DE102016009475B4 - Strahlleistungsmessung mit Aufweitung - Google Patents

Abstract

Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls (10), umfassend einen Strahlungssensor (40), eine Aufweitungseinrichtung (30), und eine Halterung (20), wobei der Strahlungssensor (40) eine Empfängerfläche (41) aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (47) ausgebildet ist, welches von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10) abhängig ist, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm zueinander an der Halterung (20) angeordnet sind zur Ausbildung eines propagierenden Laserstrahls (11) zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, das Winkelspektrum des Laserstrahls (10) zu erhöhen und wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array ist, wobei das Linsen-Array oder das Mikro-Linsen-Array mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente umfasst und der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente in einem Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegt, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine Kollimationseinrichtung (36) angeordnet ist, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), und wobei die Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) umschließt.

Description

• GEBIET DER ERFINDUNG
• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls. Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistungsdichte, beispielsweise von fokussierten Laserstrahlen im Bereich des Laserstrahl-Fokus.
• HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Vorrichtungen zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls sind in großer Zahl und mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien bekannt. Eine Möglichkeit zur Messung der Leistung oder Energie eines Laserstrahls ist die Verwendung einer Fotodiode. Beispielhaft wird auf das Patent US 3 687 558 A verwiesen, in dem ein Laser-Leistungs-Energie-Messgerät mit einer Fotodiode und einer elektronischen Schaltung offenbart wird. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere zur Messung geringer Strahlungsleistungen geeignet. Bei höheren Leistungsdichten kann eine Fotodiode rasch in Sättigung geraten oder sogar zerstört werden.
• Bei höheren Strahlleistungen wird daher üblicherweise indirekt gemessen, d.h. der Strahl trifft nicht direkt oder nicht mit seinem ganzen Querschnitt auf den Detektor. Eine Möglichkeit der indirekten Messung besteht darin, den Laserstrahl zunächst abzuschwächen, wie dies beispielsweise in der DE 100 12 536 A1 gezeigt wird. In der dort vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Lichtstrahls ist ein lichtaufnehmendes Fenster und eine Einrichtung zum Streuen und Abschwächen des Lichts vor dem Detektor vorgesehen. Da der Detektor hierbei nur einen kleinen Teil des eingestrahlten Lichts erfasst, muss ein hoher Aufwand getrieben werden, um die Empfindlichkeit des erfassten Wertes von der Lage und dem Winkel des Lichtstrahls auf dem lichtaufnehmenden Fenster gering zu halten. Zudem wird die abgeschwächte Strahlleistung überwiegend in Wärme umgewandelt, was die Genauigkeit beeinträchtigen kann, da die Empfindlichkeit von Halbleiter-Sensoren im Allgemeinen temperaturabhängig ist, zum Beispiel aufgrund des temperaturabhängigen Dunkelstroms.
• Eine Vorrichtung ähnlicher Art offenbart die US 6 072 573 A . Die dort gezeigte Vorrichtung zur Messung der Leistung in einem Laserstrahl beinhaltet einen transmissiven Diffuser zur diffusen Aufweitung eines Laserstrahls sowie einen Lichtdetektor. Der Lichtdetektor empfängt den diffus aufgeweiteten Laserstrahl und erzeugt ein elektrisches Signal, welches von einem Schaltkreis mit Mikroprozessor ausgewertet wird und von einem Display dargestellt wird. Als Diffusor ist eine Anordnung mit einer oder zwei hintereinander angeordneten Platten aus einem brechenden Oxid-Material, beispielsweise aus gepresstem Aluminiumoxid-Pulver, vorgesehen. Nachteilig ist, dass derartige lichtstreuende Diffusoren den Strahl üblicherweise in alle Richtungen streuen, so dass nicht die gesamte Strahlungsleistung vom Detektor erfasst wird. Das gemessene Signal kann somit davon abhängig sein, welcher Anteil insgesamt vom Detektor erfasst werden kann. Bei hoher Strahlleistung kann zudem das in alle Richtungen gestreute Licht das Gehäuse und die Umgebung stark erwärmen.
• Eine weitere übliche Methode zur indirekten Messung ist das Auskoppeln eines kleinen Strahl-Anteils für die Messung. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DE 43 36 589 C1 dargestellt. Dort wird ein Laserleistungsmessgerät offenbart, bei dem ein hoch transmittierender Strahlteiler einen Bruchteil des Laserstrahls zum Sensor hin reflektiert. Problematisch ist hierbei die Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Polarisation und vom Einfallswinkel des Laserstrahls, so dass eine Kalibration und damit eine genaue Messung schwierig sind. Zur Lösung des Problems der Polarisations-Abhängigkeit wird in einer zweiten Ausführungsform der DE 43 36 589 C1 vorgeschlagen, nacheinander zwei Strahlteiler gleicher Spezifikation anzuordnen, wobei die zweite Ablenkung in einer Ebene senkrecht zur ersten Ablenkung erfolgt. Das Problem der Winkelabhängigkeit bleibt jedoch bestehen, weshalb die Vorrichtung nur für kollimierte Strahlung geeignet ist und exakt ausgerichtet werden muss.
• Eine weiterentwickelte Vorrichtung ähnlicher Art mit mehreren Reflexionen in verschiedenen Ebenen zeigt die DE 10 2012 106 779 B4 . In der dort offenbarten Optik für Strahlvermessung werden drei teilreflektierende Spiegel verwendet, um die Polarisationsabhängigkeit und zusätzlich die Winkelabhängigkeit der Reflexion zu kompensieren, so dass eine Messung auch an divergenter Strahlung möglich ist. Die dort offenbarte Vorrichtung ist jedoch in erster Linie für die geometrische Strahlvermessung vorgesehen, d.h. zur Messung von Intensitätsprofilen und zur Bestimmung von Strahlparametern, und weniger geeignet zur Bestimmung der Gesamtleistung eines Strahls.
• Eine Messung der Gesamt-Strahlungsleistung mit Vorrichtungen, bei denen der Strahl stark abgeschwächt wird, ist immer in der Genauigkeit begrenzt. Zum einen ist eine aufwändige Kalibration erforderlich, welche die Messgenauigkeit beschränkt, und zum anderen können bereits kleine Parameter-Abweichungen bei den beteiligten Elementen den Abschwächungsfaktor beeinflussen und wegen des hohen Abschwächungsfaktors zu deutlichen Änderungen der Empfindlichkeit der Messvorrichtung führen.
• Bezüglich der erreichbaren Genauigkeit können daher direkte Messverfahren im Vorteil sein. Hohe Genauigkeiten sind mit kalorimetrischen Verfahren erreichbar, bei denen die auf einen Detektor auftreffende Laserstrahlung im Wesentlichen in Wärme umgesetzt wird und die Temperaturänderungen, die sich ausbildenden Temperaturgradienten, oder die abgeführten Wärmeströme gemessen werden. Damit können prinzipiell auch sehr hohe Leistungen gemessen werden, wenn für eine ausreichende Kühlung des Detektors gesorgt ist. So ist beispielsweise in der DE 10 2014 012 913 A1 eine Energiestrahl-Leistungsmessung offenbart, bei der die Energiestrahlung von einem Absorber aufgefangen wird und der Absorber mittels eines stationären Fluid-Durchflusses gekühlt wird. Aus der Temperaturerhöhung im Kühlfluid im Vergleich zu einer Temperaturerhöhung des Fluides durch elektrische Heizung wird die Strahlleistung bestimmt. Es können damit sehr hohe Leistungen gemessen werden, jedoch muss die Leistung im Absorber verteilt werden, damit keine lokale Überhitzung und eventuelle Beschädigung des Absorbers stattfindet. Eine Messung im Bereich eines Strahlfokus ist daher nicht möglich.
• Ein Beispiel für ein Laserleistungsmessgerät mit einem luftgekühlten Messkopf zeigt das Patent US 5 678 924 A . Der Messkopf enthält eine Auffangscheibe in thermischem Kontakt zu einer Wärmesenke. Bei Bestrahlung der Auffangscheibe bildet sich in der Auffangscheibe ein Temperaturgradient aus, der mit einer Anordnung von Thermoelementen ermittelt wird. Die Messkopf-Anordnung baut aufgrund der Wärmesenke und der Luftkühlung mit Ventilatoren relativ groß auf, so dass eine Anwendung bei begrenzten Platzverhältnissen schwierig ist. Bei einer Anwendung im Bereich eines Strahlfokus kann die Auffangscheibe lokal überhitzen und beschädigt werden.
