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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Brechkraft eines zu messenden optischen Elements.
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Ferner betrifft die Erfindung ein Laserverstärkersystem zur Erzeugung eines Laserstrahlungsfeldes umfassend ein optisch gepumptes Verstärkermedium.
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Bekannte Verfahren zur Messung der Brechkraft eines zu messenden Elements basieren auf der Analyse und Verarbeitung von aufgenommenen Daten und sind deswegen nicht in der Lage, schnelle Änderungen der Brechkraft zu überwachen.
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Aus dem Buch "Optical Shop Testing, edited by Daniel Malacara, Wiley Series in Pure and Applied Optics, 2007" ist ein interferometrisches Verfahren zur Messung der Brechkraft eines zu messenden optischen Elements bekannt.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Messung der Brechkraft eines optischen Elements bereitzustellen, das eine schnelle Messung der Brechkraft ermöglicht.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Messung der Brechkraft eines zu messenden optischen Elements gelöst, wobei ein Testlaserstrahlungsfeld durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements beeinflusst wird, durch Fokussierung ein Bereich mit in longitudinaler Richtung variierender Intensitätsverteilung des beeinflussten Testlaserstrahlungsfeldes erzeugt wird, und ein durch Wechselwirkung der Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes mit einem Medium an einem Referenzort erzeugtes Messsignal beobachtet wird.
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Durch die Beeinflussung des Testlaserstrahlungsfeldes durch das zu messende optische Element, wird die Position des Bereichs mit in longitudinaler Richtung variierender Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements beeinflusst.
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Da die Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes am Referenzort von der relativen Position des Bereichs mit in longitudinaler Richtung variierender Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes zu dem Referenzort abhängt, beeinflusst die Brechkraft des zu messenden optischen Elements die Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes am Referenzort.
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Durch die Beobachtung eines Messsignals, das von der Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes am Referenzort abhängt, kann aus dem Messsignal direkt auf die Brechkraft des zu messenden optischen Elements geschlossen werden.
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Als optische Elemente werden in der Beschreibung und den beigefügten Patentansprüchen alle Elemente bezeichnet, die elektromagnetische Strahlung beeinflussen können, beispielsweise Linsen, Spiegel, Filter, Verstärkerkristalle, polarisationsdrehende Elemente oder ähnliches.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Testlaserstrahlungsfeld durch das zu messende optische Element und/oder durch eine Fokussierungseinrichtung in eine Strahltaille fokussiert wird.
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Durch die Fokussierung des Testlaserstrahlungsfeldes in eine Strahltaille wird ein Bereich mit in longitudinale Richtung variierende Intensitätsverteilung erzeugt.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Testlaserstrahlungsfeld das zu messende optische Element durchsetzt oder an dem zu messenden optischen Element reflektiert wird. Dadurch kann die benötigte Beeinflussung des Testlaserstrahlungsfeldes erreicht werden.
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Eine günstige Lösung sieht vor, dass eine Ausdehnung des Mediums in Richtung einer Ausbreitungsrichtung des Testlaserstrahlungsfeldes kleiner als ein konfokaler Parameter des Testlaserstrahlungsfeldes gewählt wird.
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Ein konfokaler Parameter beschreibt in der Gaußschen Optik den Abstand entlang der Ausbreitungsrichtung der beiden Punkte, bei denen der Durchmesser des Strahlungsfeldes das Wurzelzweifache der minimalen Stahltaille aufweist.
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Dadurch, dass das Medium in Richtung einer Ausbreitungsrichtung des Testlaserstrahlungsfeldes kleiner als ein konfokaler Parameter des Testlaserstrahlungsfeldes gewählt wird, kann erreicht werden, dass die Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes im Medium näherungsweise durch die Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes am Referenzort beschrieben werden kann. Dadurch ergibt sich für die Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes in dem Medium, abhängig vom Abstand zwischen Strahltaille und Referenzort, näherungsweise eine Lorentz-Funktion.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass der Referenzort so angeordnet wird, dass die Strahltaille innerhalb des Mediums liegt, wenn das zu messende optische Element eine Brechkraft aufweist, die einem Rand oder einer Mitte eines Messbereichs entspricht.
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Liegt die Strahltaille in dem Medium ist das Messsignal maximal. Das Messsignal nimmt stark ab, wenn die Strahltaille vor oder hinter das Medium läuft. Dadurch führen geringe Verschiebungen der Positionen der Strahltaille zu einer starken Änderung des Messsignals, somit kann in diesen Bereichen eine hohe Empfindlichkeit erzielt werden.
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Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass das Messsignal durch einen nichtlinearen Effekt in dem Medium erzeugt wird. Dies ist günstig, da nichtlineare Effekte eine starke Abhängigkeit von der Intensität aufweisen.
