DE102012106779B4

DE102012106779B4 - Optik für Strahlvermessung

Info

Publication number: DE102012106779B4
Application number: DE201210106779
Authority: DE
Inventors: Roman Niedrig
Original assignee: Highyag Lasertechnologie GmbH
Current assignee: Ii Vi Delaware Inc Wilmington Us
Priority date: 2012-07-25
Filing date: 2012-07-25
Publication date: 2014-04-03
Anticipated expiration: 2032-07-26
Also published as: DE102012106779A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Optik für Strahlvermessung. Es wird eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv und einen dritten teilreflektierenden Spiegel umfasst, wobei die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen und an diesen unbeschichteten Planflächen jeweils ein kleiner Teil der Strahlung unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird. Die Reflexionsebenen, die durch den einfallenden und reflektierten Strahl eines Spiegels aufgespannt werden, sind bei den ersten beiden Spiegeln parallel zueinander angeordnet. Zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel wird der Strahl durch das Kollimations-Objektiv kollimiert. Die Reflexionsebene des dritten Spiegels steht senkrecht auf den Reflexionsebenen von erstem und zweitem Spiegel.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft eine Optik für Strahlvermessung mit integrierter Strahlabschwächung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Bei der Messung der Eigenschaften von Laserstrahlen können sehr unterschiedliche Aufgabenstellungen verfolgt werden, entsprechend groß ist die Vielfalt der bekannten Vorrichtungen. So gibt es einerseits Vorrichtungen zur Messung der Leistung des Strahls und anderseits Vorrichtungen zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften des Strahls. Die geometrischen Eigenschaften wie Strahlprofil, Fokusdurchmesser, Divergenzwinkel und Strahlparameterprodukt sind Größen, die genauso wie die Strahlleistung Einfluss auf den Laserbearbeitungsprozess haben und somit bestimmend sind für die Qualität des Bearbeitungsergebnisses. Die Messung dieser Parameter ist somit ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung in der Lasermaterialbearbeitung.
Die Vorrichtungen zur Leistungsmessung lassen sich einteilen in solche, die den gesamten Strahl beispielsweise in einem Absorber auffangen und aus der Temperaturänderung des Absorbers die Leistung bestimmen. Vorrichtungen dieser Art werden z. B. in der DE 42 43 902 A1 und der DE 102 53 905 A1 beschrieben. Bei einem anderen Typ von Vorrichtungen wird nicht der gesamte Strahl aufgefangen, sondern es wird ein sehr kleiner Bruchteil des Strahls ausgekoppelt, damit der Hauptstrahl weiterhin seiner Verwendung zugeführt werden kann und anhand des ausgekoppelten Teilstrahls so zeitgleich eine Messung der Leistung erfolgen kann (z. B. DE 196 30 607 C1 ).
Zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften ist eine ortsaufgelöste Messung der Strahlintensität notwendig. Die Ortsauflösung kann durch Abtastung des Strahls erreicht werden. So zeigt die DE 35 10 937 C2 eine Vorrichtung, bei der durch schnelles Bewegen einer nadelförmigen Sonde durch den Strahl ein Signal erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf die räumliche Verteilung der Strahlintensität wiedergibt. Eine andere Möglichkeit zur ortsaufgelösten Messung des Strahlprofils zeigt die DE 101 29 274 A1 , bei der mehrere Drahtgitterebenen den Strahl durchsetzen und aus der Erwärmung und der daraus resultierenden Widerstandsänderung der einzelnen Drähte auf die lokale Intensität rückgeschlossen werden kann. Die DE 10 2008 022 015 A1 beschreibt ein Array aus temperaturempfindlichen Sensoren zur ortsaufgelösten Messung eines Strahlprofils, wobei das Sensor-Array einen Bruchteil der Strahlleistung empfängt, indem das Array hinter einem teildurchlässigen Spiegel angeordnet ist, der den Hauptteil der Strahlung reflektiert.
Besonders komfortabel zur ortsaufgelösten Strahlmessung ist die Verwendung eines Halbleitersensors wie einer CCD-Kamera, da hiermit das gesamte zweidimensionale Strahlprofil in einer Ebene mit einer einzigen Messung erfasst werden kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Strahlleistung hierzu sehr gering sein muss, da sonst der Sensor übersteuert oder sogar zerstört wird. Der Sensor kann also nicht direkt in der zu vermessenden Ebene im Strahl positioniert werden, sondern der Strahl muss abgebildet und gleichzeitig stark abgeschwächt werden. Dazu wiederum muss ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt werden, wobei der ausgekoppelte Bruchteil in seinen geometrischen Eigenschaften mit dem ursprünglichen Strahl übereinstimmen muss.
Solche Strahlteiler sind zwar prinzipiell bekannt, jedoch sind die Eigenschaften der Strahlauskopplung generell vom Strahleinfallswinkel und/oder dem Polarisationszustand des Strahls abhängig. Üblicherweise werden dazu die Reflexions-Eigenschaften einer Material-Grenzfläche ausgenutzt (Fresnel-Reflexion), oder diese Eigenschaften werden durch Strukturierung der Oberfläche beeinflusst, wodurch zusätzlich Streuung und Beugung auftritt.
So wird in der DE 103 55 866 B3 ein Strahlteiler in Form von schräggestellten Planplatten beschrieben, deren nicht wirksame Flächen mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Die DE 10 2008 028 347 A1 beschreibt ein Messmodul zur Messung der Leistung eines Laserstrahls, bei zunächst über einen teilreflektierenden Spiegel ein Teil der Strahlung ausgekoppelt wird und eine weitere Abschwächung des ausgekoppelten Strahls durch Reflexion an unbeschichteten Glasplatten stattfindet.
Bei den in der DE 40 06 618 C2 und in der DE 102 17 657 A1 gezeigten Vorrichtungen wird zur Auskopplung des Strahls auf die als Strahlteiler oder als Reflektor ausgebildete Planplatte eine holografische Struktur aufgebracht, deren Beugungseffizienz den Anteil der ausgekoppelten Strahlung bestimmt.
Der interessierende zu vermessende Strahl, insbesondere bei Laseranlagen und Strahlführungen für 1 μm Laserstrahlung, ist meistens divergent, wie z. B. der aus einer Faserspitze austretende Strahl oder der von einer Bearbeitungsoptik fokussierte Strahl.
Die Verwendung einer schräggestellten Planplatte zur Auskopplung eines Teilstrahls aus einem divergenten Strahl ist jedoch problematisch, da der Einfallswinkel innerhalb des Strahlbündels auf der Planplatte variiert und daher der Reflexionsgrad gemäß der Fresnel-Formeln nicht konstant ist und zusätzlich von der Polarisationsrichtung des Strahls abhängt. Eine solche einfache Anordnung verändert daher das Strahlprofil und ist somit für eine exakte Strahlvermessung nicht geeignet.
