DE19841083C2 - Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlenbündels - Google Patents

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlenbündels, dessen Intensität und Phase innerhalb der Querschnittsfläche des Strahlenbündels ortsaufgelöst gemessen werden, nach dem Oberbegriff des Anspruch 1, wie sie aus Daniel R. Neal, "Amplitude and phase characterization using a 2-dimensional wavefront sensor", SPIE vol. 2870, S. 72-82, bekannt ist. Bevorzugtes Anwendungsgebiet ist die Charakterisierung von Laserstrahlung hoher Leistung oder starker Divergenz.

Stand der Technik

Bei der Strahldiagnostik ist es wünschenswert, den Strahl durch einen geeigneten Satz von Kenngrößen an einem Ort des optischen Systems zu charakterisieren, so daß nachfolgend aus diesen Kenngrößen eine Vorhersage über die Beschaffenheit des propagierenden Strahles, zum Beispiel eines propagierenden Laserstrahles, an einem später erreichten Ort im Strahlengang möglich ist. Dabei kann die Vermessung des Strahls sowohl während des laufenden Betriebes als auch außerhalb des jeweiligen Einsatzes der Strahlung erfolgen. Üblicherweise werden umfangreiche Vermessungen des Strahls außerhalb dieses Einsatzes vorgenommen, während einzelne Kenngrößen wie zum Beispiele die Intensität im laufenden Betrieb überwacht werden.

Wird die Intensitätsverteilung an einem Ort des Strahlengangs gemessen, so ist eine Aussage über die Intensitätsverteilung dieses Strahls an einem später vom Strahl erreichten Punkt des Strahlengangs nur dann möglich, wenn zusätzlich das Propagationsverhalten des Strahls vollständig bekannt ist. Dieses Propagationsverhalten wird physikalisch durch die zugrundeliegende Phasenverteilung der Wellenfront beschrieben. Die gewünschte vollständige Charakterisierung des Strahls an allen Punkten des Strahlengangs ist damit nur möglich, wenn sowohl die Intensität als auch die Phasenverteilung der Wellenfront vollständig bekannt sind.

Die Phasenverteilung einer Strahlung läßt sich mit allgemein bekannten Algorithmen berechnen, wenn ihre Richtungsverteilung bekannt ist. Dieses Prinzip macht sich der Stand der Technik beim sogenannten Shack-Hartmann-Sensor, vgl. Daniel R. Neal et. al., "Amplitude and phase characterization using a 2-dimensional wavefront sensor", SPIE vol. 2870, S. 72-82, zunutze, mit dem innerhalb einer Messung Intensität und Richtung des Strahlenbündels ortsaufgelöst vermessen werden können. Um eine ortsaufgelöste Messung zu ermöglichen teilt der Stand der Technik das gesamte Strahlenbündel mittels einer Mikrolinsenanordnung in Teilstrahlenbündel auf. Über den geometrischen Verlauf eines Teilstrahls, welcher durch den Mittelpunkt der Mikrolinse sowie dem Auftreffpunkt des zugehörigen Teilstrahls auf einem positionsempfindlichen Detektor bestimmt ist, läßt sich jeweils die Richtung einer Gerade definieren. Die Gesamtheit der derart definierten Geraden stellt die Richtungsverteilung des Gesamtstrahlenbündels dar.