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Besonders günstig ist es, wenn das Messsignal durch einen nichtlinearen optischen Effekt bei der Wechselwirkung des Testlaserstrahlungsfeldes mit dem Medium erzeugt wird, da nichtlineare optische Effekte gut detektierbare Effekte/Signal, wie beispielsweise eine Vervielfachung der Frequenz des Strahlungsfeldes, erzeugen können.
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Eine vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass als Medium ein optisch nichtlinearer Kristall verwendet wird. Die nichtlinearen optischen Effekte können nur innerhalb des optisch nichtlinearen Kristalls auftreten. Dadurch wird das Auftreten des nichtlinearen optischen Effekts auf das Medium beschränkt. Somit kann sichergestellt werden, dass nur die Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes innerhalb des Mediums einen Einfluss auf das Messsignal hat.
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Beispielsweise weist der optisch nicht lineare Kristall Bismutborat (BIBO), Lithiumniobat (LiNbO3) oder Lithiumborat (LBO) auf.
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Eine günstige Möglichkeit sieht vor, dass durch den nichtlinearen Effekt ein Strahlungsfeld mit einer Frequenz erzeugt wird, die ein Vielfaches der Frequenz des Testlaserstrahlungsfeldes ist.
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Diese Strahlung ist aufgrund der unterschiedlichen Frequenz leicht durch einen Filter von dem Testlaserstrahlungsfeld unterscheidbar. Somit kann der nichtlineare Effekt gemessen werden, ohne dass das Signal durch das Testlaserstrahlungsfeld überlagert wird.
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Die Beobachtung der Stärke der elektromagnetischen Strahlung, die von dem nichtlinearen Effekt erzeugt wird, bietet darüber hinaus den Vorteil, dass für elektromagnetische Strahlung schnelle und empfindliche Detektoren verfügbar sind.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das Testlaserstrahlungsfeld mit einem Pulslaser erzeugt wird. Dadurch kann eine hohe Intensität bei gleichzeitig niedriger mittlerer Leistung des Testlaserstrahlungsfeldes erreicht werden. Somit kann die thermische Beeinflussung durch das Testlaserstrahlungsfeldes minimiert werden.
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Eine besonders günstige Möglichkeit sieht vor, dass zur Kalibrierung des Messsignals das Testlaserstrahlungsfeld durch die Brechkraft von optischen Testelementen mit bekannter Brechkraft beeinflusst wird und das jeweilige zugehörige Messsignal als Kalibrierungspunkt aufgenommen wird. Somit kann eine absolute Messung der Brechkraft erzielt werden.
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Eine für die Kalibrierung günstige Lösung sieht vor, dass zur Kalibrierung das zu messende optische Element durch optische Testelemente mit bekannter Brechkraft ausgetauscht wird. So kann die Kalibrierungsmessung unter den gleichen Bedingungen stattfinden, wie die Messung selber.
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Eine weitere vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Testlaserstrahlungsfeld in einen Kalibrierungsarm und einen Messarm aufgeteilt wird. Durch die Trennung von Kalibrierungsarm und Messarm, kann bei einer Kalibrierung der Messarm unverändert bleiben. Folglich ist kein Austausch des zu messenden optischen Elements notwendig. Dies erleichtert beispielsweise die Messung eines optischen Elements, das sich in einem Aufbau befindet.
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Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass der Kalibrierungsarm und der Messarm wieder zusammengeführt werden und danach in eine gemeinsame Strahltaille fokussiert werden.
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So wird trotz der Aufteilung nur eine Fokussiereinheit, und ein Medium, beispielsweise ein optisch nichtlinearer Kristall, benötigt. Darüber hinaus kann auf dieser Weise die gleichen Fokussierungsbedingungen für den Kalibrierungsarm und dem Messarm gewährleistet werden.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Länge des Kalibrierungsarms mindestens näherungsweise gleich der Länge des Messarms gewählt wird. Der Kalibrierungsarm und der Messarm werden so unter den gleichen Bedingungen fokussiert, so dass die Messsignale, die mit dem Kalibrierungsarm gewonnen wurden, als Kalibrierung für den Messarm verwendet werden können.
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Eine besonders günstige Lösung sieht vor, dass eine Justierung der Länge des Kalibrierungsarms anhand des Auftretens von Interferenzen des Testlaserstrahlungsfeldes erfolgt. So kann erreicht werden, dass die optischen Längen der beiden Arme mindestens näherungsweise gleich sind.
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Die Längen der beiden Arme sind dann gleich, wenn die Pulse des Testlasers, die durch die beiden Arme gelaufen sind, nach dem Zusammenführen wieder übereinanderliegen und somit Interferenzen bilden. Somit ergibt sich die Genauigkeit der Justierung aus der Pulslänge des Testlasers.