Ein möglicher Weg zur Reduktion dieser Winkelabhängigkeit der Reflexion ist aus der bereits oben erwähnten DE 10 2008 028 347 A1 bekannt. Dort wird ein weiterer Spiegel mit gleichem Umlenkwinkel verwendet, um die Winkelabhängigkeit bei der Reflexion an der schrägen Platte zu reduzieren. Die in der DE 10 2008 028 347 A1 gezeigte Vorrichtung ist allerdings nicht zur Auskopplung aus einem divergenten Strahl geeignet, und auch nicht zur direkten Auskopplung aus einem Strahl mit hoher Leistung; dies übernimmt dort ein zusätzlicher vorgeschalteter Spiegel. Ein weiterer Nachteil der dort gezeigten Vorrichtung ist der Unterschied in der Reflexion von P- und S-polarisierten Strahlen. Weiterhin wird der Strahl dort bewusst zur Homogenisierung mit einer kleinen Winkelverteilung gestreut, womit die Vorrichtung auch nicht zur Strahl-Analyse geeignet ist, sondern nur zur Bestimmung einer relativen, zur Leistung des Strahls proportionalen Größe.
Zur Umgehung des Problems der Winkelabhängigkeit der Reflexion ist es auch denkbar, den Strahl zunächst mittels eines Kollimations-Objektivs oder wenigstens einer Linse zu kollimieren und erst dann mittels einer Planplatte einen Teilstrahl auszukoppeln. Der Reflexionsgrad ist dann zwar innerhalb des Strahlbündels konstant, da der Einfallswinkel nicht mehr variiert, es gibt aber immer noch eine Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung.
Zur Verringerung der Reflexions-Unterschiede bei unterschiedlichen Polarisationszuständen ist es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Grenzflächen eines teilreflektierenden Spiegels mit geeigneten Beschichtungen zu versehen, z. B. mit speziellen Antireflex-Beschichtungen, die so ausgelegt sein sollen, dass der Rest-Reflexionsgrad über einen kleinen Winkel-Bereich möglichst wenig variiert und gleichzeitig die Reflexionsgrade für die beiden Polarisationsrichtungen möglichst gleich sein sollen. Zu diesem Zweck müssen mehrere dünne dielektrische Schichten auf das Substrat aufgebracht werden. Diesen Weg verfolgt beispielsweise die DE 20 2004 007 511 U1 . Das in dieser Druckschrift offenbarte Schichtsystem für die Beschichtung eines Spiegels besteht aus 6 einzelnen Schichten, deren Schichtdicke genau eingehalten werden müssen. Es ist für den einschlägigen Fachmann offensichtlich, dass dabei produktionsbedingte Toleranzen auftreten und die gewünschte Konstanz der Reflexion nur schwer zu gewährleisten ist, insbesondere auch unter Langzeit-Bedingungen, die bei dünnen Schichten bekanntermaßen zu Veränderungen führen können aufgrund von Alterung, Luftfeuchte usw. Ein weiteres Problem ist, dass diese Beschichtung auf beiden Seiten der Platte aufgebracht werden muss und die reflektierten Strahlungsanteile von Vorder- und Rückseite der Platte miteinander interferieren können, was wiederum zu Schwankungen der gemessenen Intensität führen kann.
In der US 2011/0249256 A1 wird eine Vorrichtung zur Messung verschiedener räumlicher Parameter eines Hochleistungs-Laserstrahls gezeigt. Da der Signalstrahl hierbei zur Abschwächung mehrere schräggestellte Planplatten in Transmission durchläuft, ist diese Vorrichtung nicht zur Messung von divergenter Strahlung geeignet wegen des dann auftretenden Astigmatismus.
Die US 2011/0057113 A1 offenbart eine optische Vorrichtung mit einer Detektions-Einrichtung, welche ein Wellenlängen-dispersives Element, einen Photodetektor und ein Wellenlängen-Begrenzungs-Element enthält. Daraus ist eine Anordnung mehrerer Spiegel bekannt zur Trennung und Überlagerung von Strahlungsanteilen mit verschiedenen Wellenlängen.
Aus der EP 2 264 414 A1 ist eine Vorrichtung zur Infrarot-Strahlanalyse bekannt, welche die Oberflächen von Kühlkörpern direkt als abschwächende Spiegel verwendet, so dass die überschüssige Strahlleistung von den Spiegeln selbst absorbiert wird. Nachteilig ist hierbei die zu erwartende hohe Deformation der Oberflächen durch die Erwärmung der Kühlkörper-Spiegel. Selbst bei effizienter Kühlung ist eine Deformation der Oberflächen durch thermische Verspannung praktisch nicht vermeidbar.
Wird der Strahl zunächst mittels eines Objektivs oder einer Linse kollimiert oder in irgendeiner anderen Form abgebildet, bevor ein Teilstrahl ausgekoppelt wird, entsteht noch ein weiteres Problem. Beim Durchtritt der Strahlung durch die Linse wird ein minimaler Anteil der Strahlung vom Material der Linse absorbiert, was die Entstehung eines radialen Temperaturgradienten in der Linse zur Folge hat, dessen Größe von der durchstrahlten Leistung abhängt. Wegen des Temperaturkoeffizienten der Brechzahl des Linsenmaterials führt dies zu einer zusätzlichen Brechkraft, der sogenannten „thermischen Linse”. Dadurch verschiebt sich die Bildlage, ein sogenannter „Fokus-Shift” entsteht, außerdem treten dadurch zusätzliche Aberrationen, also Abbildungsfehler, auf.
Dieses Problem betrifft beispielsweise die in der DE 10 2005 024 085 A1 offenbarte Erfindung. Dort ist eine Vorrichtung zur Überwachung eines Laserbearbeitungsvorgangs sowie einen Laserbearbeitungskopf gezeigt. Bevor die Strahlung zur Diagnose aus dem Laserbearbeitungkopf ausgekoppelt werden kann, hat sie das im Laserbearbeitungskopf integrierte optische System durchlaufen, wobei die oben beschriebenen Nachteile auftreten.
Dieser Fokus-Shift ist besonders nachteilig, wenn es bei der Vermessung hochbrillanter Strahlung darauf ankommt, höchste Abbildungsgenauigkeit zu erzielen oder die Größe des Fokus-Shift selbst zu bestimmen, z. B. von einer zu testenden Optik oder von der Endkappe einer Lichtleitfaserspitze.