• Kalorimetrische Messgeräte können wesentlich kompakter gebaut werden, wenn sie nach dem ballistischen Prinzip arbeiten. Auf eine aktive Kühlung wird dabei verzichtet und die Messung wird auf einen kurzen Zeitraum begrenzt. Aus der Temperaturerhöhung des Auffangkörpers bzw. des Absorbers kann die Energie oder die Leistung ermittelt werden. Die DE 102 53 905 A1 und die US 7 077 564 B2 zeigen typische Vertreter einer solchen Messgeräte-Gattung. Da der Strahl dabei direkt auf den Absorber trifft, ist eine Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung nicht im Bereich eines Strahlfokus möglich, da der Absorber durch Überhitzung punktuell beschädigt werden kann.
• Bei der direkten Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung oder hoher Leistungsdichte besteht also grundsätzlich das Problem, dass die Vorrichtung oder der Sensor beschädigt werden kann. Bei praktisch allen bekannten Messgeräten muss deshalb darauf geachtet werden, dass der Laserstrahl auf dem Detektor eine bestimmte Leistungsdichte nicht überschreitet. Dazu muss der Laserstrahl einen gewissen Mindest-Durchmesser aufweisen, dessen Größe u.a. von der Zerstörschwelle des Detektors und von der Leistung des Laserstrahls abhängig ist. Dazu wird das Messgerät üblicherweise im divergenten Strahl in einem ausreichend großen Abstand von einem Strahl-Fokus angeordnet. Dies ist bei Messungen an experimentellen Aufbauten in einem Labor oftmals möglich oder zumindest durch partielle Änderungen im Aufbau erreichbar.
• Eine wichtige Anwendung von Laserleistungs-Messgeräten ist die Einrichtung und regelmäßige Prüfung oder Kontrolle der Leistung oder Energie eines Laserstrahls in Lasermaterialbearbeitungsanlagen. Dabei ist die Leistung oder Energie des Strahls am Bearbeitungsort von Interesse, wo der Strahl meist fokussiert ist und somit besonders hohe Leistungsdichten auftreten. Mit handelsüblichen Messköpfen ist an dieser Stelle daher keine Messung möglich; andere Messpositionen, an denen der Laserstrahl aufgrund seiner Divergenz auf einen ausreichenden Durchmesser angewachsen ist, sind in Lasermaterialbearbeitungsanlagen oftmals nicht zugänglich.
• Es besteht somit Bedarf an einem einfachen, kompakten Laserleistungs-Messgerät, welches die direkte und präzise Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls auch in Bereichen nahe des Strahlfokus ermöglicht.
• KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, welche für direkte und genaue Messungen auch im Fokus-Bereich eines Laserstrahls geeignet sind.
• Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls vorgeschlagen, die einen Strahlungssensor, eine Aufweitungseinrichtung, und eine Halterung beinhaltet. Dabei weist der Strahlungssensor eine Empfängerfläche auf und ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals ausgebildet, welches von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls abhängig ist. Die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor sind mit einem Abstand in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm zueinander an der Halterung angeordnet, so dass der Laserstrahl zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor propagiert. Die Aufweitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, das Winkelspektrum des Laserstrahls zu erhöhen. Dabei ist ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors größer als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Weiterhin umschließt die Empfängerfläche des Strahlungssensors wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls.
• Erfindungsgemäß ist die Aufweitungseinrichtung ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array. Das Linsen-Array oder das Mikro-Linsen-Array umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente. Der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente liegt in einem Bereich von 0,3 mm bis 20 mm.
• In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Halterung ausgebildet als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung und den Strahlungssensor umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung aufweist.
• Der Strahlungssensor kann dazu ausgebildet sein, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen.
• Der Strahlungssensor kann eine großflächige Fotodiode, ein großflächiger Halbleitersensor, ein pyroelektrischer Detektor, ein Thermopile, oder ein Pyrometer sein.
• In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Strahlungssensor einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor. Dabei ist der Temperatursensor mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt.
• Es ist auch eine mögliche Ausführungsform vorgesehen, bei der die Vorrichtung einen Lichtsensor beinhaltet, der zur Erfassung eines geringen Anteils des Laserstrahls oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls ausgebildet ist.
• Erfindungsgemäß ist zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine Kollimationseinrichtung angeordnet.
• Die Kollimationseinrichtung kann eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, oder einen Hohlspiegel umfassen.
• In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine Strahlführungseinrichtung angeordnet sein.
• Die Strahlführungseinrichtung kann ein lichtleitendes Prisma, ein Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel, oder eine Kaleidoskop-artige Spiegelanordnung sein.
• Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Das Winkelspektrum des Laserstrahls wird mittels einer Aufweitungseinrichtung erhöht. Der Laserstrahl propagiert von der Aufweitungseinrichtung zu einem Strahlungssensor mit einer Empfängerfläche, wobei die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor mit einem Abstand in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm zueinander an einer Halterung angeordnet sind. Wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls werden mittels der Empfängerfläche des Strahlungssensors erfasst, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Es wird ein elektrisches Signal mittels des Strahlungssensors in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls erzeugt.
• In dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt das Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls mittels eines Linsenarrays oder eines Mikrolinsenarrays. Dabei umfasst das Linsen-Array oder das Mikrolinsenarray mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente, deren Betrag der Brennweite in einem Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegt.
• In einem möglichen Verfahren wird eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls örtlich variierende Intensität durch den Strahlungssensor als Integralwert erfasst.
• Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Strahlungssensor einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor beinhaltet. Das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls mittels der Empfängerfläche des Strahlungssensors erfolgt dabei durch Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche auftreffenden Laserstrahls mittels des Absorptionskörpers. Das Erzeugen des elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls erfolgt dabei durch den Temperatursensor, der mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt ist.
• In einem weiteren möglichen Verfahren ist vorgesehen, in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine Energie des Laserstrahls aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls zu bestimmen.
• Es kann auch ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein, einen geringen Anteil des Laserstrahls oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls mittels eines Lichtsensors zu erfassen.
• Es ist auch ein mögliches Verfahren vorgesehen, welches die folgenden weiteren Verfahrensschritte beinhaltet. Es wird eine Energie des Laserstrahls aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls bestimmt. Es wird eine Bestrahlungsdauer des Laserstrahls aus dem Verlauf des Signals des Lichtsensors bestimmt. Es wird schließlich eine Leistung des Laserstrahls durch Division von Energie und Bestrahlungsdauer bestimmt.
• Erfindungsgemäß erfolgt das Propagieren des Laserstrahls von der Aufweitungseinrichtung zum Strahlungssensor in zwei Abschnitten. Zwischen den beiden Abschnitten wird das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls verringert mittels einer Kollimationseinrichtung, welche zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor angeordnet ist.
• Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der propagierte Laserstrahl auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors mittels einer Strahlführungseinrichtung zentriert wird, welches zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor angeordnet ist.
