DE19526854A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahls - Google Patents

Description

Zur Bestimmung der Leistungsverteilung eines Laserstrahls sind im wesentlichen das Einbrandverfahren das Abtastverfahren und das Konversionsverfahren bekannt.

Beim Einbrandverfahren wird ein Material der Einwirkung eines Laserstrahles so ausgesetzt, daß an Orten hoher Energiedichte bzw. geringerer Energiedichte eine entsprechend proportionale, irreversible Veränderung des Materials erzielt wird. Das Material und die Expositionsweise werden dabei so gewählt, daß eine für das menschliche Auge sichtbare Veränderung des Materials eintritt. Ein Beispiel für diese Methode ist der Acrylglaseinbrand. Hierbei wird Acrylglas der Laserstrahlung ausgesetzt und durch Absorption der Strahlung thermisch zersetzt.

Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, daß Verbrennungsprozesse über die Zeit, in der das Material der Laserstrahlung ausgesetzt wird, hinaus ablaufen können und somit die Qualität des Bildes verfälschen. Außerdem belasten die thermischen Zersetzungsprodukte die Umgebung und können sogar toxische Wirkung haben. Da das Ergebnis des Einbrandverfahrens ein dreidimensional verformter Körper ist, sind die Auswertemöglichkeiten dieses Körpers beschränkt und für jede Messung muß ein neuer Körper verwendet werden, was zu einem hohen Materialverbrauch führt.

Die Abtastverfahren beruhen darauf, daß mittels geeignet durch den Laserstrahl geführter Elemente ein Teilstrahl, der zu einer bestimmten Abtastposition gehört, aus dem zu vermessenden Strahl ausgeblendet wird, der Teilstrahl mittels eines Detektors nachgewiesen und gemessen wird. Mit dem Abtastverfahren wird ein Abbild des zu vermessenden Laserstrahls aus den Meßwerten rekonstruiert und somit ermöglicht das Abtastverfahren eine Amplitudenmessung ortsaufgelöst durchzuführen, obwohl der Detektor selbst keine Ortsauflösung besitzt.

Abtastverfahren benötigen aber eine sehr aufwendige Vorrichtung, die eine hohe mechanische Präzision gewährleistet. Außerdem führen die Abtastfrequenz und zeitliche Laserstrahlfluktuationen zu Abtastfehlern und Interferenzen, die zum Teil erhebliche Meßwertverfälschungen bewirken. Meßgerät und Laserstrahl bedürfen oft einer umständlichen Lagejustage relativ zueinander und die Ortsauflösung ist in der Regel durch die Mechanik festgelegt und nimmt keine Rücksicht auf den Strahldurchmesser.

Konversionsverfahren basieren auf einer Umwandlung der unsichtbaren Laserstrahlung in ein sichtbares Abbild des Strahlquerschnittes. Ein Beispiel ist die Fluoreszenzthermographie. Bei der Fluoreszenzthermographie wird eine Trägerplatte mit einem Stoff beschichtet, der bei einer Bestrahlung mit UV-Licht zum Fluoreszieren angeregt wird. Wenn die Platte gleichzeitig der Einwirkung eines Laserstrahls ausgesetzt wird, so wird an den Stellen ausreichend hoher Strahlungsintensität die Fluoreszenz unterdrückt, so daß sich die Intensitätsverteilung des Strahlquerschnittes als dunkles Muster auf dem hellen Fluoreszenzhintergrund abbildet.

Koversionsverfahren bieten den Vorteil, mit geringem apparativen Aufwand eine brauchbare örtliche Auflösung zu erzielen und es wird die gesamte Leistungsverteilung direkt abgebildet und kann somit direkt beobachtet werden.

Ein wichtiger Nachteil der Koversionsverfahren liegt jedoch im geringen erzielbaren Kontrast. Außerdem ist bei einer Laserstrahlintensität über ca. 10 W/cm² ein Strahlabschwächer notwendig. Vor allem ist aber die UV- Zusatzbeleuchtung aufwendig, unhandlich und behindernd.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahls zu entwickeln, mit denen die Leistungsverteilung des Strahls mit einem guten Kontrast und einer einfachen Vorrichtung gemessen werden kann.

