leibniz Institut fuer Photonische Technologien eV
Priority date: 2011-09-19
Filing date: 2011-09-19
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2031-09-20
Also published as: DE102011113572B3

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Anteile von Oberflächen- und Volumenabsorption eines Lichtstrahls beschrieben, die beim Durchtritt des Lichtstrahls durch ein Oberflächen und Volumen aufweisendes optisches Medium (1) erfolgt. Dabei werden optische Materialplatten (3) verwendet, damit kein Messstrahl (4) durch das optische Medium (1) verlaufen muss.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur schnellen und einfachen Bestimmung der Volumen- und Oberflächenabsorption an optischen Medien, durch Separation von Anteilen von Messwerten und Zuordnung zu einer der beiden Absorptionsarten, eine Vorrichtung hierzu sowie deren Verwendung zur Herstellung von insbesondere verlustarmen optischen Elementen und/oder zur Bestimmung der optischen Güte.
Optische Medien beziehungsweise deren 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 Medium größer ist als diejenige, die er nach seinem Austritt aus dem Medium aufweist. Diese Intensitätsverringerung wird durch Reflexion, Streuung und Absorption verursacht, wobei lediglich die Absorption eine Erwärmung des optischen Mediums verursacht.
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 Medium an deren Oberfläche bzw. Eintrittsfläche (Oberflächenabsorption), und dann zweitens während seines Durchlaufs im Inneren des optischen Medium (Volumenabsorption). Eine dritte Absorption findet dann schließlich beim Austritt aus dem optischen Medium an dessen Oberfläche (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.
In optischen Medien 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 Mediums abhängigen Volumenabsorption unterscheiden kann, sind derartige Messungen nur bedingt zur Selektion von geeignetem optischen Medien geeignet.
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.
Eine Vorgehensweise besteht z. B. darin, die Volumenabsorption eines optischen Mediums zu bestimmen, indem Proben 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 aus dem die optischen Medien bestehen 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.
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 Medien bei dem mittels eines leistungsstarken Lichtstrahls, insbesondere eines Laserstrahls im optischen Medium durch Absorption Energie deponiert wird, und bestimmen die absorbierte 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 Medium 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.
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.
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.
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 Medium 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 vergleichbare Messergebnisse, die zu falschen Werten, insbesonders für die Oberflächenabsorption führen.
In der DE 10 2008 048 266 wird ein Verfahren beschrieben, dass geeignet ist, die separaten Anteile von Volumen- und Oberflächenabsorption von optischen Materialien zu bestimmen. Dazu werden mittels der LID-Technik mit möglichst einer einzigen Messung die jeweiligen Anteile bestimmt. Dass sich mit diesem Verfahren auch beispielsweise kleine Kristalle, die für den Messstrahl undurchlässig sind, vermessen lassen, wird nicht beschrieben.
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. Idealerweise kann dabei die Größe des zu vermessenden optische Mediums zumindest teilweise unabhängig von der Größe, insbesondere dem Durchmesser, der verwendeten Lichtstrahlen sein oder daneben kann ein für den Messstrahl intransparentes Medium verwendet werden.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Anteile von Oberflächen- und Volumenabsorption eines Lichtstrahls, der beim Durchtritt durch ein Oberflächen und Volumen aufweisendes optisches Medium erfolgt mittels der in dem Anspruch 1 definierten Merkmalen.
Unter einem optischen Medium kann im Rahmen der vorliegenden Erfindung zumindest ein amorpher, bevorzugt ein kristalliner Körper verstanden werden, der bevorzugt 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.) umfasst.
Daneben kann in einer weiteren Ausgestaltung das optische Medium an mindestens einer Fläche eine Beschichtung mit einem weiteren Material aufweisen. Die Oberflächenabsorption dieser Beschichtung kann insbesondere mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ermittelt werden.