• Figurenliste
• Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen mehrere in verschiedenen Figuren gezeigten Merkmale kombiniert sein können. Nicht alle Figuren weisen alle erfindungsgemäßen Merkmale auf. Diese Figuren tragen jedoch zum Verständnis der Erfindung bei oder dienen dazu, Ausgestaltungsdetails der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu verdeutlichen. Es zeigt:
• 1: Eine schematische Darstellung einer ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer Aufweitungseinrichtung und einem Strahlungssensor.
• 2: Eine schematische Darstellung einer zweiten, erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer Aufweitungseinrichtung, einer Kollimationseinrichtung und einem Strahlungssensor.
• 3: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der ersten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform, bei der die Aufweitungseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
• 4: Eine schematische Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform, bei der die Aufweitungseinrichtung als Zerstreuungslinse ausgebildet ist, und die Kollimationseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
• 5: Eine Darstellung eines weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform mit einem Linsenarray als Aufweitungseinrichtung. Der Strahlungssensor ist beispielhaft als Absorptionskörper mit einem Temperatursensor ausgeführt.
• 6: Eine Darstellung eines weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform, mit einem Linsenarray als Aufweitungseinrichtung und mit einem Hohlspiegel als Kollimationsein richtung.
• 7: Eine Darstellung noch eines weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform, mit einem Konvexspiegel als Aufweitungseinrichtung, mit einem Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung, und mit einer als Gehäuse ausgebildeten Halterung.
• 8: Eine Darstellung eines nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels ähnlich der in 7 gezeigten Ausführungsform, wobei hier die Aufweitungseinrichtung als Facettenspiegel ausgebildet ist.
• 9: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als kompaktes Messgerät, bei dem die Halterung als Gehäuse ausgebildet ist und eine elektronische Recheneinheit sowie eine Schnittstelle in das Gehäuse integriert ist.
• 10: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung als kompaktes Messgerät ähnlich der in 9 gezeigten Ausführungsform. Die Kollimationseinrichtung ist hier als Optik mit mehreren Sammellinsen ausgeführt. Die Aufweitungseinrichtung umfasst zur Erhöhung des Winkelspektrums der Strahlung eine lichtstreuende Struktur.
• 11a: Eine schematische Darstellung einer dritten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform mit einer Aufweitungseinrichtung, einer Strahlführungseinrichtung und einem Strahlungssensor.
• 11b: Eine Darstellung einer dritten, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsform wie in 11a, mit einem schräg einfallenden Laserstrahl, der von der Strahlführungseinrichtung auf den zentralen Bereich der Empfängerfläche des Strahlungssensors gelenkt wird.
• 12: Eine Darstellung eines weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der dritten Ausführungsform, bei der die Strahlführungseinrichtung durch Umlenkung von Teilbereichen des propagierenden Laserstrahls das Winkelspektrum der Strahlung verringert.
• 13: Eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Aufweitungseinrichtung gleichzeitig als Strahlführungseinrichtung und als Kollimationseinrichtung ausgebildet ist.
• 14: Eine Darstellung eines weiteren, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlkörpers mit einer konischen Empfängerfläche umfasst.
• 15: Eine Darstellung eines anderen, nicht erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet und ein Teil der Empfängerfläche reflektierend ausgestaltet ist.
• 16: Eine Darstellung noch eines weiteren, nicht erfindungsgemäßen Beispiels der ersten Ausführungsform, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet, und bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist.
• 17: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
• 1 zeigt eine erste, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform in einer schematischen Darstellung. Zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls 10 ist ein Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41 vorgesehen. In einem Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 ist eine Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der Strahlungssensor 40 sind an einer Halterung 20 befestigt. Die Aufweitungseinrichtung 30 erhöht das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 11 mit einem wachsenden Strahlquerschnitt und trifft mit einem Durchmesser 14 auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Empfängerfläche 41 erfasst mindestens 90% des Querschnitts des propagierten Laserstrahls 11. Dabei ist der Durchmesser 14 des Laserstrahls 11 auf der Empfängerfläche 41 größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Ohne die Aufweitungseinrichtung 30 würde der Laserstrahl 16 nicht im Querschnitt anwachsen und würde daher im Bereich des Strahlungssensors 40 einen sehr geringen Durchmesser 17 aufweisen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein elektrisches Signal 47, das von der Energie oder der Leistung des Laserstrahls 10 bzw. des propagierten Laserstrahls 11 abhängig ist.
• In 2 ist eine zweite, erfindungsgemäße Ausführungsform schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente und Merkmale der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich eine Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ebenfalls an der Halterung 20 befestigt. Die Aufweitungseinrichtung 30 und die Kollimationseinrichtung 36 haben einen Abstand 26 zueinander. Die Kollimationseinrichtung 36 und der Strahlungssensor 40 sind mit einem Abstand 27 zueinander angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11. Der Laserstrahl 12 propagiert weiter und trifft die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
• 3 zeigt ein nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ausgeführt als eine Sammellinse mit sehr kurzer Brennweite. Der Laserstrahl 10 wird durch die Sammellinse fokussiert und propagiert nach der Fokussierung mit stark anwachsendem Querschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft mit einem großen Durchmesser 14 auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40.
• 4 zeigt ein nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform. In diesem Beispiel ist die Aufweitungseinrichtung 30 ausgeführt als eine Zerstreuungslinse mit sehr kurzer Brennweite. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse.
• In 5 ist ein weiteres, nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dargestellt. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in der Zeichnung dargestellt, eine konvexe Form aufweisen. Weiterhin zeigt die 5 ein Beispiel für die Ausführung des Strahlungssensors 40. Der Strahlungssensor 40 beinhaltet hier einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Die Empfängerfläche 41 ist eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44 und weist einen möglichst hohen Absorptionsgrad auf. Beim Auftreffen des Laserstrahls 10, 11 wird die Strahlleistung im Wesentlichen in Wärme umgewandelt, so dass die Temperatur des Absorptionskörpers 44 ansteigt. Die Temperatur des Absorptionskörpers 44 wird vom Temperatursensor 46 erfasst. Der Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47.
• Ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 6 gezeigt. Ähnlich wie in 5 ist die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel als Linsenarray ausgeführt. Die zweite Ausführungsform weist außerdem eine Kollimationseinrichtung 36 auf. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel ausgeführt als ein Hohlspiegel.
• Die 7 zeigt ein anderes, nicht von der Erfindung umfasstes Beispiel der zweiten Ausführungsform. Wie in 6 ist die Kollimationseinrichtung 36 als Hohlspiegel ausgeführt. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ein Konvexspiegel. Die Halterung 20 ist ausgebildet als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36 und den Strahlungssensor 40 umschließt. Das Gehäuse weist zur Aufweitungseinrichtung 30 hin eine Öffnung auf, durch die der Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 treffen kann.