Diese Aufgabe wird mit einem Verfahren gelöst, bei dem eine mit einem thermosensitiven Farbstoff beschichtete Trägerplatte kurzzeitig mit dem Laserstrahl bestrahlt wird und die dabei entstehende Farbverteilung gemessen wird.

Das erfindungsgemaße Verfahren ist seiner Funktionsweise nach am ehesten den Konversionsverfahren zuzuordnen. Während die mit dem thermosensitiven Farbstoff beschichtete Trägerplatte dem Laserstrahl ausgesetzt ist, wird die Leistungsverteilung im Querschnitt des Laserstrahls in eine Wärmeverteilung auf der Platte umgesetzt, die einen Farbumschlag der Beschichtung hervorruft. Die Leistungsverteilung wird somit in eine Wärmeverteilung und schließlich in eine Farbskala umgesetzt, die leicht beobachtet oder gemessen werden kann.

Die zur Lösung der Aufgabe benötigte Vorrichtung weist eine thermosensitiv beschichtete Trägerplatte auf, eine Bestrahleinrichtung zur Bestrahlung der Trägerplatte mittels eines Laserstrahls und eine Meßeinrichtung zum Messen einer Farbverteilung auf der Trägerplatte.

Diese Vorrichtung und das mit ihr durchführbare Verfahren haben den Vorteil, daß die Leistungsverteilung als ganzes direkt abgebildet und beobachtet werden kann. Die Farbverteilung führt zu einer quasi-dreidimensionalen Ansicht der Leistungsverteilung über den Strahlquerschnitt mit einer örtlichen Auflösung unter 1 mm. Die gesamte Vorrichtung kann klein und kompakt gebaut werden und es ist nur ein geringer Justageaufwand notwendig, um Bestrahl- und Meßeinrichtung aufeinander abzustimmen. Da vor allem keine Zusatzbeleuchtung notwendig ist, ist das Verfahren und dessen Vorrichtung einfach und billig zu realisieren. Die variable Plattengröße kann an beliebige Strahlquerschnitte angepaßt werden und es reichen kurze Meß- und Belichtungszeiten, um die gewünschte Farbverteilung zu erzielen.

Diese Belichtungszeiten können mit einem Verschluß - wie er aus der Photokameraherstellung bekannt ist - erzeugt werden und führen zu einer kurzzeitigen Bestrahlung der beschichteten Platte.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Trägerplatte durchsichtig ist und die Farbverteilung auf der dem Laserstrahl gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte gemessen wird.

Vorrichtungsmäßig wird dies dadurch erreicht, daß bei einer durchsichtigen Trägerplatte die Meßeinrichtung auf der der Bestrahleinrichtung gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte angeordnet ist. Die Meßeinrichtung kann somit direkt auf der Achse des Laserstrahls angebracht werden und somit entfällt eine Geometrieverzerrung aufgrund von Beobachtungsparalaxen, die bei herkömmlichen Konversionsverfahren unvermeidbar sind. Somit wird einerseits die Qualität des Meßergebnisses verbessert und andererseits ermöglicht die durchsichtige Trägerplatte einen besonders einfachen und kompakten Aufbau der Vorrichtung.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß bei dem erfindungsgem. Verfahren die Farbverteilung mit einer Video-Kamera, insbesondere einer Farbvideo-Kamera gemessen wird.

Vorrichtungsmäßig ist dabei die Meßeinrichtung eine Video-Kamera bzw. eine Farbvideo-Kamera.

Mit der Kamera kann das Wärmebild in ein Computer-Bild umgesetzt werden und es steht somit ein Datensatz zur Verfügung, der, wie eine weitere Ausgestaltung der Erfindung vorschlägt, in einem Rechner weiterverarbeitet werden kann. Die Meßdaten können somit rechnergestützt vermessen und verwaltet werden und die Verwendung von Video-Kamera und Computer ist außerdem besonders vorteilhaft, da die Soft- und Hardwarebasis für die Computer/Video-Auswertung bereits sehr gut entwickelt und kommerziell verfügbar ist.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigt
die einzige Figur schematisch eine Vorrichtung zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahls.

