DE19909595A1

DE19909595A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Vermessung der räumlichen Leistungsdichteverteilung von Strahlung hoher Divergenz und hoher Leistung

Info

Publication number: DE19909595A1
Application number: DE1999109595
Authority: DE
Inventors: R Kramer; H Schwede
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2000-09-07
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: DE19909595B4

Abstract

Gegenstand der Erfindung ist ein räumlich abtastendes Verfahren zur Bestimmung der Leistungsdichteverteilung von Strahlen, die hohe Divergenz besitzen. Solche Strahlen entstehen zur Zeit typischerweise bei der Fokussierung mit F-Zahlen im Bereich kleiner 4 oder bei Strahlungserzeugung durch Hochleistungslaserdioden. DOLLAR A Ziel ist im wesentlichen, daß bei der Messung von Strahlung mit hoher Divergenz und großer Leistung die Meßergebnisse unabhängig von der Divergenz der Strahlung werden und damit eine Bestimmung der tatsächlichen Leistungsdichteverteilung gewährleistet wird. DOLLAR A Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Pinhole mit sehr kleinem Schachtverhältnis mit einer Vorrichtung gekoppelt wird, die unabhängig von der Divergenz der Strahlung immer einen festen Bruchteil der einfallenden Strahlung auf den Detektor lenkt. So eine Vorrichtung kann ein Streukörper (10), eine Integratorkugel (12) oder ein Fluoreszenzschirm (13) sein.

Description

1. Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die räumlichen Leistungsdichteverteilung hochdivergente Strahlen vermessen werden kann.

2. Stand der Technik

Divergente Strahlung entsteht z. B. bei der Fokussierung von Laserstrahlung. Die F-Zahlen (Verhältnis aus Strahldurchmesser und Brennweite der Fokussieroptik) liegen bei Standardapplikationen typischerweise im Bereich von F = 4 bis F = 20 (Abb. 1). Liegt die Wellenlänge der Strahlung zwischen 400 nm und 1100 nm, so kann der zu untersuchende Strahl mit handelsüblichen Optiken auf einen zweidimensionalen Detektor, z. B. CCD-Sensor, abgebildet werden. Die Abbildungsqualität der Optiken ist in der Regel so gut, daß der zu untersuchende Strahl ohne wesentliche Abbildungsfehler auf den Detektor abgebildet werden kann. Bei hohen Leistungen kann der Strahl durch geeignete Vorrichtungen im Strahlengang abgeschwächt werden. Solche Vorrichtungen sind z. B. teildurchlässige Spiegel oder absorbierende Graufilter. Im Infrarot Bereich stehen für den Bereich geringer Leistungen, analog zu den CCD- Kameras im sichtbaren, pyroelektrische Arrays zu Verfügung (z. B. Spiricon, USA).

Für die Untersuchung von der Leistungsdichteverteilung von Strahlung im fernen Infrarot bei hohen Laserleistungen (< 1 kW Dauerstrich), wie sie beispielsweise von CO₂-Lasern erzeugt wird, werden in der Regel scannende Verfahren eingesetzt. Das Prinzip eines scannenden Verfahrens ist in den Abb. 2 + 3 skizziert /Kra91/. Dabei wird ein kleiner Teilstrahl über einen Spiegel (Abb. 2 + 3, Pos1) aus dem zu vermessenden Strahl (7) ausgeblendet. Dieser Teilstrahl (8) wird mit Hilfe eines Detektors (2) nachgewiesen. Durch die Rotationsbewegung legt der Spiegel entlang einer gekrümmten Bahn eine Meßspur (6) durch den Strahl. Zur Abtastung der zweiten Dimension wird die rotierende Scheibe (3), die den Spiegel an einem Ausleger (5) trägt, senkrecht zur Strahlachse verschoben.

Ist der Strahldurchmesser kleiner oder in der Größenordnung der Spiegelabmessungen (1), dann werden Blenden mit kleinen Bohrungen, sogenannte Pinholes (9), vor den Spiegel montiert, um die Ortsauflösung zu erhöhen.