• Noch ein weiteres, nicht von der Erfindung umfasstes Beispiel der zweiten Ausführungsform ist in 8 dargestellt. Dieses Beispiel gleicht dem in 7 gezeigten Beispiel bis auf die Aufweitungseinrichtung 30, welche in diesem Beispiel kein Konvexspiegel ist, sondern ein Facettenspiegel. Die Einzelfacetten des Facettenspiegels können eine konvexe Form aufweisen.
• 9 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform als eigenständiges Messgerät. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in 9 angedeutet, eine konkave Form aufweisen. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse. Wie im Ausführungsbeispiel von 5 beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist zur Erfassung der Temperatur des Strahlungssensors 40. Es ist ein zweiter Temperatursensor 48 vorgesehen, der eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 erfasst. Der zweite Temperatursensor 48 kann dazu mit dem Gehäuse thermisch gekoppelt sein. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Bruchteil des auf den Strahlungssensor 40 gerichteten Laserstrahls 10, 11, 12 registriert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtsensor 56 seitlich zwischen der Kollimationseinrichtung 36 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet, so dass wenigstens ein Teil der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 im geometrisch-optischen Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 ist somit in der Lage, Streulicht zu erfassen, welches an der Empfängerfläche 41 zu einem geringen Anteil erzeugt wird. Die Signale des Temperatursensors 46, des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56 werden von einer elektronischen Recheneinheit 60 registriert und verarbeitet. Die von der elektronischen Recheneinheit 60 berechneten Daten wie die Leistung und/oder die Energie des Laserstrahls 10 werden mittels einer Schnittstelle 62 bereitgestellt. Die Halterung 20 ist hier als Gehäuse ausgeführt, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36, den Strahlungssensor 40, den zweiten Temperatursensor 48, den Lichtsensor 56, die elektronische Recheneinheit 60, und die Schnittstelle 62 beinhaltet. Das Gehäuse hat eine Öffnung, durch die der Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 fallen kann.
• In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als eigenständiges Messgerät dargestellt. Im Unterschied zum Beispiel aus 9 hat die Aufweitungseinrichtung 30 in diesem Beispiel eine lichtstreuende Struktur 31 zur Erhöhung des Winkelspektrums des Laserstrahls 10. Die Kollimationseinrichtung 36 ist als eine Optik bestehend aus zwei Sammellinsen 37 ausgeführt.
• Die 11a und 11b zeigen eine dritte, nicht erfindungsgemäße Ausführungsform in einer schematischen Darstellung. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform ist zusätzlich eine Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein Prisma sein, an dessen Seitenflächen Anteile des propagierenden Laserstrahls 11 durch Totalreflexion umgelenkt werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass die Strahlführungseinrichtung 33 ohne Wirkung ist, wenn der Laserstrahl 10 axial ausgerichtet ist, wie in 11a dargestellt. Wenn der Laserstrahl schräg eingestrahlt wird, also der Laserstrahl 10 einen Winkel zur optischen Achse 39 der Vorrichtung aufweist, wie in 11b dargestellt, dann wird ein Teilbereich des propagierenden Laserstrahls 11 in Richtung zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Mittels der Strahlführungseinrichtung 33 wird somit der Laserstrahl 11 auf der Empfängerfläche 41 zentriert. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
• In 12 ist ein weiteres, nicht von der Erfindung umfasstes Beispiel der dritten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass seitliche Bereiche des propagierenden Laserstrahls 11 mit großen Winkeln zur Strahlachse durch Reflexion an den Seitenflächen der Strahlführungseinrichtung 33 umgelenkt werden.
• 13 zeigt eine vierte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. In dieser Ausführungsform integriert die Aufweitungseinrichtung 30 mehrere Funktionen in einem Bauteil. Im gezeigten Beispiel hat die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtstreuende Struktur 31 an der vorderen Fläche bzw. an der Strahleintrittsfläche der Aufweitungseinrichtung 30. Die lichtstreuende Struktur 31 bewirkt die Erhöhung des Winkelspektrums des Laserstrahls 10. Die Seitenflächen der Aufweitungseinrichtung 30 weisen eine Neigung und/oder eine Krümmung auf, so dass die an den Seitenflächen reflektierten Strahlungsanteile des propagierenden Laserstrahls 11 zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt werden und der Winkel der umgelenkten Strahlungsanteile zur Strahlachse verringert wird. Somit erfüllt die Aufweitungseinrichtung 30 in dieser Ausführungsform gleichzeitig die Funktion als Strahlführungseinrichtung und zumindest teilweise als Kollimationseinrichtung. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
• In 14 ist ein weiteres, nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Beispiel beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Der Absorptionskörper 44 ist als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlkegel oder Innenkonus, womit die Empfängerfläche 41 vergrößert wird und der Querschnitt des propagierten Laserstrahls 11 auf eine größere Fläche verteilt wird. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Anteil des an der Empfängerfläche 41 teilweise gestreuten Laserstrahls 11 empfängt. Die Signale vom Temperatursensor 46 und vom Lichtsensor 56 werden in der elektronischen Recheneinheit aufgezeichnet und verarbeitet. Eine Schnittstelle 62 ist vorgesehen zum Austausch von Daten mit einer externen Anzeigeeinheit oder einem externen Gerät.
• 15 zeigt noch ein anderes, nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform. Ähnlich wie in 14 ist der Absorptionskörper 44 als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlzylinder. Ein Teilbereich 42 der Empfängerfläche 41, hier die Grundfläche des Hohlzylinders, ist reflektierend oder teilreflektierend ausgebildet. Dadurch wird die in diesem Bereich auftreffende Strahlung zu den zylindrischen Seitenflächen geleitet. Die Grundfläche des Hohlzylinders ist zu diesem Zweck mit einer flachen Konus-Form versehen. Statt einer Schnittstelle ist in diesem Beispiel eine Anzeigeeinrichtung 64 vorgesehen, mittels der die von der elektronischen Recheneinheit 60 ermittelten Daten angezeigt werden können.
• Ein nicht erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform, welches auch zur kontinuierlichen Messung der Leistung des Laserstrahls 10 geeignet ist, ist in 16 dargestellt. Der Strahlungssensor 40 ist beispielhaft ähnlich aufgebaut wie in dem in 15 gezeigten Beispiel. Zur Abführung der vom Absorptionskörper 44 aufgenommenen Wärme ist eine Kühleinrichtung 70 vorgesehen. Über einen Kühlmittel-Einlass 72 wird ein Kühlmittel 77 in die Kühleinrichtung 70 eingeführt, durchströmt den Absorptionskörper 44 des Strahlungssensors 40, und wird über einen Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Das Kühlmittel 77 wird durch Rohre, Bohrungen oder Kanäle im Absorptionskörper 44 geleitet und nimmt die Wärme des Absorptionskörpers 44 auf. Der mit dem Absorptionskörper 44 gekoppelte Temperatursensor 46 ist bezüglich der Kühlmitteldurchflussrichtung stromabwärts angeordnet, wo das aufgeheizte Kühlmittel den Absorptionskörper 44 verlässt und registriert so die Temperatur des aufgeheizten Kühlmittels. Der zweite Temperatursensor 48 ist stromaufwärts angeordnet, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 geleitet wird, und registriert so die Vorlauf-Temperatur des Kühlmittels 77. Die Durchflussmenge des Kühlmittels 77 kann mittels eines nicht dargestellten Durchflusssensors ermittelt werden. Aus der Differenz der von den Temperatursensoren 46 und 48 gemessenen Temperaturen und der Durchflussmenge wird die Leistung des Laserstrahls 10 bestimmt.