Die Figur zeigt die Vorrichtung 1 zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahls 9, die aus einer thermosensitiv beschichteten Trägerplatte 2, einer Bestrahleinrichtung 3 und einer Meßeinrichtung 4 besteht.

Zwischen der Bestrahleinrichtung 3 und der Meßeinrichtung 4 ist die thermosensitiv beschichtete Trägerplatte 2 angeordnet, die aus einer Glasplatte besteht, die auf der der Bestrahleinrichtung zugewandten Seite eine thermosensitive Beschichtung 6 aufweist.

Die Bestrahleinrichtung 3 besteht aus einer Platte 7 die parallel zur Platte 5 angeordnet ist und in der eine Öffnung 8 vorgesehen ist, durch die ein Laserstrahl auf die Beschichtung 6 der Platte 5 auftreffen kann. Die Öffnung 8 in der Platte 7 ist als Verschluß ausgebildet, so daß eine kurzzeitige Bestrahlung der Beschichtung 6 mit dem Laserstrahl 9 ermöglicht wird.

Die Richtung des Laserstrahls 9 ist senkrecht zu der Platte 7 und zur Trägerplatte 5 und in Verlängerung der Richtung des Laserstrahls 9 ist auf der anderen Seite der Trägerplatte 5 die Meßeinrichtung 4 angeordnet.

Die Meßeinrichtung 4 ist eine Farbvideo-Kamera 10, die durch die Trägerplatte hindurch eine Farbveränderung der Beschichtung 6 mißt. Die Farbvideo- Kamera 10 ist wiederum mit einem Rechner 11 verbunden, der dazu geeignet ist, die Signale der Farbvideo-Kamera 10 zur weiteren Verarbeitung, wie bspw. für eine graphische Darstellung, aufzubereiten.

Beim Betrieb dieser Vorrichtung 1 zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahls wird der Laserstrahl auf die Platte 7 gerichtet und während sich die Öffnung 8 durch ein kurzzeitiges Öffnen des Verschlusses öffnet, wird die Beschichtung 6 auf der Trägerplatte 5 vom Laserstrahl bestrahlt. Dabei entstehen in der Beschichtung je nach Intensität des Laserstrahls örtlich und zeitlich sich verändernde Farben, die durch die durchsichtige Trägerplatte 5 hindurch von der Farbvideo-Kamera 10 gemessen werden. Die Meßwerte der Farbvideo-Kamera 10 werden dann im Rechner 11 weiterverarbeitet, der die Leistungsverteilung des Laserstrahls 9 auf verschiedene Arten darstellen und abspeichern kann.

Claims (10)

1. Verfahren zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahles (9), bei dem eine mit einem thermosensitiven Farbstoff (6) beschichtete Trägerplatte (5) mit dem Laserstrahl (9) bestrahlt wird und die dabei entstehende Farbverteilung gemessen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Trägerplatte (5) kurzzeitig bestrahlt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beschichtete Trägerplatte (5) durchsichtig ist und die Farbverteilung auf der dem Laserstrahl (9) gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte (5) gemessen wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbverteilung mit einer Video-Kamera, insbesondere einer Farbvideo-Kamera (10), gemessen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die gemessene Farbverteilung mit einem Rechner (11) weiterverarbeitet wird.

6. Vorrichtung zum Messen der Leistungsverteilung eines Laserstrahles mit einer thermosensitiv beschichteten Trägerplatte (5), einer Bestrahleinrichtung (3) zur Bestrahlung der Trägerplatte (5) mittels eines Laserstrahls (9) und einer Meßeinrichtung (4) zum Messen einer Farbverteilung auf der Trägerplatte (5).

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestrahleinrichtung (3) einen Verschluß (8) aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerplatte (5) durchsichtig ist und die Meßeinrichtung (4) auf der der Bestrahleinrichtung (3) gegenüberliegenden Seite der Trägerplatte (5) angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrichtung (4) eine Video-Kamera, insbesondere eine Farbvideo-Kamera (10) ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch (9), dadurch gekennzeichnet, daß die Video- Kamera mit einem Rechner (11) verbunden ist.