DE10355866B3

DE10355866B3 - Optische Anordnung zur Gewinnung eines Messsignals für die Leistungsmessung bei Lasern

Info

Publication number: DE10355866B3
Application number: DE10355866A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Heist; Uwe Kutschki
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2003-11-27
Filing date: 2003-11-27
Publication date: 2005-04-14
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: US20060007432A1

Abstract

Bei einer optischen Anordnung zur Gewinnung eines Messsignals für die Leistungsmessung bei Lasern besteht die Aufgabe, die von der Laserstrahlung induzierten Kontaminationen der optisch wirksamen Oberflächen mit vergleichsweise einfachen Mitteln zuverlässig zu verhindern, so dass die optischen Eigenschaften der Oberflächen, insbesondere der Reflexionskoeffizient, über einen längeren Zeitraum als bisher unverändert bleiben. DOLLAR A Ein auf der Laserstrahlachse angeordneter Strahlteiler, der durch Reflexion einen Bruchteil der Laserstrahlung auf einen Sensor richtet, weist für die Reflexion optisch wirksame Oberflächen auf, die gegenüberliegend einen kontaminationsfreien, hermetisch abgeschlossenen Innenraum begrenzen, der für die Wellenlänge der Laserstrahlung hochtransmissiv ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung zur Gewinnung eines Messsignals für die Leistungsmessung bei Lasern mit einem auf der Laserstrahlachse angeordneten Strahlteiler, der durch Reflexbildung an optisch wirksamen Oberflächen einen Bruchteil der Laserstrahlung auf einen Sensor richtet.

Wichtige Kenngrößen sind bei kontinuierlich emittierenden Lasern und bei hochrepetierend gepulsten Lasern mit Repetitionsraten der Pulse im kHz-Bereich und höher (quasi-kontinuierlich oder q-cw) die Leistung bzw. die mittlere Leistung der Laserstrahlung und bei gepulsten Lasern mit geringerer Repetitionsrate üblicherweise die Pulsenergie.

Das Bestreben bei der Konzipierung von Lasern ist häufig darauf gerichtet, diese Kenngrößen im Laser selbst zu messen, zumal die Messwerte zur Regelung und Stabilisierung der Laserleistung bzw. Laserpulsenergie genutzt werden können.

Dabei soll ein im Laser zu integrierender Leistungsmonitor nur einen geringen Teil der erzeugten Laserleistung als Messsignal verwenden, um nicht unnötig die Leistung der nutzbaren, den Laser verlassenden Strahlung zu beschränken und er soll über lange Zeiträume hinweg exakt messen.

Zur Erfüllung der ersten Forderung werden üblicherweise optische Strahlenteiler in den Strahlengang gestellt, die einen Bruchteil (typischerweise wenige Prozent oder darunter) der erzeugten Laserstrahlung durch Transmission oder Reflexion als Messsignal abtrennen.

Soll das Messsignal durch Transmission erzeugt werden, bieten sich Spiegel aus einem dielektrischen Schichtensystem an. Während die Nutzstrahlung hoher Leistung reflektiert wird, durchdringt der zu messende Strahlungsbruchteil kleiner Leistung das Mehrfachschichtensystem.

Eine Leistungsmessung auf diesem Funktionsprinzip ist hinsichtlich Langzeitstabilität von Nachteil. Zwar hängen die optischen Eigenschaften des Schichtensystems nur geringfügig von äußeren Faktoren wie Luftfeuchtigkeit, Temperatur, Leistung der auftreffenden Strahlung ab, wodurch im hohen reflektierten Strahlungsanteil keine signifikanten Auswirkungen resultieren, doch führen diese geringfügigen Änderungen bei dem zu messenden Strahlungsbruchteil zu erheblichen Schwankungen. Das hat besonders negative Auswirkungen, wenn das Messsignal zur Stabilisierung der nutzbaren Laserleistung benutzt wird.

Die DE 40 09 826 C2 beschreibt eine Messvorrichtung für die Energie gepulster Laserstrahlung, bei der ein Messstrahl unter Vakuumbedingungen durch Reflexion vom Laserstrahl abgezweigt und in eine Vakuumkammer gerichtet wird, in der ein pyroelektrischer Detektor gefedert aufgehängt ist.