Die nach dem Stand der Technik verwendete Mikrolinsenanordnung hat dabei zwei Funktionen. Zum einen stellt sie ein System von Subaperturen dar, welches das Strahlenbündel in Teilstrahlenbündel teilt. Andererseits kommt ihr die wichtige Aufgabe zu, die Teilstrahlenbündel zu formen. Nach dem Stand der Technik besteht die Strahlformung in der Fokussierung der Teilstrahlen. Ohne diese Fokussierung käme es nach dem Durchlaufen der Strahlung durch die Mikrolinsenanordnung zu Interferenzeffekten. Diese bewirken, daß die Teilstrahlenbündel dann nicht mehr vollständig voneinander räumlich separiert werden können und somit keine eindeutlige Bestimmung des Auftreffortes der Teilstrahlenbündel auf dem Detektor durchgeführt werden kann. Da selbst bei nicht überlappenden bzw. nicht interferierenden Teilstrahlen die Genauigkeit der Messung maßgeblich davon abhängt, wie zuverlässig und genau die Auftrefforte der Teilstrahlen auf einem ortsempfindlichen Detektor bestimmt werden können, werden erhebliche Anstrengungen unternommen, die Güte der Mikrolinsenanordnungen zu verbessern. Der Stand der Technik bemüht hierzu moderne Fertigungsmethoden wie die hochauflösende Photolithographie zur Herstellung möglichst kleiner Mikrolinsen deren Parameter wie Größe, Form und Brennweite maßgeschneidert werden um die Kalibrierung der Auswerteelektronik und die Signalverarbeitung zu optimieren, vgl. D. Kwo et. al, "A Hartmann-Shack wavefront sensor using a binary lenslet array", SPIE vol 1544, S. 66-74. Bei aller Sorgfalt lassen sich bei der Strahlformung durch die Mikrolinsen Abbildungsfehler nicht vermeiden. Soll insbesondere stark divergente Strahlung, wie zum Beispiel die von Diodenlasern, vermessen werden, so entstehen aufgrund der dann insbesondere in den Randbereichen nicht mehr paraxialen Beleuchtung der Linsenelemente Abbildungsfehler, die zu erheblichen Meßfehlern führen. Eigene Messungen zeigten daher, daß die mit einem Shack-Hartmann-Sensor vermessene Strahlung von divergent strahlenden Diodenlaseranordnungen nicht mehr zuverlässig charakterisiert werden kann.

Die US 5,629,765 offenbart ferner den Einsatz einer Präzisionsanordnung von Mikrolinsen zur Vermessung einer Wellenfront. Jede Mikrolinse enthält mittig ein opakes Zentrum konzentrisch zur optischen Achse der jeweiligen Mikrolinse. Die opaken Zentren stellen ein als Referenz dienendes Punktmuster bereit, wobei die Referenzpunkte auf dem jeweiligen Hauptstrahl der Linse liegt. Auf die Phasenverteilung des Strahls kann geschlossen werden, indem die geometrische Abweichung der Auftreffpunkte der Teilstrahlen von den Referenzpunkten bestimmt wird. Eine Intensitätsmessung ist dabei nicht vorgesehen.

Die EP 0 461 730 A1 lehrt die ortsaufgelöste Messung der Intensitätsverteilung unter Verwendung einer Lochblende und einem nachgeschalteten Strahlungsdetektor. Eine gleichzeitige Messung der Phasenverteilung ist nicht vorgesehen.

Die DE 195 28 198 A1 offenbart ein Verfahren zur Bestimmung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls. Bei diesem wird aus dem Gesamtstrahl ein leistungsreduzierter Teilstrahl an vorbestimmten Positionen abgezweigt, der Auftreffpunkt des Teilstrahls bestimmt, dessen Intensität von einem Detektor ermittelt, und auf die Intensitätsverteilung des Gesamtstrahls zurückgeschlossen. Eine Phasenverteilung wird nicht bestimmt.

Zu weiteren Verfälschungen kommt es beim Stand der Technik, wenn der Strahlquerschnitt auf die Größe des Detektors angepaßt werden muß. Für konkrete Anwendungen ist es nämlich erforderlich, die Eigenschaften des Strahls innerhalb der gesamten Bearbeitungszone zu kennen. Soll zum Beispiel ein zum Schweißen einzusetzender Laserstrahl charakterisiert werden, so ist dessen Intensitäts- und Phasenverteilung innerhalb des Brennflecks auf dem Werkstück von Interesse. Da die ortsempfindlichen Detektoren zumeist eine andere Größe als der jeweilige Brennfleck besitzen, muß notwendigerweise der Strahlquerschnitt auf diesen Detektor angepaßt werden um die gewünschten Ortsinformationen für Punkte innerhalb der Bearbeitungszone zu erhalten. Diese Anpassung ist jedoch immer mit Abbildungsfehlern verknüpft, die die Genauigkeit und Zuverlässigkeit der Messung schmälert. Wünschenswert ist es daher, daß der Detektor auf den Strahl angepaßt wird, und nicht umgekehrt der Strahl auf den Detektor.