Das Volumen eines optischen Mediums kann dabei einen Wert von mindestens ≥ 20 mm³, insbesondere ≥ 30 mm³, wobei ≥ 40 mm³ besonders bevorzugt ist, aufweisen. Bevorzugte Maximalwerte weisen einen Wert von ≤ 70 cm³, insbesondere ≤ 10 cm³, wobei ≤ 1 cm³ besonders bevorzugt ist. Vorteilhafterweise lässt sich dadurch ein größeres Größenspektrum an Medien vermessen, insbesondere kleinvolumige Kristalle.
Unter einem Anregungslichtstrahl kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine elektromagnetische Welle verstanden werden, insbesondere eine im UV/Vis/IR-Bereich. Dabei kann die Welle monochromatisch und/oder kohärent sein. Als Quelle für solche Anregungslichtstrahlen können Laser, insbesondere können Excimer-Laser verwendet werden. Der Durchmesser des Anregungslichtstrahls, insbesondere des Laserstrahl, kann dabei höchstens den Wert des Durchmessers des optischen Mediums aufweisen, d. h. mit anderen Worten der Laserstrahl geht bis an die Außenfläche des optischen Mediums an die die optische Materialplatte grenzt.
Der untere Wert des Durchmessers des Anregungslichtstrahls sollte dabei so gewählt werden, dass es zu keiner Zerstörung des optischen Mediums kommt.
Unter einer optischen Materialplatte in Sinne der vorliegenden Erfindung kann ein Formkörper verstanden werden, der mindestens zwei parallelen Flächen aufweist, insbesondere ein quaderförmiger Formkörper. Dabei kann das Material der Materialplatte dem Material entsprechen aus dem das optische Medium besteht. Idealerweise können sich die Materialien der Materialplatte und des optischen Mediums unterscheiden.
Besonders bevorzugt kann das Material der optischen Materialplatte Quarzglas, Schwerflintgläser wie beispielsweise SF6 oder Krongläser wie beispielsweise NPK52A aufweisen.
Idealerweise kann mittels der Auswahl der verschiedenen Materialien die thermische Linse stärker in der optischen Materialplatte ausgeprägt sein, als in dem optischen Medium.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung kann unter einer optischen Materialplatte auch ein flüssiger oder gasförmiger Zustand der optischen Materialplatte verstanden werden. Dabei kann beispielweise das optische Medium in einen Gasbehälter eingebracht werden, so dass die Messstrahlen an zwei gegenüberliegenden Flächen des optischen Mediums durch das Gas laufen, welches als optische Materialplatte dienen kann. Ebenfalls kann diese Anordnung mittels einer optischen Materialplatte durchgeführt werden, die einen flüssigen Aggregatzustand aufweist. Vorteilhafterweise können auch hier die Volumen- und Oberflächenabsorption gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren bestimmt werden.
Unter Orthogonal kann im Sinne der vorliegenden Erfindung verstanden werden, dass der Anregungslichtstrahl und der Messstrahl in der Draufsicht senkrecht zueinander stehen. Dabei können sie beabstandet sein oder sich in einem Punkt kreuzen. In einer weiteren Ausgestaltung können solche Messstrahlen bevorzugt sein, 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.
Der Abstand des Messstrahls zu der Außenfläche des Anregungslichtstrahls liegt in einem Bereich von mindestens 0 mm, vorzugsweise mindestens ≥ 0,01 mm und besonders bevorzugt mindestens ≥ 0,1 mm bis höchstens ≤ 5000 mm. Der Höchstwert liegt dabei insbesondere bei ≤ 1500 mm besonders bevorzugt bei ≤ 500 mm. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Bereich ≥ 3 mm bis ≤ 100 mm sein. Dabei kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Abstand von ≥ 0 mm bedeuten, dass sich die beiden Kreisflächen in einer Punkt beziehungsweise die beiden Strahlen in einer Linie schneiden.
Besonders geeignet ist die erfindungsgemäße Vorgehensweise zur Bestimmung der Absorption von optischen Medien und darauf aufgebrachten 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 K_s/K_vol größer als 50, insbesondere 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).
