DE202004007511U1

DE202004007511U1 - Online-Laserleistungsmessvorrichtung

Info

Publication number: DE202004007511U1
Application number: DE200420007511
Authority: DE
Original assignee: Trumpf Laser GmbH
Current assignee: Trumpf Laser GmbH
Priority date: 2004-05-08
Filing date: 2004-05-08
Publication date: 2004-08-05
Anticipated expiration: 2014-05-09

Abstract

Vorrichtung (1) zur polarisationsunabhängigen Laserleistungsmessung mit einem im Laserstrahl (5) angeordneten teildurchlässigen Spiegel (2) und mit einem optoelektrischen Messwandler (4), der im Strahlengang des am teildurchlässigen Spiegel (2) reflektierten Teilstrahls (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (α), unter dem der Laserstrahl (5) auf den teildurchlässigen Spiegel (2) trifft, kleiner als ca. 30°, insbesondere kleiner als ca. 25°, ist und der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels (2) für den unter diesem Einfallswinkel (α) einfallenden Laserstrahl (5) polarisationsunabhängig ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur polarisationsunabhängigen Laserleistungsmessung mit einem im Laserstrahl angeordneten teildurchlässigen Spiegel und mit einem optoelektrischen Messwandler, der im Strahlengang des am teildurchlässigen Spiegel reflektierten Teilstrahls angeordnet ist.
Eine derartige Messvorrichtung ist beispielsweise durch die EP 0 457 024 A2 bekannt geworden.
Bei dieser bekannten Messvorrichtung trifft der zu messende Laserstrahl unter einem Einfallswinkel von 45° auf einen ersten teildurchlässigen Spiegel, über den 0,5% aus dem einfallenden Laserstrahl durch Reflexion ausgekoppelt werden. Dieser reflektierte Teilstrahl trifft ebenfalls unter einem Einfallswinkel von 45° auf einen zweiten teildurchlässigen Spiegel, der jedoch gegenüber dem ersten Spiegel hinsichtlich seiner Orientierung um 90° gedreht ist. Der zweite Spiegel wird benötigt, um die durch Reflexion am ersten Spiegel auftretende Polarisationsänderung des Laserstrahls zu kompensieren und einen diesbezüglichen Messfehler zu eliminieren. Der am zweiten Spiegel reflektierte Strahl wird auf einen optoelektrischen Messwandler (z.B. Fotodiode) gerichtet, so dass die Laserleistung polarisationsunabhängig, d.h. auch unabhängig von der Pumpleistung, online gemessen wird. Allerdings erfordert die Anordnung von zwei gegeneinander verdrehten teildurchlässigen Spiegeln unter 45° viel Bauraum, was eine kompaktere Bauform des Messgerätes verhindert. Außerdem entsteht am ersten teildurchlässigen Spiegel ein unerwünschter Parallelversatz zwischen einfallendem und transmittiertem Laserstrahl.
Um diesen Parallelversatz zu eliminieren, ist es bereits bekannt, dem ersten teildurchlässigen Spiegel eine gleich dicke Ausgleichsplatte voranzustellen, die ebenfalls unter einem Einfallswinkel von 45° zum einfallenden Laserstrahl, aber spiegelbildlich zum ersten Spiegel angeordnet ist. Die Ausgleichsplatte bewirkt den gleichen Strahlversatz wie der erste Spiegel. Da die Ausgleichsplatte aber spiegelbildlich zum ersten Spiegel steht, kompensieren sich die Strahlversätze des transmittierenden Strahls innerhalb der Messvorrichtung. Durch die Ausgleichsplatte wird allerdings der erforderliche Bauraum weiter vergrößert und die Anzahl von optischen Bauteilen erhöht, welche erhöhte Material- und Montagekosten bedeuten. Außerdem treten an der Ausgleichsplatte zusätzliche Verluste durch unerwünschte Reflexion auf.
Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Endung, bei einer Messvorrichtung der eingangs genannten Art den Bauraum und die Teileanzahl zu verkleinern und gleichzeitig den Parallelversatz zwischen einfallendem und transmittiertem Laserstrahl zu minimieren.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Einfallswinkel, unter dem der Laserstrahl auf den teildurchlässigen Spiegel trifft, kleiner als ca. 30°, insbesondere kleiner als ca. 25°, ist und der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels für den unter diesem Einfallswinkel einfallenden Laserstrahl polarisationsunabhängig ist.
Erfindungsgemäß wird mittels des unter einem definiert kleinen Winkel zum einfallenden Laserstrahl angeordneten teildurchlässigen Spiegels ein definierter Anteil der Laserstrahlung ausgekoppelt und auf dem optoelektrischen Messwandler abgebildet. Je kleiner der Einfallswinkel des zu messenden Laserstrahls auf den teildurchlässigen Spiegel ist, desto weniger polarisationsabhängig ist die Reflexion. Anhand des bekannten Teilungsverhältnisses und einer Kalibrierung des optoelektrischen Messwandlers kann so die gesamte Laserleistung polarisationsunabhängig, d.h. auch unabhängig von der Pumpleistung, online gemessen werden.
Mit der erfindungsgemäßen Messvorrichtung werden folgende Vorteile erreicht:

– Verluste am teildurchlässigen Spiegel werden minimiert;
– Parallelversatz des schräg auf den teildurchlässigen Spiegel auftreffenden, transmittierten Laserstrahls wird minimiert;
– Fehlmessungen bei polarisiertem Laserstrahl werden verhindert;
– es wird ein minimaler Platzbedarf erreicht.

Um eine praktikable Bauform zu erreichen, beträgt der Einfallswinkel bevorzugt ca. 20° oder weniger.
Vorzugsweise ist der teildurchlässige Spiegel mit einer Beschichtung versehen, die für den unter dem Einfallswinkel einfallenden Laserstrahl polarisationsunabhängig reflektierend ist. Als besonders geeignet hat sich eine Beschichtung erwiesen, die aus mehreren Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut ist.
Bei bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung ist der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels kleiner als ca. 0,5%, vorzugsweise kleiner als ca. 0,2%, so dass aus dem transmittierten Laserstrahl möglichst wenig Leistung ausgekoppelt wird.
Vorzugsweise ist der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels in einem Toleranzwinkelbereich von ca. ±5° um den Einfallswinkel herum konstant.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls eine Optik angeordnet, die den reflektierten Teilstrahl auf den optoelektrischen Messwandler umlenkt und/oder fokussiert. Vorteilhafterweise kann ein Hohlspiegel zur Umlenkung und gleichzeitig zur Fokussierung des Strahls eingesetzt werden. Der Hohlspiegel kann wahlweise aus Metall oder beschichtetem Glas bzw. Quarzglas bestehen. Durch die Verwendung eines Hohlspiegels können ein Platz sparender Aufbau realisiert und Bauteilkosten gespart werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und der Zeichnung. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale je für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
Es zeigen:
1 den schematischen Aufbau der erfindungsgemäßen Messvorrichtung mit einem einzigen teildurchlässigen Spiegel; und
2 die gemessene Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten des in 1 gezeigten teildurchlässigen Spiegels vom Einfallswinkel für unterschiedlich polarisierte Laserstrahlung.
Die in 1 gezeigte Messvorrichtung 1 umfasst einen teildurchlässigen Spiegel (Teilerplatte) 2, einen Hohlspiegel 3 und einen optoelektrischen Messwandler 4, der zur Leistungsmessung dient. Der zu messende Laserstrahl 5 fällt auf den teildurchlässigen Spiegel 2 unter einem definiert kleinen Einfallswinkel α, der durch die Strahlnormale 6 des teildurchlässigen Spiegels 2 und den einfallenden Laserstrahl 5 definiert ist. Am teildurchlässigen Spiegel 2 wird ein definierter Anteil (z.B. 0,3%) der Laserstrahlung durch Reflexion ausgekoppelt und dieser reflektierte Teilstrahl 7 mittels des Hohlspiegels 3 auf den optoelektrischen Messwandler 4 fokussiert. Anhand des bekannten Teilungsverhältnisses und einer Kalibrierung des optoelektrischen Messwandlers 4 kann so die gesamte Laserleistung online gemessen werden. Je kleiner der Einfallswinkel α zwischen der Strahlnormalen und der Teilerplatte ist, desto weniger polarisationsabhängig ist die Reflexion. Im gezeigten Ausführungsbeispiel beträgt der Einfallswinkel α ca. 20°. Um den optoelektrischen Messwandler 4 nicht zu überlasten und die Messvorrichtung 1 für Laser unterschiedlichster Leistungsklassen nutzen zu können, können vor dem optoelektrischen Messwandler 4 noch definierte Abschwächer vorgesehen sein.
Der teildurchlässige Spiegel 2 ist beidseitig mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen, welche eine sehr kleine Reflexion (z.B. 0,1 % pro Fläche) zulässt und unter dem Einfallswinkel α polarisationsunabhängig reflektiert. Diese Beschichtung ist außerdem so aufgebaut, dass sich ihr Reflexionskoeffizient in einem Winkelbereich von ca. ±5° um den Einfallwinkel α herum nicht messbar ändert.
Ein beispielhafter Aufbau des teildurchlässigen Spiegels 2 ist der folgenden Tabelle zu entnehmen. Der teildurchlässigen Spiegel 2 besteht aus einem Glassubstrat, auf dem beidseitig eine aus mehreren Schichten gebildete Beschichtung aufgebracht ist. Dabei ist Schicht 1 die direkt auf dem Glassubstrat aufliegende Schicht, während Schicht 6 an Luft grenzt. Schichttyp "h" bedeutet eine Ta₂O₅-Schicht mit hohem Brechungsindex (n = 2,09) und Schichttyp "l" eine SiO₂-Schicht mit niedrigem Brechungsindex (n = 1,44).
Aufbau der Beschichtung:
2 zeigt die gemessene Abhängigkeit des Reflexionskoeffizienten (in 10^–3 Prozent) des nach der Tabelle aufgebauten teildurchlässigen Spiegels 2 vom Einfallswinkel α für s-, p- und unpolarisierte Laserstrahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Bei kleinen Einfallswinkeln α ≤ 25° ist der Reflexionskoeffizient polarisationsunabhängig, so dass die Leistung eines unter einem solch kleinen Einfallswinkel einfallenden Laserstrahls 5 polarisationsunabhängig, d.h. auch unabhängig von der Pumpleistung, online gemessen werden kann.
Eine sehr dünne Ausführung des teildurchlässigen Spiegels 2 und der kleine Einfallswinkel α haben zur Folge, dass der am teildurchlässigen Spiegel 2 auftretende Strahlversatz des transmittierten Laserstrahls 8 nur minimal ist und daher auf Ausgleichskomponenten verzichtet werden kann.