• 17 zeigt ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel für kontinuierliche Messung der zweiten Ausführungsform. Die Kühleinrichtung 70 entspricht dem in der 16 gezeigten Beispiel. Statt eines Hohlraum-Absorbers wie in der 16 ist hier ein einfacher flacher Absorptionskörper 44 vorgesehen. Der Absorptionskörper 44 hat dadurch eine geringe thermische Masse, wodurch die Ansprechzeit der Temperaturänderung, also des Signals vom Temperatursensor 46 verringert wird. Der Temperatursensor 46 des Strahlungssensors 40 ist stromabwärts am Kühlmittel-Ausgang des Absorptionskörpers 44 angeordnet, und der zweite Temperatursensor 48 ist stromaufwärts vor dem Absorptionskörper angeordnet. Zur optimalen Absorption der Strahlung auf der Empfängerfläche 41 ist vor dem Strahlungssensor 40 eine Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, mittels der das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11 verringert wird. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel eine Sammellinse, die den propagierenden Laserstrahl 11 kollimiert, so dass der weiter propagierende Laserstrahl 12 im Wesentlichen ungefähr senkrecht auf die Empfängerfläche 41 trifft. Zur Aufweitung des Laserstrahls 10 ist zuvor das Winkelspektrum des Laserstrahls 10 mittels der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert worden. Die Signale der Temperatursensoren 46 und 48 werden von der elektronischen Recheneinheit 60 aufgezeichnet und verarbeitet. Die berechneten Daten werden mittels einer Schnittstelle 62 an ein externes Gerät übermittelt.
• AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
• Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, ein einfaches Verfahren und eine kompakte Vorrichtung zur direkten und präzisen Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls bereitzustellen, welche eine Messung auch in Bereichen nahe des Strahlfokus ermöglichen.
• Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Halterung 20, eine Aufweitungseinrichtung 30 und einen Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41 beinhaltet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der Strahlungssensor 40 sind mittels der Halterung 20 in einem Abstand 25 zueinander angeordnet. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, einen Laserstrahl 10 aufzufangen. Der Laserstrahl 10 trifft zunächst auf die Aufweitungseinrichtung 30. Der Laserstrahl 10 hat im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 einen Durchmesser 13. Die Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Dabei ist mit dem Begriff Winkelspektrum die Verteilungsbreite der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse gemeint. Nach der Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 10 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40, in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 11 dargestellt, mit einem wachsenden Strahlquerschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Der Laserstrahl 11 hat auf der Empfängerfläche 41 einen Durchmesser 14. Der Durchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 ist größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umschließt mindestens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls 11. Bei einem runden Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11 ist demnach der Durchmesser der Empfängerfläche 41 größer oder mindestens gleich dem 0,95-fachen des Durchmessers 14 des propagierten Laserstrahls 11. Weiterhin ist der propagierte Laserstrahl 11 demnach so auf der Empfängerfläche 41 zentriert, dass höchstens 10% der Querschnittsfläche des Laserstrahls 11 außerhalb der Empfängerfläche 41 liegen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein elektrisches Signal 47, welches von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls 10, 11 abhängig ist. Aus dem elektrischen Signal 47 wird der Leistungs- oder Energie-Wert des Laserstrahls 10, 11 bestimmt.
• Der Laserstrahl 10 kann fokussiert sein und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Bereich des Fokus des Laserstrahls 10 positioniert werden. Der Laserstrahl 10 kann im Bereich des Fokus einen sehr kleinen Durchmesser 17 aufweisen, wenn sich der Laserstrahl 10 ungehindert, also ohne Aufweitungseinrichtung, ausbreitet. Die virtuelle Ausbreitung des Laserstrahls 10 ohne Aufweitungseinrichtung 30 ist beispielsweise in der 1 als gestrichelte Linien mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt. Der Durchmesser 17 im Fokusbereich kann beispielsweise in der Größenordnung von 0,1mm sein und die Leistung des Laserstrahls 10 kann beispielsweise 1 kW betragen. Die Leistungsdichte liegt dann in der Größenordnung von etwa 10 MW/cm². Bei solchen Leistungsdichten werden praktisch alle nicht-transparenten Materialien unmittelbar aufgeschmolzen bzw. durchbohrt. Ein Detektor gleich welcher Art kann solchen Leistungsdichten nicht standhalten. Daher ist im Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 die Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10, das heißt, die Breite der Verteilung der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls 11 zur Strahlachse ist nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 größer. Ein kollimierter Strahl zum Beispiel hat ein Winkelspektrum von fast Null bzw. weit unter 1°. Ein mittels einer Bearbeitungsoptik fokussierter Laserstrahl hat typischerweise ein Winkelspektrum von wenigen Grad. Die Aufweitungseinrichtung 30 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, das Winkelspektrum um +/-5° zu erhöhen, also auf eine Breite der Verteilung von 10°, und der Abstand 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 kann beispielsweise 50 mm betragen. Dann ist der Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche knapp 9 mm groß und die Leistungsdichte bei 1 kW beträgt weniger als 2 kW/cm². Im Vergleich zum obigen Beispiel des Strahls im Fokus-Bereich ohne Erhöhung des Winkelspektrums ist die Leistungsdichte demnach um fast 4 Zehnerpotenzen verringert. Die verringerte Leistungsdichte kann von vielen Detektoren zumindest kurzzeitig ohne Beschädigung verarbeitet werden.
• Es ist vorgesehen, dass der Abstand 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm liegt. Der Abstand 25 kann insbesondere 20 mm bis 100 mm betragen.
• Die Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einem Bereich von +/-1° bis +/-50° liegen. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann insbesondere im Bereich von +/-2° bis +/-30° liegen.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in verschiedener Art ausgestaltet sein. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann durch Brechung, Reflexion, Beugung, oder Streuung erfolgen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass eine Intensitätsverteilung, ein Strahlprofil, oder ein Strahlparameterprodukt des Laserstrahls 10 erhalten bleibt, nur die über den Querschnitt des Strahls integrierte Gesamt-Leistung oder Gesamt-Energie muss im Wesentlichen erhalten bleiben. Allen Ausführungsformen der Aufweitungseinrichtung 30 ist gemeinsam, dass der Laserstrahl 10 die Aufweitungseinrichtung 30 nahezu ohne Abschwächung passiert. Der Absorptionsgrad der Aufweitungseinrichtung 30 liegt unter einem Prozent. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein transmittierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Transmissionsgrad größer 90%, vorzugsweise größer als 99%. Dazu können die Strahl-Eintritts- und Austritt-Flächen der Aufweitungseinrichtung 30 mit einer entspiegelnden Beschichtung versehen sein. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein reflektierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Reflexionsgrad größer als 99%.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einer nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform beispielsweise eine optische Linse sein. Die Brennweite der optischen Linse ist ein Bruchteil des Abstandes 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40. Es ist vorgesehen, dass der Betrag der Brennweite der optischen Linse höchstens 1/3 des Abstandes 25 beträgt. Die optische Linse kann eine Konkav-Linse oder eine Konvex-Linse sein, d.h. eine Zerstreuungslinse oder eine Sammellinse. Der Vorteil einer Zerstreuungslinse besteht darin, dass bei gleichem Brennweiten-Betrag der Linse der Abstand 25 etwas kürzer gewählt werden kann, um einen gleich vergrößerten Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 zu erreichen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Aufweitungseinrichtung 30 als Sammellinse zeigt die 3, während in 4 eine Zerstreuungslinse als Aufweitungseinrichtung 30 dargestellt ist.