Unter Kalibrieren kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Simulieren der jeweiligen Wärmeentwicklung des Anregungslichtstrahls verstanden werden, insbesondere eine numerische Simulation. Des Weiteren kann unter Kalibrieren ein elektrisches Kalibrieren verstanden werden oder ein Kalibrieren mittels einer Referenzprobe, die mit einem spektrometrischem Verfahren absolut bestimmbar ist.
Dazu kann beispielsweise ein vergleichbares Medium in der Mitte mit einem Loch versehen werden, durch welches eine elektrische Widerstandsheizung in Form eines Drahtes eingezogen wird. In einem weiteren Schritt kann mittels einer Erhöhung in Milliwatt-Schritten die entsprechende deponierte Energie simuliert werden. Dabei sollte insbesondere die Geometrie des zu untersuchenden Mediums mit in den Kalibrierungsvorgang einbezogen werden. Insbesondere sollte die Geometrie des Mediums, insbesondere die Anordnung des optische Mediums und der optischen Materialplatte, die für den Kalibrierungsvorgang verwendet wird, gleich der Geometrie sein, die das Medium, insbesondere die Anordnung des optische Mediums und der optischen Materialplatte, in dem erfindungsgemäßen Verfahren ausweisen.
Nachdem der Messstrahl durch den Eintrittspunkt beziehungsweise die Eintrittsfläche in die optische Materialplatte gelangt, tritt der Messstrahl aus dem Austrittspunkt beziehungsweise über die Austrittsfläche wieder aus. Aufgrund der vorher durch den Anregungslichtstrahl erzeugten optischen Linse kann sich das Volumen, insbesondere die Brechzahl, des optischen Mediums verändern, insbesondere der optischen Materialplatte, und der Messstrahl weicht von einer idealen geradlinigen Strecke bezogen auf die Stecke einer unveränderten optischen Materialplatte ab. Somit kann der Austrittspunkt des Messstrahls nicht mehr auf einer imaginären Verlängerung des Messstrahls wie vor dem Eintritt in die optische Materialplatte liegen.
Im Sinne der vorliegenden Erfindung kann unter einem jeweils parallelen und/oder senkrechten zum Anregungslichtstrahl verlaufender Anteil verstanden werden, dass die Position des Messstrahls vor, während oder nach dem Erzeugen des Anregungslichtstrahls detektiert werden kann.
Die Bestimmung der Ablenkung, insbesondere einer 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.
Die jeweilige Ablenkung des Messstrahls kann zuvor für jedes Probenmaterial, wie z. B. Calciumfluorid, Quarz, Glas, Glaskeramiken, durchsichtiges Polyacrylat (Plexiglas^®) etc. bestimmt werden. Dabei kann, 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 werden. Hierzu wird üblicherweise ein flaches Heizelement mittels einer Wärmeleitpaste an der Oberfläche der Messprobe angeordnet. Der dabei erzeugte Wert, kann für die Oberflächenabsorption verwendet werden.
Für jede damit erzeugte Temperaturänderung lässt sich 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.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren 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, insbesondere solche für Laserresonatoren.
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.
Der Anregungslichtstrahl kann im Sinne der vorliegenden Erfindung eine thermische Linse in dem optischen Medium erzeugen. Dabei kann die thermische Linse von dem optischen Medium in die optische Materialplatte übertragen werden. Die Stärke der thermischen Linse kann von den Materialparametern des optischen Mediums und der optischen Materialplatte abhängen. Die Materialparameter, die die Stärke der thermischen Linse beeinflussen können, sind beispielsweise die Wärmeleitfähigkeit, die Temperaturabhängigkeit der Brechzahl (dn/dT), der Ausdehnungskoeffizient oder der elasto-optische Koeffizient.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren die Bestimmung der Oberflächen- und Volumenabsorption mittels der Gleichungen D_x = x₁·A_OF + x₂·A_vol und D_y = y₁·A_OF + y₂·A_vol und der hieraus anhand von zuvor ermittelten positionsabhängigen x- und y-Werten die jeweiligen Absorptionsanteile.