Demnach besteht Bedarf an einer Vorrichtung zur Bestimmung des Intensitätsprofils eines Hochleistungs-Laserstrahls nahe der Strahltaille auf einen geeigneten Sensor bei gleichzeitiger Abschwächung des Strahls. Der auf den Sensor abgebildete Strahl muss also ein exaktes, unverändertes Abbild des originalen Strahls sein. Zu diesem Zweck muss die Optik den Strahl einerseits hochgenau, d. h. fehlerfrei abbilden, und zum anderen muss der Strahl um viele Zehnerpotenzen abgeschwächt werden, bzw. es muss ein entsprechend kleiner exakt repräsentativer Anteil aus dem Strahl ausgekoppelt werden, damit der eigentliche Mess-Sensor, z. B. eine CCD-Kamera, nicht durch den Strahl zerstört wird.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der ein kleiner Bruchteil aus einem divergenten Laserstrahl hoher Leistung ausgekoppelt wird, ohne dass der ausgekoppelte Teilstrahl dabei in relevanten Eigenschaften verändert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß der Ansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zu beseitigen, bzw. die Nachteile werden auf eine praktisch nicht mehr messbare Größe zu reduziert.
Die Erfindung stellt eine Optik zur Strahlvermessung optischer Strahlung zur Verfügung, welche sich hinter einer Strahltaille divergent ausbreitet, umfassend jeweils in Strahlrichtung nacheinander angeordnet einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv bestehend aus wenigstens einer optischen Linse, sowie einen dritten teilreflektierenden Spiegel. Die drei teilreflektierenden Spiegel bestehen jeweils aus einem transparenten optischen Material und weisen jeweils mindestens eine Planfläche auf. Dabei weisen die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils eine unbeschichtete ebene Grenzfläche auf, an welcher ein kleiner Teil der Strahlung unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird. Die Reflexionsebene, die an einem Spiegel durch einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannt wird, ist für den zweiten Spiegel parallel zur Reflexionsebene am ersten Spiegel, und die Reflexionsebene am dritten Spiegel ist senkrecht angeordnet zu den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel.
Zwischen der Strahltaille und dem ersten teilreflektierenden Spiegel soll in einer Ausführungsform kein optisch abbildendes Element angeordnet sein.
Der Einfallswinkel α₂ am zweiten Spiegel bezogen auf die optische Achse des Strahls, kann in einem Bereich liegen, der durch folgende Formel definiert ist: α₁(n₂/n₁)^1/2 ≤ α₂ ≤ α₁(n₂/n₁), wobei α₁ der Einfallswinkel am ersten Spiegel ist, bezogen auf die optische Achse des Strahls, und n₁ und n₂ die Brechzahlen des ersten und des zweiten Spiegels sind.
Zwischen dem ersten teilreflektierenden Spiegel und dem zweiten teilreflektierenden Spiegel kann ein Relais-Objektiv angeordnet ist, wobei das Relais-Objektiv bezogen auf die Strahltaille einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 aufweisen kann, und wobei der Öffnungswinkel des konvergenten Strahlbündels hinter dem Relais-Objektiv etwa genauso groß sein kann wie der Öffnungswinkel des divergenten Strahlbündels vor dem Relais-Objektiv.
Weiterhin kann in Strahlrichtung dem dritten teilreflektierenden Spiegel nachfolgend ein vierter Spiegel angeordnet sein und der vierte Spiegel kann derart angeordnet sein, dass nach der Reflexion die optische Achse des reflektierten Strahls parallel zur optischen Achse des ursprünglichen Strahls angeordnet ist.
Hinter dem dritten Spiegel oder dem vierten Spiegel kann ein Fokussier-Objektiv angeordnet sein, welches ein Bild der ursprünglichen Strahltaille in seiner Bildebene erzeugt. In der Bildebene des Fokussier-Objektivs kann ein Sensor angeordnet sein.
Zur Abschwächung des Strahls können hinter dem dritten Spiegel Mittel angeordnet sein, wobei diese ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend teilweise absorbierende Planplatten, so zum Beispiel Graugläser, teilweise transmittierende Planplatten, teilweise reflektierende Planplatten, ein Paar hintereinander angeordneter Polarisatoren, deren Polarisationswinkel zueinander eingestellt werden kann.
Die vom zweiten und vom dritten Spiegel transmittierten restlichen Strahl-Anteile können jeweils von einem Element aufgefangen werden, welches eine absorbierende Oberfläche aufweist und mit Kühlrippen zur Kühlung durch die Umgebungsluft oder Bohrungen, durch die ein Kühlmittel fließt zur Kühlung ausgestattet ist.
Die nicht zur teilweisen Reflexion der Strahlung genutzten rückwärtigen Flächen von erstem, zweiten und dritten Spiegel können mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sein.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein, es zeigt:
1: Schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten typischen Vorrichtung zur Strahlvermessung, bei der zuerst durch einen teilreflektierenden Spiegel ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt wird, und nachfolgend der Strahl kollimiert oder weiter abgebildet wird.
2: Darstellung des Reflexionsgrades an einer Quarzglas-Luft-Grenzfläche gemäß den Fresnel-Formeln für einen Strahl mit S-Polarisationsrichtung (punktierte Kurve) und einen Strahl mit P-Polarisationsrichtung (gestrichelte Kurve). Der durchgezogene Bereich der Kurven entspricht dem Winkel-Bereich, der in der Vorrichtung nach 1 genutzten wird, bei einer Umlenkung des Strahls um 90°.
3: Schematische Darstellung einer alternativen aus dem Stand der Technik bekannten typischen Vorrichtung zur Strahlvermessung, bei der zuerst der Strahl kollimiert wird, und nachfolgend durch einen teilreflektierenden Spiegel ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt wird.
4: Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strahlvermessung in einer ersten Ausführungsform.
5: Darstellung der Reflexion des zu vermessenden Strahlbündels an den ersten beiden Spiegeln als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung des Prinzips der Kompensation der Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades.
6: Darstellung des resultierenden Intensitätsverlaufs bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 4 für beide Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Der durchgezogene Bereich der Kurven ist der in der Vorrichtung nach 4 vom Strahlbündel genutzte Winkelbereich.
7a: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um den gleichen Winkel von 45° umgelenkt wird und der resultierende Arbeitsabstand sehr klein ist.
7b: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um den gleichen Winkel von 50° umgelenkt wird. Der resultierende Arbeitsabstand ist relativ klein.
7c: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um verschiedene Winkel umgelenkt wird, zuerst um 40° und nachfolgend um 60°. Der resultierende Arbeitsabstand ist deutlich größer als bei der Verwendung gleicher Umlenkwinkel.
8: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel ein Relais-Objektiv eingefügt ist und dadurch ein wesentlich größerer Arbeitsabstand erzielt wird.
9: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel ähnlich der ersten Ausführungsform nach 4. Durch Verwendung eines Kollimations-Objektivs in Retrofokus-Bauweise wird ein kleinerer kollimierter Strahldurchmesser erzielt und dadurch eine insgesamt kompaktere Bauweise ermöglicht.
10: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor.