Der Strahlengang um den ausgeblendeten Teilstrahl wird in der Regel gekapselt, um Streustrahlung sicher abzuschirmen. Der von dem Spiegel in Richtung Detektor reflektierte Strahl kann durch Vielfachreflexion an den Wänden (15) (Wellenleiterprinzip, Abb. 4), Freiraumpropagation oder optische Abbildung zum Detektor gelangen. Der Transmissionsgrad der Strahlung vom Spiegel zum Detektor ist bei allen Anordnungen der Strahlausbreitung vom Spiegel (1) zum Detektor (2) stark von der Divergenz des einfallenden Strahls abhängig. In Abb. 6 ist der Fall dargestellt, daß wegen der großen Divergenz der Strahlung die hochdivergenten Anteile erst gar nicht in den Wellenleiter eintreten. An den mit Kreisen gekennzeichneten Stellen (11) wird der Strahl nicht mehr in den Wellenleiter reflektiert. Jede Reflexion im Strahlengang führt zu einer zusätzlichen Dämpfung. Insbesondere die hochdivergenten Anteile werden oft reflektiert bzw. bei freier Propagation gehen die hochdivergenten Anteile direkt verloren. Das bedeutet, das Meßergebnis wird stark beeinflußt von der Strahldivergenz.

Die Praxis zeigt jedoch, daß bei der Verwendung von Pinholes mit Bohrungsdurchmessern im Bereich der Wellenlänge die Divergenzabhängigkeit reduziert wird.

Die Strahlung, die von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt wird, wird typischerweise mit Optiken fokussiert, deren F-Zahl im Bereich von F = 1 bis F = 1,5 liegt. In diesem Fall können die zuerst beschriebenen abbildenden Systeme nicht verwendet werden, weil zum einen die Abbildungsoptiken selbst nicht mehr zu vernachlässigende Fehler verursachen. Zum anderen sind keine Abschwächer verfügbar, die in diesem Leistungsbereich eingesetzt werden können. Bei teiltransmittierenden Spiegeln tritt das Problem auf, daß die Reflektivität von der Einfallsrichtung der Strahlung abhängt. Bei divergenter Strahlung ist es in der Regel nicht möglich, den Strahl so zu parallelisieren, daß der Strahl über dem Querschnitt gleichmäßig abgeschwächt wird. Die Meßergebnisse werden in diesem Fall durch den Abschwächer verfälscht. Der Einsatz Graufiltern ist bei Hochleistungs-Diodenlasern nicht möglich, weil die Strahlleistung im Bereich von mehreren Kilowatt die Absorber überhitzt.

Bei der Vermessung von Laserstrahlung, die von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt wird, können deshalb diese Verfahren nicht mehr angewendet werden.

Die scannenden Verfahren, die im Wellenlängenbereich des fernen Infrarot vielfach eingesetzt werden, können im Bereich des nahen Infrarot und der sichtbaren Strahlung nicht eingesetzt werden, weil der Durchmesser des Pinhole mit ca. 10 µm bis 20 µm deutlich größer als die Wellenlänge von ca. 0,85 µm ist. In diesem Fall tritt so gut wie keine Beugung am Pinhole auf und die Transmissionscharakteristik des Pinhole-Detektionssystems ist stark von der Einfallsrichtung des Strahls auf das Pinhole abhängig. Bild 5 zeigt eine Messung mit einem Standard-Pinholesystem im divergenten Strahl eines 1,5 kW-Diodenlasers und eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren (Highdiv-Spitze) und zugehöriger Vorrichtung zu sehen. Deutlich ist die Veränderung der gemessenen Radien zu erkennen, die von der winkelabhängigen Transmission verursacht wird.

Den Pinholedurchmesser in die Größenordnung der Wellenlänge zu reduzieren, um die Beugung am Pinhole zu nutzen und so divergenzabhängige Dämpfung zu reduzieren, ist mit bekannter Technik nicht wirtschaftlich möglich.