Basierend darauf, 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 kann, lässt sich die Ablenkung als Vektor D (Deflektion) D = {y·(A_OF + A_vol)} + {x·(A_OF + A_vol)} 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 = {y₁A_OF + y₂A_vol}·{z₁A_OF + z₂A_vol}
Dabei sind sowohl z₁, z₂, als auch y₁, y₂ reine Materialkonstanten, die sich mittels den zuvor beschriebenen Heizelementen 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 A_OF und A_vol. Damit sind diese nun ohne weiteres mittels eines zweidimensional positionsempfindlichen Empfängers/Detektors bestimmbar.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform kann das erfindungsgemäße Verfahren eine kurzzeitige Bestrahlung mit dem leistungsstarken Anregungslichtstrahl umfassen. Dabei kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein kurzzeitiges Bestrahlen eine Bestrahlungszeit umfassen, die sowohl vom Grad der jeweiligen Absorption als auch von der Wärmeleitfähigkeit abhängig und ist für jedes Material und Medium leicht zu bestimmen sein kann. Typische Zeiten hierfür betragen beispielsweise mindestens 0,5 Sekunden bzw. 1 Sekunde und maximal 10 bzw. 8 Sekunden, wobei maximal 7 Sekunden beziehungsweise maximal 6 Sekunden besonders bevorzugt sind.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren eine Kontaktierung einer Oberfläche des optischen Mediums mit einer zweiten optischen Materialplatte, wobei diese Oberfläche gegenüber der bereits mit einer optischen Materialplatte kontaktierten Oberfläche liegt. Dadurch kann vorteilhafterweise ein optisches Medium, beispielsweise ein Kristall, zwischen die Materialplatten gelegt werden, wobei die Materialplatten größer als das optische Medium sein können. Dies ist möglich, da die Messstrahlen durch die optischen Materialplatten durchgeführt werden können und somit zumindest teilweise unabhängig von dem Durchmesser des Anregungslichtstrahls sein können. Des Weiteren kann dadurch beispielsweise auf eine polierte Oberfläche der mit der optischen Materialplatte kontaktierbaren Oberfläche des optischen Mediums verzichtet werden.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens bildet der Anregungslichtstrahl sowohl in dem optischen Medium als auch in der optischen Materialplatte eine thermische Linse aus. Dadurch kann vorteilhafterweise eine sensitivere Messung der Oberflächen- und Volumenabsorption erfolgen, als mit den herkömmlichen Verfahren.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das optische Medium zumindest teilweise intransparent für die Wellenlänge des Messstrahls. Teilweise intransparent kann im Sinne der vorliegenden Erfindung bedeuten, dass das Verhältnis einer transmittierenden elektromagnetischen Welle zu einer einfallenden elektromagnetischen Welle, insbesondere Licht im UV/VIS-Bereich, ≤ 93%/cm beträgt. Besonders bevorzugt ist ein Verhältnis von ≤ 97%/cm.
Dadurch kann beispielsweise ein optisches Medium mit einer Wellenlänge vermessen werden, für die sie undurchlässig ist. Somit müssen nicht extra verschiedene Versuchsbedingungen für verschiedene optische Medien evaluiert werden, sondern es können vorteilhafterweise mit einer Anordnung verschiedene optische Medien schnell vermessen werden. Des Weiteren können optische Medien verwendet werden, die ein nicht-lineares optisches Verhalten aufzeigen, bei denen beispielsweise eine Frequenzverdoppelung aufgrund deren Materialbeschaffenheit auftreten kann.