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 ist ein Linsen-Array oder ein Mikrolinsen-Array, d.h. die Aufweitungseinrichtung 30 umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente. Die Besonderheit bei der Verwendung eines Linsen-Arrays als Aufweitungseinrichtung 30 besteht darin, dass damit eine Erhöhung des Winkelspektrums erzielt werden kann, deren Winkel-Verteilungsbreite nicht vom Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 abhängig ist, wenn die seitlichen Abmessungen der Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays klein genug gewählt werden. Um dies zu erreichen, kann die seitliche Abmessung bzw. die Breite der Einzellinsenelemente kleiner oder höchstens gleich dem Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 gewählt werden. Die Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegen. Der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente liegt im Bereich von 0,3 mm bis 20 mm. Das Verhältnis von Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente zur Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 30 liegen. Die Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays können eine positive oder eine negative Brechkraft haben, d.h. die Flächen der Einzellinsenelemente können konvex oder konkav gewölbt sein. Ausführungsbeispiele für ein konvexes Linsen-Array sind in den 5 und 6 gezeigt, während die Aufweitungseinrichtung 30 in den 9 und 14 bis 17 als konkaves Linsen-Array ausgeführt ist.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen. Die lichtstreuende Struktur 31 streut die Strahlung des Laserstrahls 10 in Vorwärtsrichtung und in einen begrenzten Winkelbereich. Die lichtstreuende Struktur 31 kann beispielsweise als Grenzfläche eines optisch transparenten Materials mit einer Rauigkeit oder Welligkeit ausgeführt sein. An den Unebenheiten der rauen oder welligen Grenzfläche wird die Strahlung durch Brechung in verschiedene Winkel umgelenkt. Die lichtstreuende Struktur 31 kann auch beispielsweise eine Struktur mit örtlich variierender Brechzahl sein.
• Die Vergrößerung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch mittels Beugung erzielt werden. Dazu kann die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtbeugende Struktur aufweisen. Die lichtbeugende Struktur kann zum Beispiel durch lithografische Verfahren auf eine Grenzfläche der Aufweitungseinrichtung 30 aufgebracht sein.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einem nicht von der Erfindung umfassten Beispiel auch ein Hohlspiegel bzw. Konkavspiegel oder ein Konvexspiegel sein. Der Unterschied zur Verwendung einer optischen Linse besteht darin, dass der Strahlweg gefaltet ist. Es ist vorgesehen, dass der Betrag des Krümmungsradius des Konkav- oder Konvexspiegels höchstens 2/3 des Abstandes 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 beträgt. In 7 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Konvexspiegel als Aufweitungseinrichtung 30 dargestellt.
• Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einem nicht von der Erfindung umfassten Beispiel auch ein Facettenspiegel sein. Bei einem Facettenspiegel sind mehrere Einzelfacetten nebeneinander angeordnet. Die Einzelfacetten des Facettenspiegels können konvex oder konkav gewölbt sein. Ähnlich wie bei einem Linsen-Array kann mit einem Facettenspiegel als Aufweitungseinrichtung 30 eine Erhöhung des Winkelspektrums erzielt werden, deren Winkel-Verteilungsbreite nicht vom Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 abhängig ist, wenn die seitlichen Abmessungen der Einzelfacetten des Facettenspiegels klein genug gewählt werden. 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Facettenspiegel als Aufweitungseinrichtung 30 eingesetzt ist.
• Als Strahlungssensor 40 können verschiedene Detektoren eingesetzt werden. Der Strahlungssensor 40 hat eine Empfängerfläche 41. Die Empfängerfläche 41 ist ausreichend groß, so dass der gesamte Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11, 12 oder wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls von der Empfängerfläche 41 erfasst wird. Innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls ist die Intensität der Strahlung üblicherweise ortsabhängig. Viele Laserstrahlen haben eine ungefähr Gaußförmige Intensitätsverteilung. Die Intensitätsverteilung im propagierenden Laserstrahl 11 kann durch die Aufweitungseinrichtung 30 verändert sein. Der Strahlungssensor 40 erfasst den gesamten oder zumindest fast den gesamten Querschnitt des Strahls und erzeugt daher ein Signalwert, der dem Integralwert der Intensitätsverteilung entspricht.
• Der Integralwert der Intensitätsverteilung ist die über die Empfängerfläche aufintegrierte Intensität des Laserstrahls 10, 11, 12. Der Signalwert ist somit von der Gesamt-Leistung oder von der Gesamt-Energie des Laserstrahls abhängig. Der Signalwert wird als elektrisches Signal 47 ausgegeben.
• Der Strahlungssensor 40 kann beispielsweise eine großflächige Fotodiode oder ein großflächiger Halbleitersensor sein. Der Strahlungssensor 40 kann auch ein pyroelektrischer Detektor oder ein Pyrometer sein. Der Strahlungssensor 40 kann auch ein sogenanntes Thermopile sein, d.h. eine mit einer Absorptionsschicht gekoppelte Thermosäule oder Thermokette.
• Der Strahlungssensor 40 kann auch als kalorimetrischer Sensor ausgebildet sein. Dazu umfasst der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46. Der Temperatursensor 46 ist mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt, um die Temperatur des Absorptionskörpers 44 zu erfassen. Die Empfängerfläche 41 ist hierbei eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44. Die Empfängerfläche 41 weist einen hohen Absorptionsgrad auf. Dazu kann die Empfängerfläche schwarz oder absorbierend beschichtet sein. Die Empfängerfläche 41 kann auch eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise ein Rillenmuster. Der auf die Empfängerfläche 41 auftreffende Laserstrahl 10, 11, 12 wird zum größten Teil absorbiert und in Wärme umgesetzt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Absorptionskörpers 44, was vom Temperatursensor 46 registriert wird. Der Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47. Der Strahlungssensor 40 bzw. der Absorptionskörper 44 ist thermisch isoliert an der Halterung 20 bzw. in der als Gehäuse ausgebildeten Halterung 20 befestigt. Dazu sind die Halterungselemente, die mit dem Strahlungssensor 40 bzw. dem Absorptionskörper 44 verbunden sind, beispielsweise aus einem thermisch gering leitfähigen Material gefertigt. Durch die thermisch isolierte Befestigung werden unkontrollierte Wärmeströme vom Absorptionskörper 44 in die Umgebung, die die Genauigkeit der Messung verringern können, reduziert.
• Bei vielen Detektoren ist die Höhe des erzeugten Signals in geringem Maße von der Strahlposition auf dem Detektor und vom Auftreffwinkel des Strahls auf dem Detektor abhängig. Um eine hohe Genauigkeit bei der Messung zu erreichen, ist deshalb darauf zu achten, dass der Strahl möglichst axialsymmetrisch oder zentral auf dem Detektor auftrifft, und dass der Einfallswinkel möglichst wenig vom senkrechten Einfall abweicht.
• Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist daher zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 eine Kollimationseinrichtung 36 angeordnet, wie in 2 schematisch dargestellt. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in einem Abstand 26 zur Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls 11, welches zuvor von der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert wurde. Dadurch wird erreicht, dass die Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse nach Passieren der Kollimationseinrichtung 36 möglichst klein sind. Der nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierende Laserstrahl, der wie in der 2 gezeigt in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist, behält also seinen Querschnitt bzw. Durchmesser ungefähr bei, das heißt, der Durchmesser des Laserstrahls 11 im Bereich der Kollimationseinrichtung 36 ist ungefähr gleich dem Durchmesser 14 des Laserstrahls 11, 12 auf der Empfängerfläche 41. Die Teilstrahlen des nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierenden Laserstrahls 12 treffen also annähernd senkrecht auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40.
• Die Kollimationseinrichtung 36 kann beispielsweise eine Sammellinse bzw. Konvexlinse, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, oder ein Hohlspiegel sein. Die Kollimationseinrichtung hat eine positive Brennweite f_K . In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36 größer oder gleich dem Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36 sein, also: $${\text{f}}_{\text{K}}\ge {\text{d}}_{\text{AK}}$$

