DE19909595A1 - Method for measuring spatial power density distribution of highly divergent beams by imaging captured radiation using fluorescent screen, dispersion body, integrator or detector - Google Patents
Method for measuring spatial power density distribution of highly divergent beams by imaging captured radiation using fluorescent screen, dispersion body, integrator or detectorInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die räumlichen Leistungsdichteverteilung hochdivergente Strahlen vermessen werden kann.The invention relates to a method and an apparatus by means of which spatial power density distribution of highly divergent rays can be measured.
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).Divergent radiation arises e.g. B. when focusing laser radiation. The F-numbers (ratio of beam diameter and focal length of the focusing optics) are typically in the range of F = 4 to F = 20 for standard applications ( Fig. 1). If the wavelength of the radiation is between 400 nm and 1100 nm, then the beam to be examined can be applied to a two-dimensional detector, for. B. CCD sensor. The imaging quality of the optics is generally so good that the beam to be examined can be imaged on the detector without significant imaging errors. At high powers, the beam can be weakened by suitable devices in the beam path. Such devices are e.g. B. semitransparent mirrors or absorbent gray filters. In the infrared range are available for the low power range, analogous to the CCD cameras in the visible, pyroelectric arrays (e.g. 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.Scanning methods are generally used to investigate the power density distribution of radiation in the far infrared at high laser powers (<1 kW continuous wave), such as that generated by CO 2 lasers. The principle of a scanning method is outlined in Fig. 2 + 3 / Kra91 /. A small partial beam is hidden from the beam ( 7 ) to be measured using a mirror ( Fig. 2 + 3, Pos1). This partial beam ( 8 ) is detected with the aid of a detector ( 2 ). As a result of the rotational movement, the mirror places a measuring track ( 6 ) through the beam along a curved path. To scan the second dimension, the rotating disc ( 3 ), which carries the mirror on a cantilever ( 5 ), is displaced perpendicular to the beam axis.
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.If the beam diameter is smaller or in the order of magnitude of the mirror dimensions ( 1 ), diaphragms with small holes, so-called pinholes ( 9 ), are mounted in front of the mirror in order to increase the spatial resolution.
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.The beam path around the hidden partial beam is usually encapsulated in order to reliably shield scattered radiation. The beam reflected by the mirror in the direction of the detector can reach the detector by multiple reflection on the walls ( 15 ) (waveguide principle, Fig. 4), free space propagation or optical imaging. The degree of transmission of the radiation from the mirror to the detector is strongly dependent on the divergence of the incident beam in all arrangements of the beam propagation from the mirror ( 1 ) to the detector ( 2 ). Fig. 6 shows the case in which, due to the large divergence of the radiation, the highly divergent components do not even enter the waveguide. At the points ( 11 ) marked with circles, the beam is no longer reflected in the waveguide. Any reflection in the beam path leads to additional attenuation. In particular, the highly divergent parts are often reflected, or with free propagation the highly divergent parts are lost directly. This means that the measurement result is strongly influenced by the beam divergence.
Die Praxis zeigt jedoch, daß bei der Verwendung von Pinholes mit Bohrungsdurchmessern im Bereich der Wellenlänge die Divergenzabhängigkeit reduziert wird.Practice shows, however, that when using pinholes with bore diameters in Range of the wavelength the divergence dependence is reduced.
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.The radiation generated by high power diode lasers is typically associated with Focused optics whose F number is in the range from F = 1 to F = 1.5. In this case, the imaging systems described first are not used because, on the one hand, the Imaging optics themselves cause errors that are no longer negligible. On the other hand no attenuators available that can be used in this performance range. At partially transmitting mirrors the problem arises that the reflectivity of the Direction of incidence of the radiation depends. It is usually not with divergent radiation possible to parallelize the beam so that the beam is even across the cross-section is weakened. In this case, the measurement results are falsified by the attenuator. The use of gray filters is not possible with high-power diode lasers because of the beam power the absorber overheats in the range of several kilowatts.
Bei der Vermessung von Laserstrahlung, die von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt wird, können deshalb diese Verfahren nicht mehr angewendet werden.When measuring laser radiation generated by high-power diode lasers, therefore these methods can no longer be used.
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.The scanning methods, which are widely used in the far infrared wavelength range, cannot be used in the near infrared and visible radiation range because the diameter of the pinhole, at approx. 10 µm to 20 µm, is significantly larger than the wavelength of approx. 0 , 85 µm. In this case there is practically no diffraction at the pinhole and the transmission characteristic of the pinhole detection system is strongly dependent on the direction of incidence of the beam onto the pinhole. Figure 5 shows a measurement with a standard pinhole system in the divergent beam of a 1.5 kW diode laser and a measurement with a method according to the invention (high-div tip) and associated device. The change in the measured radii, which is caused by the angle-dependent transmission, can be clearly seen.
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.To reduce the pinhole diameter in the order of the wavelength to the diffraction Using at the pinhole and thus reducing divergence-dependent damping is known Technology not economically feasible.
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.The invention has for its object a spatial scanning method of the beginning mentioned type to improve, so that when measuring radiation with high divergence and Performance the measurement results are independent of the divergence of the radiation and thus a Measurement of the actual power density distribution becomes possible.
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.The object is achieved in that a pinhole with a very small shaft ratio is coupled to a device which, regardless of the divergence of the radiation, always directs a fixed fraction of the incident radiation onto the detector. Such a device can be a diffuser ( 10 ), an integrator ball ( 12 ) or a fluorescent screen ( 13 ).
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.The pinhole must have a small shaft ratio (hole depth / hole diameter) so that no or only a small number of reflections occur within the pinhole. This Reflections can lead to the possibly rough walls of the bore divergent part of the incoming radiation is absorbed or reflected back upwards. So there is a divergence-dependent damping in the pinhole. Because of this, are Shaft ratios of less than or equal to one should be aimed for.
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.The radiation emerging from the pinhole strikes a device whose aim is to direct a uniform fraction onto the detector regardless of the divergence of the incident radiation. One such possible device is a diffuser ( Fig. 7). In the case of a diffuser, the emission is the same in almost all spatial directions due to internal scattering. The point of incidence of the beam and neighboring areas are excluded. For this reason, the diffuser is preferably illuminated from one side and observed from the other side. With this arrangement, the beam power emitted in the direction of observation is independent of the direction of incidence of the incident radiation.
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.Another possible device is an integrator sphere (integrating sphere - Fig. 8). In the integrator sphere, the beam to be examined enters the sphere through a hole and is then reflected back and forth on the inside until the entire inner surface of the sphere is evenly irradiated. Part of the radiation is coupled out through a second hole and imaged on a detector.
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.Another possible device is a fluorescent screen, in which the radiation passing through the pinhole falls on a fluorescent material ( Fig. 9). The radiation then emitted isotropically during fluorescence is then recorded by a detector. A filter ( 14 ) expediently blocks the basic laser wavelength in front of the detector.
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. With the arrangement of the diffuser or the integrator ball or the fluorescent screen behind the pinhole it is possible to sample and measure highly divergent radiation. The. The measurement result is dependent on the direction of the incident steel Device eliminated.
/Kra91/ R. Kramer, Beschreibung und Messung der Eigenschaften von CO2 / Kra91 / R. Kramer, description and measurement of the properties of CO 2
Laserstrahlung, Verlag Augustinus Buchhandlung, Aachen 1991Laser radiation, publisher Augustinus Buchhandlung, Aachen 1991
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| DE19909595B4 (en) | 2015-11-12 |
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