Ein aus der DE 43 36 589 C1 bekanntes Messgerät mit einem Sensor und einer elektronischen Auswerte- und Anzeigeeinrichtung sieht zur Laserleistungsmessung einen von Blenden mit Strahlein- oder Austrittsöffnungen abgeschirmten, für die Laserwellenlänge hoch transmittierenden Strahlteiler vor, von dessen Strahlteilerflächen zwei Strahlen als Bruchteil der Laserstrahlung zum Sensor reflektiert werden.

Auch mit dieser technischen Lösung kann nicht immer die zweite Forderung erfüllt werden, insbesondere dann nicht, wenn laserinduzierte Veränderungen des Reflexionsfaktors am Strahlteiler als Hauptproblem für eine langzeitstabile Leistungsmessung auftreten.

Der damit verbundene Nachteil resultiert aus der Forderung, dass das von dem Sensor aufgenommene Messsignal S proportional der vom Laser emittierten nutzbaren Leistung P, mit S = k·P sein soll. Eine Kalibrierung des Proportionalitätsfaktors k durch Messung der externen Leistung P mit einem kalibrierten Leistungsmesser erfolgt üblicherweise beim Laserhersteller. Jede weitere Kalibrierung oder Überprüfung der Kalibrierung kann mit erhöhtem Aufwand verbunden sein, weil der Laser häufig in Applikationen eingesetzt wird, bei denen der Zugang für eine externe Leistungsmessung aufgrund von Strahlführungsoptiken oder anderweitigen Bauteilen (z. B. Kapselung des Strahls) erschwert oder aufgrund von Fertigungsabläufen unerwünscht ist.

Deshalb soll der einmal ermittelte Proportionalitätsfaktor k über möglichst lange Zeiträume der Lebensdauer des Lasers unverändert bleiben; Rekalibrierintervalle sollen also möglichst groß sein.

Besonders im ultravioletten (UV-) Spektralbereich treten durch die von der Laserstrahlung selbst induzierte Bildung und Ablagerung von Mikropartikeln auf den optischen Oberflächen Veränderungen des Transmissions- oder Reflexionskoeffizienten als Hauptproblem für eine langzeitstabile Leistungsmessung auf.

Als Gründe werden in der US 2003/0007537 Verunreinigungen in der Umgebung der optischen Bauelemente angesehen, die meist in gasförmiger Phase vorliegen und oftmals organischer Natur sind. Ihr Ursprung kann vielfältig sein, wie z. B. durch Ausgasen von Materialien, wie O-Ring-Dichtungen, Klebstoffe, Kabelisolationen oder andere Quellen. Die Verunreinigungen treten selbst dann auf, wenn das Laserinnere hermetisch gegenüber der äußeren Umgebung abgeschlossen ist.

Der Vorschlag, zur Verringerung von Verunreinigungen der in einem abgeschlossenen Gehäuse in einer Gasatmosphäre untergebrachten optischen Komponenten eines Lasers, Gas aus der Atmosphäre abzuleiten und in mehreren Schritten nacheinander durch geeignete Partikel- und Aktivkohlefilter zu schicken, ist nicht zufriedenstellend aufgrund des hohen Aufwandes, zumal das Verfahren eine ständige Überwachung des Sättigungsgrades der eingesetzten Filter erfordert.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die eingangs genannte Anordnung so zu verbessern, dass die von der Laserstrahlung induzierten Kontaminationen der optisch wirksamen Oberflächen mit vergleichsweise einfachen Mitteln zuverlässig verhindert werden, so dass die optischen Eigenschaften der Oberflächen, insbesondere der Reflexionskoeffizient, über einen längeren Zeitraum als bisher unverändert bleiben.

Gemäß der Erfindung wird die Aufgabe bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die für die Reflexion optisch wirksamen Oberflächen gegenüberliegend einen kontaminationsfreien, hermetisch abgeschlossenen Innenraum begrenzen, der für die Wellenlänge der Laserstrahlung hochtransmissiv ist.

Dabei ist in einer bevorzugten Ausgestaltungsvariante der Erfindung vorgesehen, dass der kontaminationsfreie, hermetisch abgeschlossene Innenraum gegenüberliegend ein Strahlein- und ein Strahlaustrittsfenster als Raumbegrenzungen aufweist, deren einander zugewandte Fensterflächen die optisch wirksamen Oberflächen bilden.