11: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, durch eine spezielle räumliche Anordnung von mindestens drei teilreflektierenden Spiegeln und einem Kollimations-Objektiv die Abhängigkeiten des Reflexionsgrades vom Winkel und vom Polarisationszustand nahezu vollständig zu kompensieren, so dass die zur Kollimation oder Abbildung benötigten Objektive nicht im Leistungsstrahl sondern hinter zumindest einem Spiegel angeordnet werden können und somit auch der Fokus-Shift der Vorrichtung insgesamt vernachlässigbar klein ist.
Es wird dazu eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv und einen dritten teilreflektierenden Spiegel umfasst, wobei die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen und an diesen unbeschichteten Planflächen jeweils ein kleiner Teil der Strahlung unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird. Die Reflexionsebenen, die durch den einfallenden und reflektierten Strahl eines Spiegels aufgespannt werden, sind bei den ersten beiden Spiegeln parallel zueinander angeordnet. Zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel wird der Strahl durch das Kollimations-Objektiv kollimiert. Die Reflexionsebene des dritten Spiegels steht senkrecht auf den Reflexionsebenen von erstem und zweitem Spiegel.
1 zeigt eine typische schematische Anordnung zur Auskopplung eines Teilstrahls, wie sie in vielen dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen eingesetzt wird. Teilstrahl 73 wird aus einem Strahlbündel 71, welches sich hinter einer Strahltaille 70 ausbreitet, durch eine schräggestellten Planplatte 10 mit einer unbeschichteten Fläche 11 und einer Antireflex-beschichteten Fläche 12 ausgekoppelt. Der Hauptanteil 74 der Strahlung tritt durch die Planplatte 10 hindurch. Da der Einfallswinkel 16, 17 auf dem teilreflektierenden Spiegel 10 aufgrund der Divergenz des Strahlbündels 71 variiert, ändert sich gemäß den Frensnel-Formeln auch der Reflexionsgrad innerhalb des Strahlbündels. Dadurch wird das Strahlprofil verfälscht, weshalb diese Art der Strahlauskopplung nachteilig ist. Günstig ist, dass eine Kollimation durch ein Objektiv 50 oder eine sonstige Abbildung im abgeschwächten Teilstrahl stattfindet, wodurch thermo-optische Einflüsse des Objektivs wie z. B. der Fokus-Shift gering sind.
Der in den üblichen Vorrichtungen nach 1 auftretende winkelabhängige Reflexionsgrad ist in 2 dargestellt. Im gezeigten Beispiel wird ein Strahl mit einer numerischen Apertur von NA = 0,14 (entspricht ca. +/–8°) von einer unbeschichteten Quarzglas-Platte um 90° umgelenkt, der Strahleinfallswinkel beträgt also 45° auf der optischen Achse und variiert innerhalb des Strahlbündels im Bereich von etwa 37° bis 53° (durchgezogener Bereich der Kurven). Man erkennt, dass in diesem Beispiel der Reflexionsgrad für einen P-polarisierten Strahl um einen Faktor von rund 30 variiert, was zu einer entsprechenden Variation der Intensität über der Strahl-Apertur führt. Dadurch wird das zu messende Profil des Strahls stark verfälscht, die Anordnung ist somit zur exakten Strahlvermessung nicht geeignet. Für S-polarisierte Strahlen variiert der Reflexionsgrad um einen Faktor von ca. 2, während das Verhältnis zwischen S- und P-polarisiertem Strahl auf der optischen Achse 12,5 beträgt.
In 3 ist eine alternative Möglichkeit zur Auskopplung eines Teilstrahls dargestellt, wie sie ebenfalls in Vorrichtungen des Standes der Technik verwendet wird. Hier wird zuerst der sich hinter einer Strahltaille 70 ausbreitende Strahl 71 kollimiert durch ein Objektiv 50 und erst nachfolgend mit einer schräggestellten Planplatte 10 ein Teilstrahl 73 ausgekoppelt, wobei der Hauptanteil 74 der Strahlung die Planplatte transmittiert. Hierbei wird zwar die Verfälschung des Strahlprofils vermieden, da der Strahleinfallswinkel auf der Planplatte konstant ist, jedoch ist im allgemeinen der Reflexionsgrad für die beiden Polarisationsrichtungen des Strahls verschieden. Ebenfalls nachteilig sind die thermo-optischen Effekte im Kollimations-Objektiv 50. Durch die Absorption der Strahlung 71 im Objektiv 50 entsteht eine zusätzliche thermische Brechkraft 53, die einen Fokus-Shift und thermo-optischen Aberrationen (Abbildungsfehler) erzeugt.
4 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strahlvermessung in einer ersten Ausführungsform. Der sich hinter einer Strahltaille 70 divergent ausbreitende Strahl 71 wird zuerst, d. h. ohne vorherige Kollimation oder sonstige Abbildung, nacheinander von zwei teilreflektierenden Spiegeln 10, 20 reflektiert, so dass die Intensität des derart ausgekoppelten Teilstrahls auf einen Bruchteil abgesunken ist. Nachfolgend wird der Strahl von einem Objektiv 50 kollimiert; der kollimierte Strahl 72 wird dann von einem dritten teilreflektierenden Spiegel 30 reflektiert, wobei die Ebene, die von einfallendem und reflektiertem Strahl aufgespannt wird, die sogenannte Reflexionsebene, für den dritten Spiegel 30 senkrecht auf den Reflexionsebenen des ersten und des zweiten Spiegels steht. Um diese räumliche Anordnung zu verdeutlichen, ist eine perspektivische Form der Darstellung gewählt. Bei allen drei teilreflektierenden Spiegeln 10, 20, 30 wird zur Reflexion die unbeschichtete Grenzfläche einer Planfläche ausgenutzt. Der Hauptanteil 74 der Strahlung transmittiert durch den Spiegel 10. Durch die Spiegel 20 und 30 treten jeweils kleine Rest-Anteile 75 der Strahlung hindurch, die von nicht dargestellten Absorbern aufgefangen werden können.
5 dient zur Erläuterung des Prinzips der Kompensation der Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dazu sind die Reflexionen des zu vermessenden Strahlbündels 71 an den ersten beiden Spiegeln 10 und 20 dargestellt. Dabei wird der Strahl 71, bezogen den Strahl 76 auf der optischen Achse, am ersten Spiegel 10 um einen ersten Umlenkwinkel 15 umgelenkt und danach am zweiten Spiegel 20 um einen zweiten Umlenkwinkel 25. Betrachtet man einen Randstrahl 77 des Strahlbündels 71, so ist zu erkennen, dass der Einfallswinkel auf dem ersten Spiegel 10 beispielsweise größer ist als der Einfallswinkel des Hauptstrahls 76, auf dem zweiten Spiegel 20 ist es umgekehrt. Folglich ist der Reflexionsgrad für den Randstrahl 77 einmal größer und einmal kleiner als der Reflexionsgrad für den Hauptstrahl 76. Nach beiden Reflexionen haben sich daher die Unterschiede in der resultierenden Intensität des Strahlbündels 72 fast ausgeglichen.