  
• Dabei ist f_K die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36, und d_AK ist der Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36. Zu beachten ist dabei, dass der Abstand d_AK 26 definiert ist von der Aufweitungseinrichtung 30 zur Hauptebene (bzw. Hauptfläche) der Kollimationseinrichtung 36.
• Weiterhin kann die Brennweite f_K der Kollimationseinrichtung 36 kleiner oder gleich dem folgenden Wert sein: $${\text{f}}_{\text{K}}\le {\text{d}}_{\text{AK}}{\varnothing }_{\text{SE}}\text{/}\left({\varnothing }_{\text{SE}}-{\varnothing }_{\text{SA}}\right)$$

  
• Dabei ist Ø_SA der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30, und Ø_SE ist der Durchmesser des Laserstrahls 11, 12 auf der Empfängerfläche 41 bzw. im Bereich der Kollimationseinrichtung 36.
• Die 4 und 9 zeigen Beispiele mit einer Sammellinse als Kollimationseinrichtung 36. In 10 ist eine Optik bestehend aus zwei Sammellinsen 37 als Kollimationseinrichtung 36 dargestellt. Die 6, 7 und 8 zeigen Beispiel für einen Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung 36.
• In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist eine Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Mittels der Strahlführungseinrichtung 33 kann die Auftreff-Position des Strahlflecks auf der Empfängerfläche 41 optimiert werden, indem die Strahlführungseinrichtung 33 den Laserstrahl 11 innerhalb eines gewünschten Querschnitts hält.
• Die Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise als lichtleitendes Prisma, also als Prisma aus einem transparenten Material ausgebildet sein. Das Prisma hat eine Strahl-Eintrittsfläche, eine Strahl-Austrittsfläche, und Seitenflächen. An den Seitenflächen des Prismas werden Teilstrahlen des Laserstrahls 11, die einen sehr großen Winkel zur Achse haben, reflektiert und so in Richtung auf den zentralen Bereich des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Die Reflexion an den Seitenflächen des Prismas kann durch Totalreflexion erfolgen. Die Seitenflächen des Prismas können auch verspiegelt sein. Die Strahlführungseinrichtung 33 kann auch eine Kaleidoskop-ähnliche Anordnung von Spiegeln sein. Die 11a, 11 b und 12 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einer Strahlführungseinrichtung 33. Die Form der Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein zylindrischer oder konischer Stab, oder ein Stab mit einer dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen oder achteckigen Querschnittsfläche sein. Die Seitenflächen können zur Achse geneigt sein, das heißt, der Querschnitt der Strahl-Austrittsfläche kann größer sein als der Querschnitt der Strahl-Eintrittsfläche. Durch die Neigung der Seitenflächen wird der Winkel zur Achse von Teilstrahlen des Laserstrahls 11 reduziert, die an den Seitenflächen reflektiert werden. Damit kann die Strahlführungseinrichtung 33 eine Reduktion des Winkelspektrums des Laserstrahls 11 bewirken ähnlich wie die Kollimationseinrichtung 36. Die Reduktion des Winkelspektrums durch die Strahlführungseinrichtung kann optimiert werden, indem die Seitenflächen geneigt sind und zusätzlich eine Krümmung aufweisen, wie dies beispielhaft in 13 gezeigt ist.
• In 13 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Aufweitungseinrichtung 30 und die Strahlführungseinrichtung 33 in ein Bauteil integriert sind. Dazu kann die Eintrittsfläche der Strahlführungseinrichtung 33 als Aufweitungseinrichtung 30 ausgebildet sein. Die Eintrittsfläche kann beispielsweise konkav gekrümmt sein, eine Oberfläche mit als Array angeordneten Linsen-Facetten haben, oder eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen.
• Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf:
• - Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls ohne Strahl-Abschwächung und kann dadurch eine hohe Genauigkeit erreichen.
• - Die Leistungs- und/oder Energie-Dichte der Strahlung auf dem Strahlungssensor ist wesentlich reduziert.
• - Die Erfindung ermöglicht Messungen im Fokus-Bereich eines fokussierten Laserstrahls und hat dadurch einen wesentlich größeren Anwendungsbereich als konventionelle Messgeräte, weil konventionelle Messgeräte weit außerhalb des Fokus-Bereichs positioniert werden müssen, um Beschädigungen des Detektors zu vermeiden.
• - Der Auftreffwinkel der Strahlung auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel des Laserstrahls annähernd konstant und nahe am senkrechten Einfall gehalten werden, wodurch besonders genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht werden.
• - Die Auftreffposition des Strahlquerschnitts auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel und von der Eintrittsposition des Laserstrahls in einem engen Bereich und nahe am Zentrum des Strahlungssensors gehalten werden, wodurch Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen weiter gesteigert werden können.
• - Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr kompakt aufgebaut werden.
• Die Erfindung kann entsprechend der weiter aufgeführten Ausführungsformen und den weiteren aufgeführten Merkmalen auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Durch unterschiedliche Kombinationen der beschriebenen Merkmale sind weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, auch wenn nicht jede mögliche Ausführungsform beschrieben oder in Figuren dargestellt ist.
• Bei einer Ausführung des Strahlungssensors 40 als kalorimetrischer Sensor kann der Absorptionskörper 44 auf verschiedenste Art ausgebildet sein. Der Absorptionskörper kann beispielsweise ein Hohlraum-Absorber sein. Der Hohlraum kann unterschiedlich geformt sein. Der Absorptionskörper 44 kann konisch oder kegelförmig gestaltet sein, wie in 14 dargestellt. Der Absorptionskörper 44 kann auch eine konkav gewölbte Empfängerfläche aufweisen.
• Der Absorptionskörper 44 kann auch ein einseitig geöffneter Hohlzylinder sein, wie in den 15 und 16 gezeigt. Es kann dabei vorgesehen sein, die Strahlung hauptsächlich an den zylindrischen Innenflächen eines Hohlzylinders zu absorbieren. Dazu kann ein Teilbereich 42 der Empfängerfläche 41 reflektierend ausgebildet sein. Der reflektierende Teilbereich 42 kann im Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des Hohlzylinders sein. Der Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des Hohlzylinders kann die Form eines flachen Kegels aufweisen, um die dort auftreffende Strahlung zur zylindrischen Innenfläche zu reflektieren.
• Der als kalorimetrischer Sensor ausgeführte Strahlungssensor 40 kann auch mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet sein. Bei der Kühleinrichtung 70 wird ein Kühlmittel 77 durch einen Kühlmittel-Einlass 72 zugeführt und durch einen Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Zwischen Kühlmittel-Einlass 72 und Kühlmittel-Auslass 74 wird das Kühlmittel 77 durch ein System aus Rohren, Bohrungen, Kanälen oder sonstigen Hohlräumen geleitet, welche zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Absorptionskörper 44 stehen, oder durch den Absorptionskörper 44 führen. Das Kühlmittel 77 nimmt somit die Wärme des Absorptionskörpers 44 auf und führt sie ab. Der Temperatursensor 46 ist angeordnet an einer Stelle, an der das Kühlmittel 77 aus dem Absorptionskörper 44 ausgeleitet wird, und registriert somit die Temperatur des aufgewärmten Kühlmittels.
• Die Erfindung kann weiterhin einen zweiten Temperatursensor 48 beinhalten. Der zweite Temperatursensor 48 ist in der Umgebung des Strahlungssensors 40 angeordnet und ist nicht mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 bzw. des Absorptionskörpers 44. Der zweite Temperatursensor 48 kann dazu an der Halterung 20 bzw. an der oder in der als Gehäuse ausgeführten Halterung 20 befestigt sein, wie in der 9 dargestellt. Durch Erfassung der zweiten Temperatur kann die Temperaturerhöhung des Absorptionskörpers 44, aus der die Leistung oder die Energie des Laserstrahls berechnet wird, genauer bestimmt werden. Außerdem kann durch Erfassung der zweiten Temperatur die Größe der unkontrollierten Wärmeströme des Absorptionskörpers 44 in die Umgebung abgeschätzt werden und damit die Genauigkeit der Berechnung der Leistung oder der Energie des Laserstrahls verbessert werden.
• Wenn der Strahlungssensor 40 mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet ist, dann kann der zweite Temperatursensor 48 an einer Stelle in der Kühlmittelzuführung angeordnet sein, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 eingeleitet wird. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit die Basistemperatur bzw. Vorlauftemperatur des Kühlmittels 77. Aus der Temperaturdifferenz von Temperatursensor 46 und zweitem Temperatursensor 48 kann somit die abgeführte Wärme und damit die Leistung des Laserstrahls 10, 11, 12 bestimmt werden. Entsprechende Ausführungsbeispiele zeigen die 16 und 17.
• Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit einem Lichtsensor 56 ausgestattet sein. Der Lichtsensor 56 ist ausgebildet zur Erfassung eines geringen, aus dem Laserstrahl 10, 11, 12 gebildeten Strahlungs-Anteils. Bei dem geringen Strahlungs-Anteil kann es sich beispielsweise um Streulicht 19 handeln, das zu einem kleinen Anteil an der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 erzeugt wird, wenn der Laserstrahl 10, 11, 12 auf die Empfängerfläche 41 trifft. Der Lichtsensor 56 kann so angeordnet sein, dass die Empfängerfläche 41 wenigstens teilweise im geometrisch-optischen Licht-Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 kann dazu beispielsweise an der Halterung 20 oder im Gehäuse im Bereich zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 befestigt sein.
• Das Signal des Lichtsensors 56 ist näherungsweise proportional zur Leistung des eingestrahlten Laserstrahls 10. Als Lichtsensor 56 kann beispielsweise eine Fotodiode verwendet werden. Eine Fotodiode hat eine sehr kurze Signal-Anstiegszeit und liefert somit Signale mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung. Anhand des Signals des Lichtsensors 56 können der Beginn und das Ende eines Pulses oder eines Bestrahlungszeitraumes des Laserstrahls 10 sehr genau registriert werden. Damit kann die Leistung des Laserstrahls 10 mit noch höherer Genauigkeit bestimmt werden.
• Die Vorrichtung kann mit einer elektronischen Recheneinheit 60 ausgestattet sein. Die elektronische Recheneinheit 60 verarbeitet das elektrische Signal 47 des Strahlungssensors 40. Die elektronische Recheneinheit kann gegebenenfalls auch die Signale des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56 verarbeiten, wenn diese vorgesehen sind. Die Verarbeitung der Signale kann beispielsweise die A/D-Wandlung und Speicherung der Signale und/oder die Berechnung der Leistung bzw. der Energie des Laserstrahls 10 einschließen.
• Die Vorrichtung kann weiterhin mit einer Anzeigeeinrichtung 64 ausgestattet sein. Mittels der Anzeigeeinrichtung können die berechneten Daten, also die Leistung oder die Energie des Laserstrahls 10 angezeigt werden.
• Die Vorrichtung kann auch mit einer Schnittstelle 62 ausgestattet sein. Mittels der Schnittstelle 62 können die berechneten Daten, also beispielsweise die Leistung oder die Energie des Laserstrahls, oder die aufgezeichneten Signale an ein externes Gerät übermittelt werden. Über die Schnittstelle 62 können auch Steuerbefehle zwischen der Vorrichtung und einem externen Gerät ausgetauscht werden. Die Schnittstelle 62 kann eine elektrische Schnittstelle mit einem Steckverbinder sein, wie beispielsweise eine USB-Schnittstelle. Die Schnittstelle 62 kann auch eine drahtlose Schnittstelle sein, die eine Datenübertragung mittels Funksignale ermöglicht, zum Beispiel eine sogenannte Bluetooth-Schnittstelle.
• Bezugszeichenliste