Durch den Aufbau eines abgeschlossenen kontaminationsfreien Mikrovolumens, das die optisch wirksamen Oberflächen gleichbleibend und hocheffektiv vor Partikelablagerungen schützt, kann im Laser ein Leistungsmonitor integriert werden, der die für die Nutzung vorgesehene Laserleistung nicht nur in geringem Maße reduziert, sondern auch eine lange Lebensdauer aufweist, da sich die auf das schwache Messsignal besonders auswirkenden Ursachen von Schwankungen des Reflexionskoeffizienten am Entstehen gehindert sind.

Anders als bei der Unterbringung aller optischen Komponenten eines Lasers in einem gemeinsamen Gehäuse lassen sich beim Aufbau des Mikrovolumens Fügetechniken der Optikmontagetechnologie anwenden, welche die Quellen der Kontaminationen vermeiden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind den Unteransprüchen zu entnehmen.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine optische Anordnung zur Bildung eines Messsignals für die Leistungsmessung bei einem Laserstrahl
2 ein als Strahlteiler für die optische Anordnung gemäß 1 dienendes optisches Bauelement mit eingeschlossenem kontaminationsfreien Mikrovolumen zur Bildung eines Messsignals
Die in 1 dargestellte optische Anordnung enthält einen auf der Laserstrahlachse X-X angeordneten Strahlteiler 1, von dem ein Bruchteil der Laserstrahlungsleistung als Messsignal auf einen, z. B. als Fotodiode ausgebildeten Sensor 2 samt nicht dargestellter Auswerteelektronik gerichtet wird, während die übrige Laserstrahlungsleistung fast vollständig als Nutzleistung P zur Verfügung gestellt bleibt. Zur Veranschaulichung ist nur der von der vorderen Fläche des Strahlteilers 1 ausgehende, das Messsignal bildende Reflex P' dargestellt. Zwischen dem Strahlteiler 1 und dem Sensor 2 können strahldurchmischende und/oder abschwächende optische Bauelemente, wie z. B. Streuscheiben oder Filter angeordnet sein, was durch ein dargestelltes Bauelement 3 symbolisiert sein soll.
Für diese Anordnung gilt P' = r·P, wobei für den Reflexionskoeffizienten r<<1 gilt, so dass P'<<P.
Ein als Strahlteiler 1 für die erfindungsgemäße Anordnung vorgesehenes optisches Bauelement weist zur Gewinnung eines Messsignals in Form eines Reflexes gemäß 2 sich gegenüberliegende, optisch wirksame Oberflächen 4 und 5 auf, die einen kontaminationsfreien, hermetisch abgeschlossenen Innenraum I begrenzen, der für die Laserwellenlänge hochtransmissiv ist.
Konstruktiv bilden die optisch wirksamen Oberflächen 4 und 5 einander zugewandte Fensterflächen eines Strahlein- und eines Strahlaustrittsfensters 6 und 7. Die beiden Fenster 6 und 7 schließen zusammen mit einem Paar von gegenüberliegenden Wänden 8 und 9 den Innenraum I ein, wobei die verwendeten Abdichtmittel keine Quellen von Ausgasungen bilden. In Betracht hierfür kommen bekannte Fügetechniken aus der Optikmontagetechnologie, wie z. B. Ansprengen oder Diffusionsschweißen. Der Innenraum I ist zur Gewährleistung einer kontaminationsfreien Atmosphäre vorzugsweise mit einem hochreinen inerten Gas, z. B. ein Edelgas gefüllt oder aber er ist evakuiert.
Laserstrahlung ist in der Regel linear polarisiert, so dass die optisch wirksamen Oberflächen 4 und 5 zur Erzeugung des Reflexes für das Messsignal nicht mit einer speziellen dielektrischen Beschichtung versehen werden müssen. Aus einer Degradation der Beschichtung resultierende Änderungen des Reflexionskoeffizienten r können dadurch zwar vermieden werden, doch hat die Praxis gezeigt, dass selbst der Ausschluss von Veränderungen in dielektrischen Schichtsystemen sowie eine Konstanz von Brechzahl und Einfallswinkel Veränderungen des Reflexionskoeffizienten r nicht ausschließen können. Deshalb wird erfindungsgemäß der Aufbau eines abgeschlossenen kontaminationsfreien Mikrovolumens vorgeschlagen, welches die optisch wirksamen Oberflächen 4 und 5 vor Verunreinigungen schützt.
Die Laserstrahlung L tritt durch das Strahleintrittsfenster 6 ein und verlässt das optische Bauelement durch das Strahlaustrittsfenster 7. Liegt die Wellenlänge der Laserstrahlung im UV-Bereich, sollten beide Fenster 6 und 7 vorzugsweise aus synthetischem Quarzglas oder CaF₂ bestehen.
Entscheidend für die Funktion des optischen Bauelementes ist das Auftreten eines Reflexes P₁' an der optisch wirksamen Oberfläche 4 beim Übergang des Strahleintrittsfensters 6 zum Innenraum I sowie eines weiteren Reflexes P₂' an der optisch wirksamen Oberfläche 5 beim Übergang vom Innenraum I zum Strahlaustrittsfenster 7.
Mit Hilfe einer Blende kann einer der beiden Reflexe P₁' oder P₂' am Auftreffen auf den Sensor 2 gehindert werden. Diese Maßnahme wird durch eine mit 10 bezeichnete Blende zwischen dem Reflex P₁' und dem Sensor 2 verdeutlicht. Eine andere geeignete Maßnahme ist das Aufbringen einer Antireflex-Beschichtung auf eine der optisch wirksamen Oberflächen 4 oder 5, wodurch die Bildung eines der beiden Reflexe P₁' oder P₂' unterdrückt wird.
Ferner können auch die einander abgewandten Fensterflächen 11 und 12 des Strahlein- und des Strahlaustrittsfensters 6 und 7 mit einer für die Laserwellenlänge wirksamen Antireflexbeschichtung versehen sein, wodurch die Gesamttransmission des optischen Bauelementes erhöht und die Bildung störender Reflexe verhindert wird.