Diese Kompensation der Winkelabhängigkeit ist in 6 anhand des resultierenden Intensitätsverlaufs für den ausgekoppelten Teilstrahl 73 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 4 für beide Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels dargestellt. Die Reflexion am dritten teilreflektierenden Spiegel 30 ist in dieser Darstellung ebenfalls mit eingerechnet. Der durchgezogene Bereich der Kurven ist der in der Vorrichtung nach 4 vom Strahlbündel 71 genutzte Winkelbereich.
In den 7a, 7b und 7c ist gezeigt, wie der freie Arbeitsabstand 90 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der sich aus dem Abstand der Vorrichtung zur Strahltaille 70 ergibt, mit den Umlenkwinkeln 15 und 25 am ersten 10 und am zweiten Spiegel 20 zusammenhängen. In den Anordnungen nach den 7a und 7b ist der Umlenkwinkel 15, 25 an beiden Spiegeln jeweils gleich. In 7a beträgt der Umlenkwinkel jeweils 45°, so dass sich für den kollimierten Strahl 72 eine günstige rechtwinklige Geometrie ergibt, jedoch ist der Arbeitsabstand 90 sehr klein, die zu vermessende Strahltaille 70 liegt nur knapp außerhalb der Vorrichtung. In 7b beträgt der Umlenkwinkel jeweils 50°, so dass das Kollimations-Objektiv 50 näher an den Strahl angeordnet werden kann, der resultierende Arbeitsabstand 90 ist daher etwas größer, aber immer noch relativ klein.
Erst bei Verwendung unterschiedlicher Umlenkwinkel 15 und 25 an dem ersten 10 und dem zweiten Spiegel 20, wie in 7c gezeigt, können sich alle optischen Elemente gut an den Strahl anschmiegen, und man erhält einen deutlich größeren Arbeitsabstand 90. Hierbei ist der Umlenkwinkel 15 am ersten Spiegel 10 (beispielsweise 40°) kleiner als der Umlenkwinkel 25 am zweiten Spiegel 20 (beispielsweise 60°).
8 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen dem ersten 10 und dem zweiten Spiegel 20 ein Relais-Objektiv 55 eingefügt ist und dadurch ein wesentlich größerer Arbeitsabstand erzielt wird, d. h. die Strahltaille 70 ist deutlich weiter von der Vorrichtung entfernt. Gleichzeitig erhält man einen kleineren Durchmesser für den kollimierten Strahl 72 und 73, wodurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht wird, wie an den kleineren Abmessungen des dritten Spiegels 30 erkennbar ist. Da hierbei der Strahl nur durch einen teilreflektierenden Spiegel 10 abgeschwächt wird, bevor ein Objektiv 55 im Strahl angeordnet ist, sind die thermo-optischen Effekte in dieser Ausführungsform nicht so weit reduziert wie in der ersten Ausführungsform.
In 9 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt in einem Ausführungsbeispiel ähnlich der ersten Ausführungsform nach 4. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Kollimations-Objektiv 51 in Retrofokus-Bauweise verwendet. Die Retrofokus-Bauweise bewirkt, dass die Schnittweite des Objektivs, d. h. der Abstand vom Fokus, also der Strahltaille 70, zur ersten Linsenfläche des Kollimations-Objektivs 51, größer ist als die effektive Brennweite des Objektivs 51. Damit wird ein kleinerer kollimierter Strahldurchmesser 72 sowie 73 erzielt und dadurch eine insgesamt kompaktere Bauweise ermöglicht.
10 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der ersten Ausführungsform analog zu 4 oder 9, wobei weitere Komponenten zur vollständigen Abbildung des Strahls 71 mit seiner Strahltaille 70 gezeigt sind. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel 40, womit der ausgekoppelte Teilstrahl wieder parallel zum ursprünglichen Strahl 71 ausgerichtet wird, und die Fokussierung 60 des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor 80. Das Fokussier-Objektiv 60 ist in Tele-Bauweise ausgeführt, d. h. die Schnittweite von der letzten Linse zur Bild-Ebene 80 ist kleiner als die effektive Brennweite des Objektivs, womit eine kompakte Bauweise des Gesamtsystems insbesondere bei höheren Vergrößerungen des Systems unterstützt wird.
In 11 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform analog zu 8 dargestellt, wobei weitere Komponenten zur vollständigen Abbildung des Strahls gezeigt sind. Zusätzlich dargestellt ist die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel 40, womit der ausgekoppelte Teilstrahl wieder parallel zum ursprünglichen Strahl 71 ausgerichtet wird, und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor 80. Das Fokussier-Objektiv 60 ist in Tele-Bauweise ausgeführt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die Erfindung umfasst in einer grundlegenden Ausführungsform drei teilreflektierende Spiegel und ein Kollimations-Objektiv in einer speziellen räumlichen Anordnung. Der zu vermessende Strahl weist eine Strahltaille 70 auf, die gebildet sein kann durch einen Strahlaustritt wie beispielsweise eine Lichtleitfaserspitze, oder durch die Ausbildung eines Strahlfokus hinter einer Optik. Hinter der Strahltaille 70 breitet sich der Strahl aus und bildet ein divergentes Strahlbündel 71. Ein erster teilreflektierender Spiegel 10 ist im Strahl 71 angeordnet und koppelt durch Reflexion einen kleinen Anteil der Strahlung aus, die dadurch um einen gewissen Winkel 15 umgelenkt wird, wogegen der Hauptanteil 74 des Strahls 71 durch den Spiegel 10 transmittiert und nachfolgend auf eine Strahlfalle 85 oder ein Strahlleistungs-Messgerät auftreffen kann. Der reflektierte Anteil des Strahls trifft auf den zweiten teilreflektierenden Spiegel 20, welcher wiederum einen Anteil reflektiert und dadurch um einen Winkel 25 umlenkt, während ein Rest-Anteil 75 des Strahls durch den Spiegel 20 transmittiert und hinter dem Spiegel von einem nicht dargestellten Absorber aufgefangen wird. Nach der Reflexion durch den zweiten Spiegel 20 wird der Strahl von einem Kollimations-Objektiv 50 kollimiert, der Strahl bildet nach der Kollimation also ein nahezu paralleles Strahlbündel 72. Der kollimierte Strahl 72 wird nun durch einen dritten teilreflektierenden Spiegel 30 reflektiert. Bei dieser Reflexion steht die Reflexionsebene, die durch den einfallenden und reflektierten Strahl eines Spiegels aufgespannt wird, senkrecht auf den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel. Nach der Reflexion am dritten Spiegel 30 steht nun ein kollimiertes, abgeschwächtes Strahlbündel 73 zur Verfügung, welches ein genaues Abbild des ursprünglichen Strahls 71 darstellt. Dieser Teilstrahl 73 kann nun beispielsweise mittels einem Fokussier-Objektiv 60 auf einen Sensor 80, z. B. eine CCD-Kamera, abgebildet werden.