10

Laserstrahl

11

propagierender Laserstrahl mit erhöhtem Winkelspektrum

12

propagierender Laserstrahl mit verringertem Winkelspektrum

13

Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung

14

Durchmesser des Laserstrahls auf der Empfängerfläche

16

virtueller Verlauf des Laserstrahls ohne Aufweitungseinrichtung

17

Durchmesser des virtuellen Laserstrahls ohne Aufweitungseinrichtung

19

Streulicht

20

Halterung

25

Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und Strahlungssensor

26

Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und Kollimationseinrichtung

27

Abstand zwischen Kollimationseinrichtung und Strahlungssensor

30

Aufweitungseinrichtung

31

lichtstreuende Struktur

33

Strahlführungseinrichtung

36

Kollimationseinrichtung

37

Sammellinse

39

Optische Achse von Aufweitungseinrichtung und Strahlungssensor

40

Strahlungssensor

41

Empfängerfläche

42

Teil der Empfängerfläche

44

Absorptionskörper

46

Temperatursensor

47

elektrisches Signal

48

zweiter Temperatursensor

56

Lichtsensor

60

elektronische Recheneinheit

62

Schnittstelle

64

Anzeigeeinrichtung

70

Kühleinrichtung

72

Kühlmittel-Einlass

74

Kühlmittel-Auslass

77

Kühlmittel

Claims (16)

1. Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls (10), umfassend einen Strahlungssensor (40), eine Aufweitungseinrichtung (30), und eine Halterung (20), wobei der Strahlungssensor (40) eine Empfängerfläche (41) aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (47) ausgebildet ist, welches von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10) abhängig ist, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm zueinander an der Halterung (20) angeordnet sind zur Ausbildung eines propagierenden Laserstrahls (11) zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, das Winkelspektrum des Laserstrahls (10) zu erhöhen und wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array ist, wobei das Linsen-Array oder das Mikro-Linsen-Array mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente umfasst und der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente in einem Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegt, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine Kollimationseinrichtung (36) angeordnet ist, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), und wobei die Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) umschließt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halterung (20) ausgebildet ist als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung (30) und den Strahlungssensor (40) umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung (30) aufweist.
3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Strahlungssensor (40) dazu ausgebildet ist, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlungssensor (40) eine großflächige Fotodiode, ein großflächiger Halbleitersensor, ein pyroelektrischer Detektor, ein Thermopile, oder ein Pyrometer ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, und wobei der Temperatursensor (46) mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassend einen Lichtsensor (56), der ausgebildet ist, einen geringen Anteil des Laserstrahls (10, 11, 12) oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls (10, 11, 12) zu erfassen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, wobei die Kollimationseinrichtung (36) eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse oder einen Hohlspiegel umfasst.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine Strahlführungseinrichtung (33) angeordnet ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei die Strahlführungseinrichtung (33) ein lichtleitendes Prisma, ein Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel oder eine Kaleidoskop-artige Spiegelanordnung ist.
10. Verfahren zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls (10), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls (10) mittels einer Aufweitungseinrichtung (30), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array ist, wobei das Linsen-Array oder das Mikro-Linsen-Array mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente umfasst und der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente in einem Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegt, - Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zu einem Strahlungssensor (40) mit einer Empfängerfläche (41), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm zueinander an einer Halterung (20) angeordnet sind, wobei das Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zum Strahlungssensor (40) in zwei Abschnitten erfolgt und zwischen den beiden Abschnitten das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls (11) verringert wird mittels einer Kollimationseinrichtung (36), welche zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) angeordnet ist, - Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) mittels der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40), wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), - Erzeugen eines elektrischen Signals (47) mittels des Strahlungssensors (40) in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10).
11. Verfahren nach Anspruch 10, wobei eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität durch den Strahlungssensor (40) als Integralwert erfasst wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 oder 11, wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, wobei das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls (11, 12) mittels der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) erfolgt durch Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche (41) auftreffenden Laserstrahls (11, 12) mittels des Absorptionskörpers (44), und wobei das Erzeugen des elektrischen Signals (47) in Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls (10) durch den Temperatursensor (46) erfolgt, der mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist.
13. Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Bestimmen einer Energie des Laserstrahls (10) aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10).
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Erfassen eines geringen Anteils des Laserstrahls (10, 11, 12) oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls (10, 11, 12) mittels eines Lichtsensors (56).
15. Verfahren nach den Ansprüchen 12 und 14, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte: - Bestimmen einer Energie des Laserstrahls (10) aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10), - Bestimmen einer Bestrahlungsdauer des Laserstrahls (10) aus dem Verlauf des Signals des Lichtsensors (56), - Bestimmen einer Leistung des Laserstrahls (10) durch Division von Energie und Bestrahlungsdauer.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 15, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Zentrieren des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) mittels einer Strahlführungseinrichtung (33), welche zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) angeordnet ist.

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