Claims

Optische Anordnung zur Gewinnung eines Messsignals für die Leistungsmessung bei Lasern mit einem auf der Laserstrahlachse angeordneten Strahlteiler, der durch Reflexbildung an optisch wirksamen Oberflächen einen Bruchteil der Laserstrahlung auf einen Sensor richtet, dadurch gekennzeichnet, dass die für die Reflexion optisch wirksamen Oberflächen (4, 5) gegenüberliegend einen kontaminationsfreien, hermetisch abgeschlossenen Innenraum (I) begrenzen, der für die Wellenlänge der Laserstrahlung (L) hochtransmissiv ist.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der kontaminationsfreie, hermetisch abgeschlossene Innenraum (I) gegenüberliegend ein Strahlein- und ein Strahlaustrittsfenster (6, 7) als Raumbegrenzungen aufweist, deren einander zugewandte Fensterflächen die optisch wirksamen Oberflächen (4, 5) bilden.
Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die einander abgewandten Fensterflächen (11, 12) des Strahlein- und des Strahlaustrittsfensters (6, 7) mit einer für die Laserwellenlänge wirksamen Antireflexbeschichtung versehen sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verhinderung des Auftreffens eines Reflexes von den einander abgewandten Fensterflächen (11, 12) auf den Sensor (2) mindestens eine Blende vorgesehen ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine der optisch wirksamen Oberflächen (4, 5) mit einer für die Laserwellenlänge wirksamen Antireflexbeschichtung versehen ist, wodurch der Sensor (2) nur durch ein Messsignal eines Reflexes (P₁', P₂') beaufschlagt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Strahlteiler (1) und dem Sensor (2) mindestens eine Blende (10) zur Ausblendung eines Reflexes (P₁', P₂') angeordnet ist, wodurch der Sensor (2) nur durch ein Messsignal eines Reflexes (P₁', P₂') von einer der optisch wirksamen Oberflächen (4, 5) beaufschlagt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlein- und das Strahlaustrittsfenster (6, 7) aus uv-durchlässigen Materialien bestehen.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kontaminationsfreie, hermetisch abgeschlossene Innenraum (I) mit einem hochreinen inerten Gas gefüllt ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der kontaminationsfreie, hermetisch abgeschlossene Innenraum (I) als Vakuumkammer ausgebildet ist.