Im Rahmen einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen sind die zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen des optischen Mediums, durch die der Anregungslichtstrahl geleitet wird, poliert. Vorteilhafterweise müssen nicht noch weitere Oberflächen aufbereitet werden, um das erfindungsgemäße Verfahren durchzuführen. Das kann zu Kostenersparnissen führen.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Vorrichtung zur separaten Bestimmung der Oberflächen- und Volumenabsorption eines Lichtstrahles beim Durchtritt durch ein optisches Medium. Dabei umfasst die Vorrichtung eine Quelle zur Erzeugung eines ausreichend leistungsstarken Anregungslichtstrahls, mindestens eine optische Materialplatte, die das optische Medium an mindestens einer Oberfläche kontaktiert, mindestens eine Quelle zum Erzeugen mindestens eines Messstrahls, der orthogonal zu dem Anregungslichtstrahl eingestrahlt wird, wobei der Abstand des Messstrahls zu der Außenfläche des Anregungslichtstrahls in einem Bereich von von mindestens ≥ 0 mm, vorzugsweise mindestens ≥ 0,01 mm und besonders bevorzugt mindestens ≥ 0,1 mm bis höchstens ≤ 5000 mm. Der Höchstwert liegt dabei insbesondere bei ≤ 1500 mm besonders bevorzugt bei ≤ 500 mm. In einer weiteren Ausgestaltung kann der Bereich ≥ 3 mm bis ≤ 100 mm sein.
Dabei kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein Abstand von mindestens ≥ 0 mm bedeuten, dass sich die beiden Kreisflächen in einer Punkt beziehungsweise die beiden Strahlen in einer Linie schneiden. Dabei kann eine thermische Linse in einem optischen Medium und/oder einer optischen Materialplatte erzeugt werden, wobei der Messstrahl in die mindestens eine optische Materialplatte durch eine Eintrittsfläche eintritt und eine Austrittsfläche wieder austritt, die Austrittsfläche des Messstrahls zumindest teilweise nicht auf dem Strahlengang des eintretenden Messstrahls in die optische Materialplatte liegt, der Messstrahls nach dem Austreten mittels eines Sensors erfasst wird, wobei jeweils ein parallel und/oder ein senkrecht zum Anregungslichtstrahl verlaufender Anteil bestimmt wird und wobei mittels der aus der Kalibrierung erhaltenen Vergleichswerten die Oberflächen- und Volumenabsorption ermittelt werden.
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, insbesondere mindestens einer optischen Materialplatte, 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 optische Materialplatte leiten. Dabei ist mindestens der zweite, zwischen Strahlenteiler und ersten Spiegel und vor der optischen Materialplatte 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.
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.
In einer weiteren Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung eine rechnergesteuerte Auswerteinheit auf welche mittels den für die Position der Messstrahlen im optischen Medium zuvor ermittelten x- und y-Werten rechnergesteuert die Oberflächen- und Volumenabsorption ermittelt.
Ein weitere Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Herstellung von optischen Elementen, Linsen, Prismen, Filtern, Spiegeln, Dünnschichtpolarisatoren, teilreflektierenden optischen Elementen, Laserresonatoren, mit einer Oberflächenschicht versehenen optischen Elementen, vergüteten optischen Elementen sowie Lichtleitern.
Zeichnungen
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Dabei ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken.
1 zeigt den schematischen Aufbau im Querschnitt einer Ausführungsform im erfindungsgemäßen Verfahren
2 zeigt einen schematischen Aufbau einer Ablenkung eines Messstrahls in einem, durch einen Excimer-Laser durchstrahlten und damit erwärmtes Quarzglas.
3 zeigt die Zerlegung der Ablenkung bei einem zweidimensional empfindlichen Positionsdetektor.