Ein weiterer Nachteil der Lösung nach dem Stand der Technik liegt darin, daß wegen der erforderlichen Linsenanordnung nur Strahlung geringer Intensität vermessen werden kann. Dies liegt daran, daß bei hochenergetischer Strahlung die Absorption im Linsenmaterial zur Zerstörung der Linsen führen kann. Nachteilig ist ferner, daß der Einsatz der Mikrolinsen die Ortsauflösung der Messung beschränkt, da der Abstand benachbarter Meßpunkte innerhalb des Strahlenbündels grundsätzlich nicht kleiner als die Abmessung der Mikrolinsen sein kann.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur gleichzeitigen Bestimmung von Intensitäts- und Phasenverteilung von Strahlung, vorteilhafterweise kohärenter Strahlung, und besonders vorteilhafterweise Laserstrahlung, bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile vermeidet und zusätzlich auf kostengünstige Weise die Ortsauflösung der Messung steigert. Weiterhin ist es Aufgabe, auch die Strahlung von Laserdiodenarrays zuverlässig mit hoher Auflösung charakterisieren zu können.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 gegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen für die Durchführung des Verfahrens sind in den Unteransprüchen 2-6 gegeben.

Erfindungsgemäß wurde erkannt, daß die sich aus dem Stand der Technik ergebenden Nachteile darauf beruhen, daß das zur Teilung des Strahlenbündels verwendete optische Element strahlformend ist. Die Mikrolinsenanordnung nach dem Stand der Technik wird vorliegend als ein solches optisches Element aufgefaßt. Bei dem Begriff der Strahlformung soll nur darauf abgehoben werden, daß die Teilstrahlen geformt werden, die Teilung des Ausgangsstrahls in einzelne Teilstrahlen soll nicht von diesem Begriff erfaßt werden. In diesem Sinne formt die Mikrolinsenanordnung als verwendetes optisches Element nach dem Stand der Technik die entstehenden Teilstrahlen.

Bei strahlformenden Elementen kommt es grundsätzlich zu Abbildungsfehlern mit den oben genannten Nachteilen. Ziel der vorliegenden Erfindung ist es daher ein Verfahren der genannten Art bereitzustellen, bei dem Abbildungsfehler von vorne herein ausgeschlossen werden. Die Lösung dieser Aufgabe besteht darin, auf die strahlformende Eigenschaft des verwendeten optischen Elements zu verzichteten. Vorteilhafterweise wird als optisches Element eine Blende eingesetzt welche eine reine Apertur darstellt, und welche die Teilstrahlen damit nicht formt. Ist die Blende ganz besonders vorteilhaft eine symmetrische Lochblende, so bewirkt diese als reine Apertur nur eine beugungsbedingte Aufweitung des Teilstrahls. Ein Abbildungsfehler in Gestalt einer Verschiebung des Intensitätsschwerpunkts des Teilstrahls tritt dabei jedoch nicht auf.

Wird als Blende eine Blende mit nur einer einzelnen Durchtrittsöffnung eingesetzt (z. B. eine Lochblende), so wird nur ein Teilstrahl aus dem Gesamtstrahlenbündel ausgeblendet. In diesem Fall wird das gesamte Strahlprofil dadurch vermessen, daß bei der Messung die Lochblende mechanisch verschoben und auf diese Weise das Strahlprofil sequentiell abgetastete wird. Der Unterscheid zum Stand der Technik besteht dann darin, daß beim erfindungsgemäßen Verfahren die einzelnen Teilstrahlen zeitlich nacheinander vorliegen, während nach dem Stand der Technik alle Teilstrahlen zu ein und dem selben Zeitpunkt vorliegen.

Es ist auch möglich, daß zur Messung eine Blende mit einigen wenigen Durchtrittsöffnungen eingesetzt wird. In einem solchen Fall muß zunächst eine eindeutige Zuordnung von Durchtrittsöffnung und Lichtfleck auf dem Detektor erfolgen damit die Geraden auf eindeutige Weise definiert werden. Anschließend erfolgt über eine geeignete Abfolge von mechanischen Verschiebungen der Blende das Abtasten des gesamten Strahlprofils. Auf diese Weise kann die Meßgeschwindigkeit vorteilhafterweise gesteigert werden.