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Durch Variationen der Länge des Kalibrierungsarms kann ein Bereich für die Länge des Kalibrierungsarms bestimmt werden, in denen Interferenzen auftreten. Liegt die Länge des Kalibrierungsarms in der Mitte dieses Bereichs, dann sind die Längen des Kalibrierungsarms und des Messarms mindestens näherungsweise gleich.
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Eine weitere günstige Möglichkeit sieht vor, dass der Kalibrierungsarm an einem optischen Testelement mit bekannter Brechkraft reflektiert wird. So wirkt auf den Kalibrierungsarm die Brechkraft des jeweiligen optischen Testelements. Auf diese Weise kann die Brechkraft von spiegelnden Oberflächen kalibriert werden.
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Eine weitere günstige Lösung sieht vor, dass der Messarm an dem zu messenden optischen Element reflektiert wird. So wirkt auf den Messarm die Brechkraft des zu messenden optischen Elements.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass bei der Kalibrierung der Messarm blockiert wird. So gelangt nur der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes, der durch den Kalibrierungsarm gelaufen ist und damit durch die Brechkraft des optischen Testelements beeinflusst wurde, an den Referenzort. Dadurch kann das zu messende optische Element an einem Messplatz verweilen, ohne dass die Kalibrierung durch das zu messende optische Element gestört wird.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass bei der Messung der Kalibrierungsarm blockiert wird. So gelangt nur der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes, der durch den Messarm gelaufen ist und damit durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements beeinflusst wurde, an den Referenzort. Dadurch wird die Messung nicht durch das optische Testelement gestört.
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Für die Auswertung ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Kalibrierungskurve an die Kalibrierungspunkte angepasst wird. Hierdurch können auch Messpunkte zugeordnet werden, die zwischen den Kalibrierungspunkten liegen.
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Eine besonders genaue Auswertung wird möglich, wenn eine Lorentz-Funktion als Kalibrierungskurve verwendet wird. Die Lorentz-Funktion beschreibt die Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes axial durch die Strahltaille. Somit entspricht die Lorentz-Funktion der erwarteten Kalibrierungskurve.
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Eine für die Auswertung des Messsignals günstige Möglichkeit sieht vor, dass die Brechkraft des zu messenden optischen Elements durch Vergleich des Messsignals mit den Kalibrierungspunkten und/oder mit der Kalibrierungskurve bestimmt wird.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das zu messende optische Element während des Betriebs eines Systems, welches das zu messende optische Element umfasst vermessen wird. Somit kann eine In-situ-Messung der Brechkraft des zu messenden optischen Elements erfolgen.
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Beispielsweise kann eine Messung der Brechkraft eines Verstärkermediums eines im Betrieb befindlichen Lasersystems erfolgen.
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Ferner liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde ein Laserverstärkersystem bereitzustellen, welches Dejustierungen, beispielsweise durch thermische Effekte, messen kann.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Laserverstärkersystem eine Messeinrichtung zur Bestimmung der Brechkraft mindestens eines optischen Elements des Laserverstärkersystems umfasst und dass mit der Messeinrichtung insbesondere ein Verfahren gemäß der voranstehenden Beschreibung durchführbar ist.
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Somit wird die Messung der Brechkraft mindestens eines optischen Elements des Laserverstärkersystems ermöglicht, die eine hohe Empfindlichkeit und eine gute Zeitauflösung aufweist.
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Eine vorteilhafte Lösung sieht vor, dass die Messeinrichtung mindestens einen Testlaser, einen optisch nichtlinearen Kristall und einen Detektor aufweist. Mithilfe des Testlasers kann ein Testlaserstrahlungsfeld mit einer genügend hohen Intensität in dem optisch nichtlinearen Kristall erzeugen, so dass ein nichtlinearer optischer Effekt auftritt, der durch den Detektor nachgewiesen werden kann.
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Eine günstige Lösung sieht vor, dass die Messeinrichtung einen Filter aufweist, durch den ein Testlaserstrahlungsfeld von der in dem optisch nichtlinearen Kristall erzeugten elektromagnetischen Strahlung trennbar und getrennt ist. So kann die von dem optisch nichtlinearen Kristall erzeugte elektromagnetische Strahlung als Messsignal verwendet werden, ohne dass das Messsignal durch das Testlaserstrahlungsfeld überlagert wird.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass die Messeinrichtung eine Fokussiereinrichtung zur Erzeugung einer Strahltaille eines Testlaserstrahlungsfeldes aufweist. Durch die Fokussierung des Testlaserstrahlungsfeldes in die Strahltaille wird eine hohe Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes erzeugt. Diese hohe Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes erzeugt nichtlineare optische Effekte in dem optisch nichtlinearen Kristall.