4 zeigt den Vergleich einer Sensitivsteigerung für CaF₂ mittels elektrischer Simulation der absorbierten Laserleistung
1 zeigt eine Ausführungsform einer Anordnung des optischen Mediums (1) und der optischen Materialplatten (3, 3a) während einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens. 1 zeigt einen Messstrahl (4) der von einer externen Lichtquelle (nicht gezeigt) durch die Eintrittsfläche (5) in eine optische Materialplatte (3) eintritt. Der Messstrahl (4) verläuft dabei nicht geradlinig, d. h. nicht auf einer imaginären Verlängerung (gestrichelte Linie) des Messstrahls (4) vor dem Eintritt in das optische Medium (5). Nachdem der Messstrahl (4) aus der optischen Materialplatte (3) durch die Austrittsfläche (6) wieder austritt, weist er eine andere Richtung auf, als der Messstrahl (4) vor Eintritt in die optische Materialplatte (3). Das gleiche gilt für die in der 1 gezeigte untere Materialplatte (3a), wurde aber aus Übersichtsgründen nicht eingezeichnet. Des Weiteren ist in der 1 zu erkennen, dass der Anregungslichtstrahl (2) in Bezug auf den Messstrahl (4) um 90° versetzt ist. Dabei ist in der 1 nur der Strahlengang des Anregungslichtstrahls (2) gezeigt, d. h. er kann sowohl während der Einstrahlens von dem Messstrahl (4) eingestrahlt werden, bzw. davor oder auch bereits nicht mehr eingestrahlt werden.
Wie in 2 dargestellt, wird um den Strahlengang des Anregungslichtstrahls (2), hier ein eingestrahlter Excimer-Lasers, durch die absorbierte Energie ein vom Excimer-Laser in Richtung Probenrand (11) des optischen Mediums (1) abnehmendes Temperaturfeld (10), eine sogenannte thermische Linse (10), erzeugt. Da dieses im Temperaturfeld (10) erwärmte Material einen höheren Brechungsindex aufweist als das vor seiner Erwärmung kühlere Material, wird der Messstrahl (4) in der optischen Materialplatte (3), aufgrund der optischen Linse, um den Winkel Δ abgelenkt. Wurde zuvor die Abhängigkeit der Ablenkung von der Wärmeleistung mittels eines Heizelementes bestimmt, dann lässt sich der hier erzeugte Ablenkungswinkel Δ direkt einer Temperatur bzw. Wärme und damit einer absorbierten Strahlungsenergie zuordnen.
Die 3 zeigt die Änderung der Lage einer Abbildung eines Messstrahls (4) vor Ausbildung einer thermischen Linse durch den Anregungsstrahl (Position x₀, y₀) zu seiner Lage nach erfolgter 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·A_OF + y₂·A_VOL sowie der x-Anteil mit der Formel Teilvektor x = x₁·A_OF + x₂·A_VOL) bestimmen.
In der 4 wird der Vergleich einer Sensitivsteigerung für CaF₂ durch geeignete Wahl der optischen Materialplatten (3), hier Quarzglas, mittels elektrischer Simulation der absorbierten Laserleistung, die der Kalibrierung entspricht, illustriert.