Die durch die Blende in Teilstrahlenbündel zerteilte Strahlung trifft nachfolgend auf einen positionsempfindlichen Detektor, der die gesamte durch die Blende hindurchtretende Strahlung erfaßt. Der Detektor ermöglicht die Ermittlung der Gesamtleistung und der Position des Strahlungsschwerpunkts auf dem Detektor. Dieser Intensitätsschwerpunkt ist einer der beiden Punkte, mit welchen beim erfindungsgemäßen Verfahren die über den Teilstrahl festgelegte Gerade definiert wird. Durch zusätzliche Auswertung der örtlichen Verteilung der Strahlung innerhalb des Lichtflecks auf dem Detektor ist es möglich, auf die Homogenität der Phase innerhalb der Durchtrittsöffnung zu schließen. Modulationen der Phasenfront innerhalb der Durchtrittsöffnung, deren örtliche Ausdehnung kleiner als die Größe der Öffnung ist, beeinflussen die Aufweitung zusätzlich. Zur Vermessung einer Wellenfront wird diese mit dem Detektor abgetastet (abgescannt) und darüber ein zweidimensionaler Datensatz aus Richtungsvektoren und Intensitäten gewonnen. Durch allgemein bekannten Algorithmen wird unter Einbeziehung der Wellenlänge der Strahlung die Phasenverteilung der vermessenen Wellenfront durch eine partielle Integration der Richtungsverteilung nach den Ortskoordinaten errechnet.

Da beim erfindungsgemäßen Verfahren keine Beschränkung der Ortsauflösung durch die Größe der Mikrolinsen erfolgt, liegt die Ortsauflösung beugungsbegrenzt nur etwa beim 10- bis 100-fachen der Wellenlänge der Strahlung, und liegt damit deutlich unterhalb dessen, was nach dem Stand der Technik möglich ist. Auch entfallen Einschränkungen bezüglich Wellenlänge oder Intensität der zu vermessenden Strahlung. So können mit dem erfindungsgemäßen Verfahren auch hohe Strahlleistungen wie solche von Hochleistungs-Materialbearbeitungslasern mit Leistungen im kW-Bereich vermessen werden, deren Strahlung Mikrolinsen stark erhitzen und darüber zerstören würde.

Als ortsempfindliche Detektoren kommen grundsätzlich alle Typen von Detektoren in Frage, welche neben der insgesamt auftreffenden Leistung auch eine Ortsinformation liefern. Typische Vertreter dieser Gruppe sind Kameradetektoren (zum Beispiel CCD's (charge coupled device) oder Pyro-Kameradetektoren), positionsauflösende Photoempfänger (englisch PSD, position sensitive device) zur direkten Bestimmung von Gesamtleitung und Strahlungsschwerpunkt, 4-Quadranten-Detektoren oder auch Zeilendetektoren zur eindimensionalen Lagebestimmung.

Claims (6)

1. Verfahren zur Charakterisierung eines Strahlenbündels, insbesondere eines Laserstrahlenbündels, bei dem das Strahlenbündel durch ein optisches Element in Teilstrahlenbündel zerteilt wird, deren jeweilige Intensität ortsaufgelöst detektiert wird, und bei dem die Phasenverteilung der Gesamtstrahlung aus der Einstrahlrichtungsverteilung der Teilstrahlenbündel bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element nicht strahlformend ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine Blende ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Element eine Lochblende ist.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 2-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende nur ein Teilstrahlenbündel durchläßt und der Strahlquerschnitt sequentiell abgetastet wird.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur ortsempfindlichen Detektion der Teilstrahlenbündel ein CCD-Kameradetektor oder ein Pyro-Kameradetektor eingesetzt wird.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß zur ortsempfindlichen Detektion der Teilstrahlenbündel ein PSD (position sensitive device), ein 4-Quadranten-Detektor oder ein Zeilendetektor eingesetzt wird.