Der ausgekoppelte Teilstrahl 73 soll ein genaues Abbild des ursprünglichen Strahls 71 darstellen. Dies wird durch die im folgenden erläuterte Funktionsweise gewährleistet.
Durch die Reflexion an den ersten beiden Spiegeln 10 und 20 wird die Winkelabhängigkeit der Reflexion kompensiert, da z. B. ein Randstrahl 77, der auf dem ersten Spiegel 10 einen größeren Einfallswinkel aufweist als der Hauptstrahl 76, bei der Reflexion am zweiten Spiegel 20 einen kleineren Winkel als der Hauptstrahl 76 besitzt (vgl. dazu 5). Aufgrund der Winkelabhängigkeit der Reflexion hat der Randstrahl somit am ersten Spiegel beispielsweise einen größeren Reflexionsgrad als der Hauptstrahl, während am zweiten Spiegel der Reflexionsgrad kleiner ist. Nach der zweimaligen Reflexion sind dadurch die Unterschiede in der resultierenden Intensität fast ausgeglichen. Die Winkelabhängigkeit ist dadurch nahezu beseitigt, der sehr kleine Restfehler ist nun vorteilhafterweise symmetrisch zur optischen Achse und stört nicht mehr.
Zur Kompensation der verbleibenden unterschiedlichen Strahlintensitäten für die beiden Polarisationsrichtungen wird die Reflexion an einem dritten teilreflektierenden Spiegel 30 benötigt. Um den Unterschied ausgleichen zu können, statt diesen weiter zu vergrößern, muss der dritte Spiegel 30 in eine Richtung senkrecht zu den anderen beiden Spiegeln 10 und 20 reflektieren. Das erneute Auftreten einer Variation der Reflexion durch unterschiedliche Einfallswinkel im Strahlbündel wird dabei verhindert durch die Kollimation mittels des Kollimations-Objektivs 50, welches daher vor dem dritten Spiegel 30 angeordnet ist.
6 zeigt die resultierende Intensität des Strahls für beide Polarisatonsrichtungen im kollimierten Strahl 73 für das in 4 oder 9 gezeigte Ausführungsbeispiel; die verbleibende Variation der Intensität ist für einen polarisierten Strahl in beiden Polarisationsrichtungen äußerst gering und für einen unpolarisierten Strahl, den man sich aus beiden Polarisations-Anteilen zusammengesetzt denken kann und die resultierende Intensität sich daher aus dem Mittelwert der beiden Kurven ergibt, praktisch nicht mehr messbar.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verschiedene Ausführungsformen aufweisen. Allen Ausführungsformen gemeinsam sind folgende wesentliche Merkmale:

– Verwendung von mindestens 3 teilreflektierenden Spiegeln, die zur teilweisen Reflexion des Strahls die unbeschichtete Grenzfläche des Materials ausnutzen;
– der erste Spiegel ist direkt im zu vermessenden, divergenten Strahl angeordnet, d. h.
zwischen der zu abzubildenden Strahl-Ebene (die Strahl-Taille, der Strahl-Fokus oder die Strahl-Austrittsebene) und dem ersten Spiegel befindet sich kein abbildendes optisches Element;
– die von einfallendem und reflektiertem Strahl eines Spiegels aufgespannte Ebene, die Reflexions-Ebene, ist bei den ersten beiden Spiegeln gleich;
– nach der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln wird der Strahl durch ein Kollimations-Objektiv kollimiert;
– nach der Kollimation des Strahls wird dieser durch den dritten Spiegel reflektiert, hierbei steht die durch einfallenden und reflektierten Strahl gebildete Ebene senkrecht auf der entsprechenden Ebene der ersten beiden Spiegeln.

Aus den Merkmalen der Erfindung ergeben sich folgende besondere Vorteile:

– Der Fokus-Shift (bzw. die Laserleistungs-induzierte Fokus-Verschiebung) ist äußerst gering und praktisch nicht mehr messbar.
– Sehr genaue Übertragung des Strahlprofils vom ursprünglichen Strahl in den abgeschwächten Mess-Strahl.
– Praktisch keine Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Strahls.
– Hohe exakte Abschwächung, typischerweise um mehr als drei Größenordnungen.

Die wesentlichen Eigenschaften des Systems werden durch die unmittelbaren physikalischen Zusammenhänge an den Grenzflächen der Spiegel definiert, so dass es keine produktionstechnischen Toleranzen und Abweichungen gibt.
Zur Abbildung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor dient ein Fokussier-Objektiv.
Weitere Ausführungsformen der Erfindung können folgende Merkmale aufweisen: Die Rückseite der teilreflektierenden Spiegel kann zur Minderung von Streulicht Antireflexbeschichtet sein.
Mittels eines vierten Spiegels, vorzugsweise zwischen drittem Spiegel und Fokussier-Objektiv angeordnet, kann die Achse des abgeschwächten Mess-Strahls wieder parallel zur Achse des Eingangsstrahls ausgerichtet werden.
Zwischen erstem und zweitem Spiegel kann sich ein Relais-Objektiv befinden, welches einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 besitzt. Auf diese Weise kann der freie Arbeitsabstand des Gesamtsystems zur Mess-Ebene (der zu vermessenden Strahltaille) deutlich erhöht werden.
Zur Optimierung des Arbeitsabstandes in einer Ausführungsform mit direkt hintereinander angeordnetem ersten und zweiten Spiegel ist es sinnvoll, den Reflexionswinkel auf erstem und zweitem Spiegel unterschiedlich auszuführen, nämlich den Reflexionswinkel auf dem ersten Spiegel kleiner zu wählen. Die Brechzahl des ersten Spiegels ist dann ebenfalls kleiner zu wählen; die Reflexionswinkel und die Brechzahlen von erstem und zweitem Spiegel stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander.
Die Brechzahl des ersten Spiegels kann möglichst klein gewählt werden, damit der Reflexionsgrad gering ist.
Der dritte, im kollimierten Strahl stehende Spiegel kann keilförmig aufgebaut sein, d. h. unbeschichtete Vorderseite und antireflex-beschichtete Rückseite sind nicht parallel zueinander sondern schließen einen kleinen Winkel ein.
Um einen besonders geringen Fokus-Shift zu erhalten, ist es sinnvoll, ein kollimierendes oder abbildendes Optisches System erst nach dem zweiten teilreflektierenden Spiegel anzuordnen. Leider wird durch diese Anordnung besonders viel Arbeitsabstand „verbraucht”, d. h. die zu vermessende Strahlebene (die Strahltaille) läuft Gefahr, in den reflektierten Strahl hineinzulaufen. Dies könnte zur Vermessung des Strahlfokus einer Bearbeitungsoptik noch vertretbar ein, die Vermessung des Strahls aus einer Lichtleitfaser, insbesondere mit einer angeschweißten Endkappe, kann dadurch unmöglich werden.