Claims

Verfahren zur Bestimmung der jeweiligen Anteile von Oberflächen- und Volumenabsorption eines Lichtstrahls, die beim Durchtritt des Lichtstrahls durch ein Oberflächen und Volumen aufweisendes optisches, Medium (1) erfolgt, wobei mindestens ein Anregungslichtstrahl (2) durch zwei sich gegenüberliegende Oberflächen des optischen Mediums (1) geleitet wird, wobei mindestens eine Oberfläche des optischen Mediums (1) mindestens eine optische Materialplatte (3) kontaktiert, wobei mindestens ein Messstrahl (4) orthogonal zu dem Anregungslichtstrahl (2) eingestrahlt wird und wobei der Abstand des Messstrahls (4) zu der Außenfläche des Anregungslichtstrahls (2) in einem Bereich von ≥ 0 mm bis ≤ 5000 mm liegt und wobei die Anordnung aus dem optische Medium (1) und der optischen Materialplatte (3) kalibriert ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (4) in die mindestens eine optische Materialplatte (3) durch eine Eintrittsfläche (5) eintritt und eine Austrittsfläche (6) wieder austritt, die Austrittsfläche (6) des Messstrahls (4) zumindest teilweise nicht auf dem Strahlengang des eintretenden Messstrahls in die optische Materialplatte (3) liegt, der Messstrahl (4) nach dem Austreten mittels eines Sensors (7) erfasst wird, wobei jeweils ein parallel und/oder ein senkrecht zum Anregungslichtstrahl (2) verlaufender Anteil bestimmt wird und wobei mittels der aus der Kalibrierung erhaltenen Vergleichswerte die Oberflächen- und Volumenabsorption ermittelt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenabsorption A_OF und die Volumenabsorption A_vol aus dem Deflektor D mittels der Gleichungen D_x = x₁·A_OF + x₂·A_vol und D_y = y₁·A_OF + y₂·A_vol und hieraus anhand von zuvor ermittelten positionsabhängigen x- und y-Werten die jeweiligen Absorptionsanteile bestimmt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren eine kurzzeitige Bestrahlung mit dem leistungsstarken Anregungslichtstrahl (2) umfasst.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite optische Materialplatte (3a) die gegenüberliegende Oberfläche des optischen Mediums (1) der bereits mit einer optischen Materialplatte (3) kontaktierten Oberfläche kontaktiert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Anregungslichtstrahl (2) sowohl in dem optischen Medium (1) als auch in der optischen Materialplatte (3) eine thermische Linse (10) ausbildet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Medium (1) zumindest teilweise intransparent für die Wellenlänge des Messstrahls (4) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zwei sich gegenüberliegenden Oberflächen des optischen Mediums (1), durch die der Anregungslichtstrahl (2) geleitet wird, poliert sind.
Vorrichtung zur separaten Bestimmung der Oberflächen- und Volumenabsorption eines Lichtstrahles beim Durchtritt durch ein optisches Medium (1), umfassend eine Quelle zur Erzeugung eines ausreichend leistungsstarken Anregungslichtstrahls (2), mindestens eine optische Materialplatte (3), die das optische Medium (1) an mindestens einer Oberfläche kontaktiert, mindestens eine Quelle zum Erzeugen mindestens eines Messstrahls (4), der orthogonal zu dem Anregungslichtstrahl (2) eingestrahlt wird, wobei der Abstand des Messstrahls (4) zu der Außenfläche des Anregungslichtstrahls (2) in einem Bereich von ≥ 0 mm bis ≤ 5000 mm liegt und wobei eine thermische Linse (10) in einem optischen Medium (1) und/oder der mindestens einen optischen Materialplatte (3) erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Messstrahl (4) in die mindestens eine optische Materialplatte (3) durch eine Eintrittsfläche (5) eintritt und eine Austrittsfläche (6) wieder austritt, die Austrittsfläche (6) des Messstrahls (4) zumindest teilweise nicht auf dem Strahlengang des eintretenden Messstrahls (4) in die optische Materialplatte (3) liegt, der Messstrahls (4) nach dem Austreten mittels eines Sensors (7) erfasst wird, wobei jeweils ein parallel und/oder ein senkrecht zum Anregungslichtstrahl (2) verlaufender Anteil bestimmt wird und wobei mittels der aus der Kalibrierung erhaltenen Vergleichswerten die Oberflächen- und Volumenabsorption ermittelt werden.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine rechnergesteuerte Auswerteinheit aufweist welche mittels den für die Position der Messstrahlen (4) im optischen Medium (1) zuvor ermittelten x- und y-Werten rechnergesteuert die Oberflächen- und Volumenabsorption ermittelt.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1–7, sowie der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8–9 zur Herstellung von optischen Elementen, Linsen, Prismen, Filtern, Spiegeln, Dünnschichtpolarisatoren, teilreflektierenden optischen Elementen, Laserresonatoren, mit einer Oberflächenschicht versehenen optischen Elementen, vergüteten optischen Elementen sowie Lichtleitern.