Claims

Vorrichtung (1) zur polarisationsunabhängigen Laserleistungsmessung mit einem im Laserstrahl (5) angeordneten teildurchlässigen Spiegel (2) und mit einem optoelektrischen Messwandler (4), der im Strahlengang des am teildurchlässigen Spiegel (2) reflektierten Teilstrahls (7) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (α), unter dem der Laserstrahl (5) auf den teildurchlässigen Spiegel (2) trifft, kleiner als ca. 30°, insbesondere kleiner als ca. 25°, ist und der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels (2) für den unter diesem Einfallswinkel (α) einfallenden Laserstrahl (5) polarisationsunabhängig ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel (α) ca. 20° oder weniger beträgt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der teildurchlässige Spiegel (2) mit einer Beschichtung versehen ist, die für den unter dem Einfallswinkel (α) einfallenden Laserstrahl (5) polarisationsunabhängig reflektierend ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung aus mehreren Schichten mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex aufgebaut ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels (2) kleiner als ca. 0,5%, vorzugsweise kleiner als ca. 0,3%, ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflexionskoeffizient des teildurchlässigen Spiegels (2) in einem Toleranzwinkelbereich von ca. ±5° um den Einfallswinkel (α) herum konstant ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Strahlengang des reflektierten Teilstrahls (7) eine Optik, insbesondere ein Hohlspiegel (3), angeordnet ist, die den reflektierten Teilstrahl (7) auf den optoelektrischen Messwandler (4) umlenkt und/oder fokussiert.