Zur Optimierung des Arbeitsabstandes ist es erforderlich, die Einfallswinkel auf den beiden Spiegeln, bezogen auf die optische Achse, bzw. die Umlenkwinkel des Strahlbündels an den Spiegeln unterschiedlich zu wählen, damit sich die optischen Elemente möglichst nah an den Strahl „anschmiegen” können. 7 zeigt dazu beispielhaft verschiedene Anordnungen. Es ist zu erkennen, dass Vorrichtungs-Varianten mit gleichen Umlenkwinkeln auf den ersten beiden Spiegeln (7a und 7b) nicht zu einem maximalen Arbeitsabstand führen, dies gelingt erst mit verschiedenen Umlenkwinkeln (7c).
Bei verschiedenen Umlenkwinkeln auf dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel verliert man jedoch den Vorteil der optimalen Kompensation der winkelabhängigen Reflexion, was wieder zu einer variierenden Intensität über der Strahlapertur führt und damit zur Verfälschung des Strahlprofils.
Um dieses Problem zu umgehen, wählt man für den ersten und den zweiten Spiegel Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen. Bei einem geeigneten Verhältnis der Brechzahlen, welches vom Verhältnis der Strahl-Umlenkwinkel abhängt, erhält man wieder eine optimale Kompensation der Winkelabhängigkeit.
Eine optimale Kompensation der Winkelabhängigkeit der Reflexion, d. h. eine minimale restliche Variation der Intensität, erhält man dann, wenn die resultierende Intensitätskurve nach den beiden Reflexionen symmetrisch zum Hauptstrahl verläuft, also symmetrisch zum Strahl auf der optischen Achse (vgl. dazu 6). Der resultierende Intensitäts-Verlauf hat also auf der optischen Achse ein Extremum (Minimum oder Maximum). Nun ist es allerdings so, dass bei verschiedenen Brechzahlen für ersten Spiegel und zweiten Spiegel sich unterschiedliche optimale Winkel ergeben, je nachdem, ob man einen unpolarisierten, einen P-polarisierten oder einen S-polarisierten Strahl betrachtet. Für einen unpolarisierten Strahl ergibt sich näherungsweise folgender Zusammenhang für die optimalen Einfallswinkel: α₂/α₁ ≈ (n₂/n₁)^1/2 [Formel 1]
Erläuterung der Formelsymbole:

α₁: Einfallswinkel auf erstem Spiegel, bezogen auf die optische Achse (= halber Umlenkwinkel am ersten Spiegel)
α₂: Einfallswinkel auf zweitem Spiegel, bezogen auf die optische Achse (= halber Umlenkwinkel am zweiten Spiegel)
n₁: Brechzahl des ersten Spiegels
n₂: Brechzahl des zweiten Spiegels

Für einen polarisierten Strahl ergeben sich andere optimale Winkel, und zwar abhängig von der Polarisationsrichtung leicht unterschiedliche Winkel. Für einen polarisierten Strahl beliebiger Orientierung ist daher ein mittlerer optimaler Winkel zu verwenden, für diesen gilt näherungsweise: α₂/α₁ ≈ n₂/n₁ [Formel 2]
Somit liegt also bei gegebenen Brechzahlen und gegebenem Einfallswinkel für den ersten Spiegel der optimale Einfallswinkel auf dem zweiten Spiegel in folgendem Bereich: α₁(n₂/n₁)^1/2 ≤ α₂ ≤ α₁(n₂/n₁) [Formel 3]
Hat man keine Information über den Polarisationszustand, d. h. kann dieser beliebig sein als auch der Strahl unpolarisiert sein, so ist es sinnvoll, als Kompromiss etwa ein Winkelverhältnis zu wählen, welches sich als Mittelwert aus Formel 1 und 2 ergibt: α₂/α₁ ≈ [(n₂/n₁)^1/2 + (n₂/n₁)]/2 [Formel 4]
Die 10 und 11 zeigen Varianten der Vorrichtung in erweiterter Form. Der vierte Spiegel dient dazu, die Strahlachse wieder parallel zum Eingangsstrahl auszurichten, und mittels eines Fokussier-Objektivs wird der Strahl auf einen Sensor (z. B. Kamera-Chip) abgebildet. Weitere Komponenten, die zum Betrieb der Vorrichtung sinnvoll sind, aber nicht funktional notwendig sind, wie z. B. Strahl-Absorber hinter dem zweiten und dem dritten Spiegel, oder eine weitere Abschwächung des Strahls vor dem Sensor, sind hier nicht dargestellt.
Geeignete Materialien für die Spiegel sind prinzipiell die gleichen Materialien, die auch sonst für optische Elemente wie Linsen bei höchsten Laserleistungen geeignet sind. Dies sind insbesondere Kristallgläser, welche mit besonders hohem Reinheitsgrad hergestellt werden können und daher eine sehr geringe Absorption aufweisen, beispielsweise Quarzglas, Calciumfluorid, Saphir oder Zinksulfid.
Als Material für den Spiegel 1 bietet sich die Verwendung von Quarzglas an; zum einen hat Quarzglas eine relativ geringe Brechzahl, so dass ein besonders hoher Anteil der Strahlung transmittiert wird und nur ein geringer Anteil ausgekoppelt wird, und zum zweiten besitzt Quarzglas einen äußerst geringen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten, so dass die Störung der Wellenfront des ausgekoppelten Strahls durch thermo-optische Effekte auch bei höchsten Strahlleistungen besonders gering ist.
Die in der 4 bzw. in 9 oder 10 gezeigte Ausführungsform der Erfindung kann mit folgenden Zahlenbeispielen eingesetzt werden. Auf dem ersten Spiegel wird ein Einfallswinkel von 20° verwendet und auf dem zweiten Spiegel ein Einfallswinkel von 30°. Damit ergibt sich, wie in 7c dargestellt, ein günstiger Arbeitsabstand. Als Material für den ersten Spiegel ist Quarzglas (d. h. n₁ = 1,45) gewählt, da dieses Material sehr gut für höchste Laserleistungen geeignet ist und aufgrund der kleinen Brechzahl eine geringe Fresnel-Reflexion von im Mittel ca. 3,5% besitzt. Aus dem vorliegenden Winkel-Verhältnis am zweiten Spiegel und dem ersten Spiegel ergibt sich nach Formel 4 eine optimale Brechzahl für den zweiten Spiegel von n₂ ≈ 2,46. Ein geeignetes Material mit einer in der Nähe liegenden Brechzahl ist Zinksulfid (ZnS) mit einer Brechzahl von 2,29. Die Brechzahlpaarung 2,29/1,45 und ein Einfallswinkel von 20° auf dem ersten Spiegel ergibt nach Formel 3 einen Bereich für den optimalen Einfallswinkel auf dem zweiten Spiegel zwischen 25,1° und 31,6°. Der in dem Ausführungsbeispiel gewählte Winkel von 30° liegt also gut im optimalen Bereich.