Darstellung der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein räumlich abtastendes Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß bei der Messung von Strahlung mit hoher Divergenz und Leistung die Meßergebnisse unabhängig von der Divergenz der Strahlung werden und damit eine Messung der tatsächlichen Leistungsdichteverteilung möglich wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Pinhole mit sehr kleinem Schachtverhältnis mit einer Vorrichtung gekoppelt wird, die unabhängig von der Divergenz der Strahlung immer einen festen Bruchteil der einfallenden Strahlung auf den Detektor lenkt. So eine Vorrichtung kann ein Streukörper (10), eine Integratorkugel (12) oder ein Fluoreszenzschirm (13) sein.

Das Pinhole muß ein kleines Schachtverhältnis (Bohrungstiefe/Bohrungsdurchmesser) haben, damit keine oder nur eine geringe Anzahl von Reflexionen innerhalb des Pinhole auftritt. Diese Reflexionen können dazu führen, daß an den gegebenenfalls rauhen Wänden der Bohrung der divergente Teil der eintretenden Strahlung absorbiert oder nach oben zurück reflektiert wird. So ergibt sich eine divergenzabhängige Dämpfung im Pinhole. Aus diesem Grund sind Schachtverhältnisse in der Größe von kleiner gleich eins anzustreben.

Die aus dem Pinhole austretende Strahlung trifft auf eine Vorrichtung, deren Ziel es ist, unabhängig von der Divergenz der einfallenden Strahlung einen gleichmäßigen Bruchteil auf den Detektor zu lenken. Ein solche mögliche Vorrichtung ist ein Streukörper (Abb. 7). Bei einem Streukörper ist durch interne Streuung die Emission in nahezu alle Raumrichtungen gleich. Ausgenommen ist der Auftreffpunkt des Strahls und benachbarte Bereiche. Aus diesem Grund wird der Streukörper vorzugsweise von der einen Seite her beleuchtet und von der anderen Seite her beobachtet. Bei dieser Anordnung ist die in Beobachtungsrichtung emittierte Strahlleistung unabhängig von der Einfallsrichtung der auftreffenden Strahlung.

Eine weitere mögliche Vorrichtung ist eine Integratorkugel (Ulbrichtkugel - Abb. 8). Bei der Integratorkugel tritt der zu untersuchende Strahl durch eine Bohrung in die Kugel ein und wird dann an der Innenseite solange hin und her reflektiert, bis die gesamte Innenfläche der Kugel gleichmäßig bestrahlt ist. Durch eine zweite Bohrung wird ein Teil der Strahlung ausgekoppelt und auf einen Detektor abgebildet.

Eine weitere mögliche Vorrichtung ist ein Fluoreszenzschirm, bei dem die durch das Pinhole tretende Strahlung auf ein fluoreszierenden Material fällt (Abb. 9). Die dann isotrop bei der Fluoreszenz emittierte Strahlung wird dann von einem Detektor aufgenommen. Sinnvollerweise blendet ein Filter (14) die Lasergrundwellenlänge vor dem Detektor aus.

Mit der Anordnung des Streukörpers bzw. der Integratorkugel oder dem Fluoreszenzschirm hinter dem Pinhole ist es möglich, hochdivergente Strahlung abzutasten und zu vermessen. Die. Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Richtung des einfallenden Stahls wird mit dieser Vorrichtung eliminiert.

Literatur

/Kra91/ R. Kramer, Beschreibung und Messung der Eigenschaften von CO₂

Laserstrahlung, Verlag Augustinus Buchhandlung, Aachen 1991

Claims

1. Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichteverteilung punktweise abgetastet wird und die abgetastete Strahlung auf einen Streukörper oder einen Integrator oder einen Fluoreszenzschirm trifft und die aus dem Streukörper einem Integrator oder einen Fluoreszenzschirm austretende Strahlung auf einen Detektor abgebildet wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukörper, die Integratorkugel oder der Fluoreszenzschirm direkt hinter dem Pinhole angeordnet sind

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Schachtverhältnis des Pinholes (Tiefe dividiert durch Durchmesser) kleiner gleich eins gewählt wird, um Reflexionen innerhalb des Pinhole zu minimieren

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß beim Einsatz eines Fluoreszenzschirmes ein Filter zwischen Fluoreszenzschirm und Detektor nur die Wellenlänge der Fluoreszenzstrahlung passieren läßt.