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Solche nichtlinearen optischen Effekte können beispielsweise die Erzeugung der zweiten Harmonischen des Testlaserstrahlungsfeldes sein.
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Eine besonders vorteilhafte Möglichkeit sieht vor, dass das zu messende optische Element ein laseraktiver optisch gepumpter Kristall ist. Im Betrieb von optisch gepumpten Lasern treten sogenannte thermische Linsen auf. Dieser Effekt entsteht dadurch, dass zum einen in dem laseraktiven optisch gepumpten Kristall ein thermischer Gradient vorliegt und zum anderen dadurch, dass der Brechungsindex temperaturabhängig ist. Diese thermischen Linsen führen zu einer Dejustierung des Laserverstärkersystems.
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Durch die Messung der Brechkraft des laseraktiven optisch gepumpten Kristalls während des Betriebs des Laserverstärkersystems eröffnet die Möglichkeit einer Nachjustierung des Laserverstärkersystems.
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Eine besonders vorteilhafte Lösung sieht vor, dass das Laserverstärkersystem eine Kompensationseinrichtung aufweist, die eine Veränderung einer Brechkraft eines optischen Elements des Laserverstärkersystems kompensieren kann und/oder kompensiert.
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Somit kann beispielsweise das Auftreten von thermischen Linsen innerhalb eines laseraktiven Kristalls kompensiert werden. Es ist aber auch möglich, sonstige thermische Effekte, die die Brechkraft von beispielsweise Spiegel oder Linsen beeinflussen, zu kompensieren.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und zeichnerischen Darstellung mehrere Ausführungsformen.
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In der Zeichnung zeigen:
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1 eine Prinzipskizze einer ersten Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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2 eine Prinzipskizze einer Lage einer Strahltaille eines Testlaserstrahlungsfeldes relativ zu einem optisch nichtlinearen Kristall gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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3 eine Prinzipskizze der relativen Lage der Strahltaille relativ zu dem optisch nichtlinearen Kristall gemäß einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens, wenn das Messsignal vom Maximum abweicht;
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4 ein Diagramm mit Kalibrierungspunkten, wobei in Richtung X-Achse die Brechkraft 1/f der optischen Testelemente aufgetragen ist und in Richtung der Y-Achse die Stärke des Messsignals SH aufgetragen ist;
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5 eine Prinzipskizze einer zweiten Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens;
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6 eine Prinzipskizze einer dritten Ausführungsform einer Anordnung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und
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7 eine Prinzipskizze eines Laserverstärkersystems mit einer Messeinrichtung zur Durchführung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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Gleiche oder funktional äquivalente Element sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Eine in 1 dargestellte Messeinrichtung 10 umfasst einen Testlaser 12, der ein Testlaserstrahlungsfeld 14 erzeugt. Der Testlaser 12 ist ein gepulster Laser, beispielsweise ein Femtosekunden Kurzpulslaser.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 erstreckt sich von dem Testlaser 12 aus in einen Einstrahlungsarm 16 bis zu einem Strahlteiler 18.
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Der Strahlteiler 18 ist schräg zur Ausbreitungsrichtung des Testlaserstrahlungsfeldes 14, insbesondere schräg zu dem Einstrahlungsarm 16, beispielsweise 45 Grad geneigt, angeordnet.
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Der Strahlteiler 18 weist eine Teiltransparenz auf. Trifft elektromagnetische Strahlung auf den Strahlteiler 18 wird ein Teil der elektromagnetischen Strahlung reflektiert und ein Teil transmittiert.
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Beispielsweise werden 50% der auftreffenden elektromagnetischen Strahlung transmittiert und 50% reflektiert.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 trifft auf den Strahlteiler 18 und wir im Wesentlichen zu gleichen Teilen in einen Kalibrierungsarm 20 und einen Messarm 22 gelenkt.
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Wobei beispielsweise der reflektierte Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 in den Kalibrierungsarm 20 reflektiert wird und der transmittierte Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 unabgelenkt in den Messarm 22 läuft.
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Der Kalibrierungsarm 20 erstreckt sich von dem Strahlteiler 18 aus bis zu einem in einer Kalibrierungsposition 25 angeordneten optischen Testelement 24 an dem das Testlaserstrahlungsfeld 14 reflektiert wird.
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Auf dem Weg des Kalibrierungsarms 20 ist zwischen dem Strahlteiler 18 und dem optischen Testelement 24 ein Kompensationselement 26 angeordnet.
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Das Kompensationselement 26 weist dasselbe Material auf wie der Strahlteiler 18.
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Das Kompensationselement 26 dient dazu, die unterschiedlichen Weglängen, die das Testlaserstrahlungsfeld 14 innerhalb des Materials des Strahlteilers 18 in dem Messarm 22 und dem Kalibrierungsarm 20 durchläuft, und damit die in dem Messarm 22 und dem Kalibrierungsarm 20 unterschiedlich auf das Testlaserstrahlungsfeld 14 wirkende Dispersion des Strahlteilers 18, zu kompensieren.
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Durch das Kompensationselement kann also erreicht werden, dass die Pulslänge des Testlaserstrahlungsfeldes 14 im Messarm 22 in im Kalibrierungsarm 20 mindestens näherungsweise gleichstark beeinflusst wird.
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Das Kompensationselement 26 weist keine spiegelnden Oberflächen auf.
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Weiter ist zwischen dem Strahlteiler 18 und dem optischen Testelement 24 eine erste Strahlblockiereinrichtung 28 angeordnet.
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Die erste Strahlblockiereinrichtung 28 umfasst einen ersten Strahlensumpf 30 der von einer Blockierposition 32 in eine Durchlassposition 34 und zurückbewegbar ist.
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Befindet sich der erste Strahlensumpf 30 in der Blockierposition 32 absorbiert der erste Strahlensumpf 30 das einfallende Testlaserstrahlungsfeld 14, so dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 nicht auf das optische Testelement 24 trifft.
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Befindet sich der erste Strahlensumpf 30 in der Durchlassposition 34, kann sich das Testlaserstrahlungsfeld 14 ungehindert an dem ersten Strahlensumpf 30 vorbei zwischen Strahlteiler 18 und optischen Testelement 24 ausbreiten.
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Nachdem das Testlaserstrahlungsfeld 14 an dem optischen Testelement 24 reflektiert wurde, trifft es erneut auf den Strahlteiler 18 und wird dort wieder im Wesentlichen zu gleichen Teilen reflektiert und transmittiert.
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Der reflektierte Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 aus dem Kalibrierungsarm 20 wird in Richtung des Testlasers 12 reflektiert.
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Um zu verhindern, dass die Rückreflexion des Testlaserstrahlungsfeldes 14 die Funktion des Testlasers 12 nicht stört, ist ein Faraday-Isolator zwischen dem Testlaser 12 und dem Strahlteiler 18 angeordnet.
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Der transmittierte Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 aus dem Kalibrierungsarm 20 passiert den Strahlteiler 18 und breitet sich in den Analysearm 36 aus.
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Der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14, der vom Testlaser 12 aus kommend am Strahlteiler 18 transmittiert wird, breitet sich in den Messarm 22 aus.
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Der Messarm 22 erstreckt sich vom Strahlteiler 18 ausgehend bis zu einem in einer Messposition 39 angeordneten zu messenden optischen Element 38. Das zu messende optische Element 38 kann beispielsweise ein planarer Spiegel oder ein ebener Spiegel sein.
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Zwischen dem Strahlteiler 18 und dem zu messenden optischen Element 38 ist eine zweite Strahlblockierungseinrichtung 40 angeordnet.
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Die zweite Strahlblockierungseinrichtung 40 umfasst einen zweiten Strahlensumpf 42, der von einer Blockierposition 44 in eine Durchlassposition 46 und zurückbewegbar ist.
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Befindet sich der Strahlensumpf 42 in der Blockierposition 44, wird das Testlaserstrahlungsfeld 14 von dem zweiten Strahlensumpf 42 absorbiert.
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Befindet sich der zweite Strahlensumpf 42 dagegen in der Durchlassposition 46, kann sich das Testlaserstrahlungsfeld 14 ungehindert vom Strahlteiler 18 aus zu dem zu messenden optischen Element 38 ausbreiten.
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Nachdem das Testlaserstrahlungsfeld 14 an dem zu messenden optischen Element 38 reflektiert wurde, trifft es erneut auf den Strahlenteiler 18, wo es im Wesentlichen zu gleichen Teilen reflektiert und transmittiert wird. Der transmittierte Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 der aus dem Messarm 22 kommt, breitet sich in Richtung des Testlasers 12 weiter aus.
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Der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 aus dem Messarm 22, der an dem Strahlenteiler 18 reflektiert wird, wird in den Analysearm 36 gelenkt.
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Dadurch wird in dem Analysearm 36 der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14, das aus dem Kalibrierungsarm 20 und der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 das aus dem Messarm 22 kommt in dem Analysearm überlagert.
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Sind die optischen Weglängen zwischen Strahlteiler 18 und optischem Testelement 24 und zwischen Strahlteiler 18 und zu messenden optischen Element 38 gleich lang und weisen das optische Testelement 24 und das zu messende optische Element 38 die gleiche Brechkraft auf, so werden die beiden Teile des Testlaserstrahlungsfeldes 14, die sich aus dem Kalibrierungsarm 20 und dem Messarm 22 in den Analysearm 36 sich ausbreiten, sich identisch im Analysearm 36 ausbreiten.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 breitet sich im Analysearm 36 vom Strahlteiler 18 ausgehend bis zu einem optischen Filter 48 aus. Der optische Filter 48 blockiert das Testlaserstrahlungsfeld 14, so dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 den optischen Filter 48 nicht durchlaufen kann.
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Zwischen dem Strahlteiler 18 und dem optischen Filter 48 ist eine Fokussiereinrichtung 50 angeordnet, die das Testlaserstrahlungsfeld 14 in eine Strahlentaille 52 fokussieren.
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In der Strahltaille 52 weist das Testlaserstrahlungsfeld 14 einen minimalen Durchmesser 53 auf. Vor und hinter der Strahltaille weitet sich das Testlaserstrahlungsfeld 14 auf, so dass dort der Durchmesser des Testlaserstrahlungsfeldes 14 größer ist, als der minimale Durchmesser 53 in der Strahltaille 52.
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Der Abstand der Punkte, an denen der Durchmesser des Testlaserstrahlungsfeldes 14 Wurzel 2-mal dem minimalen Durchmesser 53 ist, wird konfokaler Parameter 56 genannt.
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In dem die Strahltaille 52 umgebenden Bereich 54 variiert die transversale Intensitätsverteilung des Testlaserstrahlungsfeldes 14 und damit die maximale Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes 14 stark in longitudinaler Richtung.
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In dem die Stahltaille 52 umgebenden Bereich 54 ist zur Erzeugung des Messsignals ein Medium 55, beispielsweise ein optisch nichtlinearer Kristall 58, angeordnet.
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Der Ort, an dem der optisch nichtlineare Kristall 58 angeordnet ist, wird Referenzort 66 genannt.
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Die durch den nichtlinearen optischen Effekt erzeugte elektromagnetische Strahlung 68 kann den optischen Filter 48 durchdringen und auf einen dahinter angeordneten Detektor 70 treffen.
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Der optisch nichtlineare Kristall 58 weist beispielsweis Bismutborat (BIBO), Lithiumniobat (LiNbO3) oder Lithiumtriborat (LBO) auf.
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Der optisch nichtlineare Kristall 58 weist in Ausbreitungsrichtung des Testlaserstrahlungsfeldes 14 eine Dicke 60 auf, die kleiner ist, als der konfokale Parameter 56.
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Ist die Intensität 64 des Testlaserstrahlungsfeldes 14 innerhalb des optisch nichtlinearen Kristalls 58 größer als ein Schwellwert, treten messbare nichtlineare optische Effekte innerhalb des optisch nichtlinearen Kristalls 58 auf, beispielsweise die Erzeugung von elektromagnetischer Strahlung 68 mit der doppelten Frequenz des Testlaserstrahlungsfeldes 14.
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Die Konversionseffiziens ist stark von der Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes 14 abhängig.
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Der optische Filter 48 ist beispielsweise ein Interferenzfilter, der seine maximale Transparenz bei der Wellenlänge, der durch den nichtlinearen optischen Effekt erzeugten elektromagnetischen Strahlung 68 aufweist, und bei der Frequenz des Testlaserstrahlungsfeldes 14 eine erheblich geringere Transmission aufweist.
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Der Detektor 70 ist ein Detektor zur Messung elektromagnetischer Strahlung, beispielsweise eine Fotodiode oder Foto-Multiplayer oder ähnliches.
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Die elektromagnetische Strahlung 68 und damit das Signal 72, dass der Detektor 70 ausgibt, sind dann maximal, wenn die Strahltaille 52 am Referenzort 66 liegt, da dann die Intensität des Testlaserstrahlungsfeldes 14 innerhalb des optisch nichtlinearen Kristalls 58 maximal ist.
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Liegt die Strahltaille 52 neben dem Referenzort 66 ist die Stärke des Signals 72 abhängig vom Abstand der Strahltaille 52 zu dem Referenzort 66. Die Abhängigkeit entspricht der longitudinalen Intensitätsverteilung des Laserstrahlungsfeldes 14 durch die Strahltaille 52.
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Die Position der Strahltaille 52 wird durch die optischen Elemente, die das Testlaserstrahlungsfeld beeinflussen konnten, beeinflusst.
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Der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14, der durch den Kalibrierungsarm gelaufen ist, wird durch den Strahlteiler 18, durch das Kompensationselement 26, das optische Testelement 24 und die Fokussiereinrichtung 50 beeinflusst.
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Insbesondere die Brechkraft der einzelnen Elemente bestimmen die Lage der Strahltaille 52.
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Entsprechend wird die Lage der Strahltaille 52, die aus dem Testlaserstrahlungsfeld 14, das aus dem Messarm 22 stammt, durch den Strahlteiler, das zu messende optische Element 38 und die Fokussiereinrichtung 50 beeinflusst.
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Da das Messsignal 72 von der Lage der Strahltaille 52 relativ zum Referenzort 66 abhängig ist, ist es dadurch abhängig von der jeweiligen Brechkraft der optischen Elemente.
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Somit kann eine Änderung der Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 durch Beobachtung des Messsignals 72 erfasst werden.
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Somit ist eine Messung der Änderung der Brechkraft des optischen Elements 38 möglich.
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Um eine absolute Messung der Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 zu ermöglichen, kann eine Kalibrierung der Messeinrichtung 10 erfolgen.
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Dazu werden optische Testelemente 24 mit bekannter Brechkraft in die Kalibrierungsposition 25 eingesetzt und das Messsignal 72 aufgenommen, während die zweite Strahlblockierungseinrichtung 40 in der Blockierposition 44 liegt.
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Dadurch wird nur der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 zur Erzeugung des nichtlinearen optischen Effektes verwendet, der durch das optische Testelement 24 mit bekannter Brechkraft beeinflusst wurde.
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Um einen repräsentativen Kalibrierungspunkt zu erhalten, müssen die optischen Weglängen des Kalibrierungsarms 20 und des Messarms 22 angeglichen werden.
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Dies geschieht beispielsweise dadurch, dass die erste Strahlblockierungseinrichtung 28 in die Durchlassposition 34 gebracht wird und die zweite Strahlblockierungseinrichtung 40 in die Durchlassposition 46 gebracht wird, so dass sich das Testlaserstrahlungsfeld 14 aus dem Kalibrierungsarm 20 und dem Messarm 22 überlagern und ein Interferenzmuster bilden können.
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Da ein Kurpulslaser verwendet wird, treten die Interferenzmuster nur auf, wenn die Wegunterschiede im Kalibrierungsarm 20 zu dem Messarm 22 kleiner sind, als die Pulslänge des Testlasers.
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So kann beispielsweise die optische Weglänge des Kalibrierungsarms 20 durch Verschieben des optischen Testelements 24 variiert werden und ein Interferenzbereich 74 ermittelt werden, in dem Interferenzen auftreten.
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Wird die optische Weglänge des Kalibrierungsarms 20 auf die Mitte dieses Interferenzbereichs 74 eingestellt, sind die optischen Weglängen des Kalibrierungsarms und des Messarms mindestens näherungsweise gleich lang.
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Diese Justierung der optischen Weglängen sollte für jedes zur Kalibrierung verwendete optische Testelement 24 durchgeführt werden.
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Durch die Messung des Messsignals 72 unter Verwendung mehrerer unterschiedlicher optischer Testelemente 24 mit bekannter Brechkraft können mehrere Kalibrierungspunkte 76 gewonnen werden.
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Diese Kalibrierungspunkte 76 können durch eine Kurvenanpassung mit einer Kalibrierungskurve 78, beispielsweise eine Lorentz-Funktion, angepasst werden.
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Um das zu messende optische Element 38 zu vermessen, wird die erste Strahlblockierungseinrichtung 28 in eine Blockierposition 32 gebracht und die zweite Strahlblockierungseinrichtung 40 in eine Durchlassposition 46.
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So wird der Teil des Testlaserstrahlungsfeldes 14 in die Strahltaille 52 fokussiert, der durch den Messarm 22 gelaufen ist und somit von dem zu messenden optischen Element 38 reflektiert wurde.
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Somit wird die Lage 52 der Strahltaille durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 beeinflusst.
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Aus dem Messsignal 72 kann mit Hilfe der Kalibrierungspunkte 76 oder der angepassten Kalibrierungskurve 78 die Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 bestimmt werden.
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Eine in der 5 zweite dargestellt Ausführungsform einer Messeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten Messeinrichtung 10 dadurch, dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 nicht in einen Kalibrierungsarm 20 und einen Messarm 22 aufgeteilt wird.
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Zwischen dem Testlaser 12 und dem zu messenden optischen Element 38 ist eine Strahlformungseinrichtung 80 angeordnet.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 breitet sich vom Testlaser 12 ausgehend durch die Strahlformungseinrichtung 80 aus und wird von dem zu messenden optischen Element 38 reflektiert.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 wird von dem zu messenden optischen Element 38 in Richtung der Fokussiereinrichtung 50 reflektiert.
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Die Fokussiereinrichtung 50 fokussiert das Testlaserstrahlungsfeld 14 in die Strahltaille 52.
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Die Position der Strahltaille wird durch die Brechkraft der Strahlformungseinheit 80, durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 und durch die Brechkraft der Fokussiereinrichtung 50 beeinflusst.
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Somit ist wie bei der ersten Ausführungsform beschrieben die Position der Strahltaille von der Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 abhängig.
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Die Kalibrierung der Messeinrichtung 10 erfolgt dadurch, dass das zu messende optische Element 38 durch optische Testelemente 24 mit bekannter Brechkraft ausgetauscht wird.
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Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform der Messeinrichtung 10 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung soweit Bezug genommen wird.
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Eine in der 6 dargestellte dritte Ausführungsform einer Messeinrichtung 10 unterscheidet sich von der in der 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Messeinrichtung 10 dadurch, dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 nicht in einen Kalibrierungsarm 20 und einen Messarm 22 aufgeteilt wird und dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 nicht an dem zu messenden optischen Element 38 reflektiert wird, sondern dass das Testlaserstrahlungsfeld 14 in das zu messende optische Element 38 durchdringt.
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Das Testlaserstrahlungsfeld 14 bereitet sich vom Testlaser 12 ausgehend aus, durchläuft die Strahlformungseinrichtung 80, das zu messende optische Element 38 und die Fokussiereinrichtung 50, und wird durch diese in die Strahltaille 52 fokussiert.
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Somit wird die Lage der Strahltaille 52 durch die Brechkraft der Strahlformungseinrichtung 80, durch die Brechkraft des zu messenden optischen Elements 38 und durch die Brechkraft der Fokussiereinrichtung 50 bestimmt.
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Die dritte Ausführungsform der Messeinrichtung 10 eignet sich insbesondere zur Messung der Brechkraft von transmissiven optischen Elementen 38, wie beispielsweise Linsen oder Verstärkermedien, wie beispielsweise ein Laserkristall, oder polarisationsdrehende optische Elemente.
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Im Übrigen stimmt die in der 6 dargestellte dritte Ausführungsform der Messeinrichtung hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
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Ein in 7 dargestelltes Laserverstärkersystem 90 umfasst eine Messeinrichtung 10 gemäß der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Messeinrichtung 10.
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Das Laserverstärkersystem 90 umfasst ein in einem Resonator 92 angeordnetes Verstärkermedium 94.
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Das Verstärkermedium 94 wird durch einen Pumplaser 96 optisch gepumpt. Das Verstärkermedium 94 ist beispielsweise ein laseraktiver optisch gepumpter Kristall 95, der beispielsweise Ytterbium dotiertes Yttrium-Aluminium-Granat (YbYAG) umfasst.
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Insbesondere ist der laseraktive optisch gepumpte Kristall 95 scheibenförmig ausgebildet, und flächig auf einem ersten Resonatorspiegel 98 aufliegend angeordnet.
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Die Messeinrichtung 10 ist derart angeordnet, dass in der Messposition 39 der Messeinrichtung 10 ein optisches Element 100 des Laserverstärkersystems 90 angeordnet ist.
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Dieses optische Element 100 kann während des Betriebs des Laserverstärkersystems 90 vermessen werden.
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Beispielsweise kann, wenn eine Einheit aus laseraktiven optisch gepumpten Kristall 95 und erstem Resonatorspiegel 98 in der Messposition 39 angeordnet ist, das Auftreten einer thermischen Linse innerhalb des laseraktiven optisch gepumpten Kristalls 95 während des Betriebs des Laserverstärkersystems 90 gemessen werden.
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Es ist aber auch möglich, die Brechkraft anderer optische Elemente 100 des Laserverstärkersystems 90, wie beispielsweise Linsen oder Spiegel, während des Betriebs des Laserverstärkersystems 90 zu vermessen, um gegebenenfalls eine Kompensation der Änderung der Brechkraft dieser optischen Elemente 100 auszuführen.
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Um eine solche Kompensation durchführen zu können, weist das Laserverstärkersystem 90 eine Kompensationseinrichtung 102 auf, welche die Änderungen der Brechkraft der Einheit aus laseraktiven optisch gepumpten Kristall 95 und erstem Resonatorspiegel 98 während des Betriebs des Laserverstärkersystems 90 kompensieren kann und kompensiert.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Optical Shop Testing, edited by Daniel Malacara, Wiley Series in Pure and Applied Optics, 2007 [0004]
- Wolfgang Osten et al. "Interferometrische Messtechnik – Ein altes Prinzip mit moderner Anwendung", Optik und Photonik Nr. 3, Oktober 2008, 50–56 [0005]
- Platt, Ben C. und Ronald Shack (2001) "History and Principles of Shack-Hartmann Wavefront Sensing" [0006]
- Markus Knauer und Klaus Veit, "Vermessung spiegelnder Oberflächen – eine Aufgabe der optischen 3D-Sensorik", Photonik 4/2004, 62–64 [0007]