Aufgrund der Reflexionen an den ersten beiden Spiegeln beträgt das Verhältnis zwischen S- und P-polarisierter Strahlung 2,4. Dieses Verhältnis muss nach der Kollimation kompensiert werden. Dies erfolgt durch die Reflexion am dritten Spiegel. Eingesetzt werden kann dafür ein Spiegel aus Zinksulfid mit einem Einfallswinkel von 37,8°, oder alternativ ein Spiegel aus Saphir mit einem Einfallswinkel von 33,2°, oder ein Spiegel aus Quarzglas mit einem Einfallswinkel von 30,2°. Wird als dritter Spiegel ein Spiegel aus Zinksulfid mit dem Winkel von 37,8° gewählt, dann resultiert nach den Reflexionen an den drei Spiegeln eine Abschwächung der Leistung des ausgekoppelten Teilstrahls auf etwa 0,07% der Leistung des Eingangsstrahls.
Die effektive Brennweite des Kollimations-Objektivs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 mm bis 500 mm, wenn erster und zweiter Spiegel direkt nacheinander angeordnet sind und kein Relais-Objektiv eingesetzt wird.
Wird ein Relais-Objektiv zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel eingesetzt, dann liegt die Brennweite des Kollimations-Objektivs vorzugsweise in einem Bereich von –50 mm bis –200 mm.
Die effektive Brennweite des Fokussier-Objektivs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 mm bis 1000 mm.
Der durch das Brennweiten-Verhältnis von Fokussier-Objektiv zu Kollimations-Objektivs definierte Abbildungsmaßstab liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10.
Bezugszeichenliste

10: erster teilreflektierender Spiegel
11: unbeschichtete Grenzfläche des ersten Spiegels
12: Antireflex-Beschichtung
15: Strahl-Umlenkwinkel des ersten Spiegels
16: kleinerer Einfallswinkel als auf der optischen Achse
17: größerer Einfallswinkel als auf der optischen Achse
20: zweiter teilreflektierender Spiegel
21: unbeschichtete Grenzfläche des zweiten Spiegels
22: Antireflex-Beschichtung
25: Strahl-Umlenkwinkel des zweiten Spiegels
30: dritter teilreflektierender Spiegel
31: unbeschichtete Grenzfläche des dritten Spiegels
32: Antireflex-Beschichtung
40: vierter Spiegel
50: Kollimations-Objektiv
51: Kollimations-Objektiv in Retrofokus-Bauweise
53: Entstehung einer thermischen Linse durch Absorption der Laserstrahlung
55: Relais-Objektiv
60: Fokussier-Objektiv
70: Strahlfokus, Strahltaille oder Strahlaustrittsebene, sowie zu vermessende Ebene des Strahls
71: divergentes Strahlbündel
72: kollimiertes Strahlbündel
73: ausgekoppelte Teilstrahlung zur weiteren Abbildung auf einen Sensor
74: Hauptanteil des ursprünglichen Strahlbündels
75: transmittierter Rest-Anteil des Strahlbündels
76: Hauptstrahl bzw. Strahl auf der optischen Achse des Strahlbündels
77: einzelner Randstrahl des Strahlbündels
80: Bildebene mit Sensor, z. B. CCD-Kamera
85: Strahlfalle, Absorber oder Strahlleistungs-Messgerät
90: Arbeitsabstand

Claims

Optik zur Strahlvermessung optischer Strahlung, welche sich hinter einer Strahltaille divergent ausbreitet, umfassend jeweils in Strahlrichtung nacheinander angeordnet einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv bestehend aus wenigstens einer optischen Linse, sowie einen dritten teilreflektierenden Spiegel, wobei die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen, dadurch gekennzeichnet, a. dass die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils eine unbeschichtete ebene Grenzfläche aufweisen, an welcher ein kleiner Teil der Strahlung unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird, und b. dass die Reflexionsebene, die an einem Spiegel durch einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannt wird, für den zweiten Spiegel parallel zur Reflexionsebene am ersten Spiegel ist und dass die Reflexionsebene am dritten Spiegel senkrecht angeordnet ist zu den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahltaille und dem ersten teilreflektierenden Spiegel kein optisch abbildendes Element angeordnet ist.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl vor der Reflexion am dritten teilreflektierenden Spiegel durch das Kollimations-Objektiv kollimiert wird.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel α₂ am zweiten Spiegel bezogen auf die optische Achse des Strahls, in einem Bereich liegt, der durch folgende Formel definiert ist: α₁(n₂/n₁)^1/2 ≤ α₂ ≤ α₁(n₂/n₁), wobei α₁ der Einfallswinkel am ersten Spiegel ist, bezogen auf die optische Achse des Strahls, und n₁ und n₂ die Brechzahlen des ersten und des zweiten Spiegels sind.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten teilreflektierenden Spiegel und dem zweiten teilreflektierenden Spiegel ein Relais-Objektiv angeordnet ist.
Optik nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais-Objektiv bezogen auf die Strahltaille einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 aufweist, und wobei der Öffnungswinkel des konvergenten Strahlbündels hinter dem Relais-Objektiv etwa genauso groß ist wie der Öffnungswinkel des divergenten Strahlbündels vor dem Relais-Objektiv.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung dem dritten teilreflektierenden Spiegel nachfolgend ein vierter Spiegel angeordnet ist.
Optik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Spiegel derart angeordnet ist, dass nach der Reflexion die optische Achse des reflektierten Strahls parallel zur optischen Achse des ursprünglichen Strahls angeordnet ist.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem dritten Spiegel oder dem vierten Spiegel ein Fokussier-Objektiv angeordnet ist, welches ein Bild der ursprünglichen Strahltaille in seiner Bildebene erzeugt.
Optik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bildebene des Fokussier-Objektivs ein Sensor angeordnet ist.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem dritten Spiegel Mittel zur Abschwächung des Strahls angeordnet sind, wobei diese ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend teilweise absorbierende Planplatten wie Graugläser, teilweise transmittierende Planplatten, teilweise reflektierende Planplatten, ein Paar hintereinander angeordneter Polarisatoren, deren Polarisationswinkel zueinander eingestellt werden kann.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die vom zweiten und vom dritten Spiegel transmittierten restlichen Strahl-Anteile jeweils von einem Element aufgefangen werden, welches eine absorbierende Oberfläche aufweist und mit Kühlrippen zur Kühlung durch die Umgebungsluft oder Bohrungen, durch die ein Kühlmittel fließt zur Kühlung ausgestattet ist.
Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht zur teilweisen Reflexion der Strahlung genutzten rückwärtigen Flächen von erstem, zweiten und dritten Spiegel mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind.