DE2908157A1

DE2908157A1 - Einrichtung zum messen der strahlungsleistung von leistungsmodulierten sendern, insbesondere von lasern

Info

Publication number: DE2908157A1
Application number: DE19792908157
Authority: DE
Inventors: Gerhard Dr Busse
Original assignee: Individual
Current assignee: BUSSE, GERHARD, DR., 7252 WEIL DER STADT, DE
Priority date: 1979-03-02
Filing date: 1979-03-02
Publication date: 1980-09-04
Also published as: DE2908157B2; DE2908157C3

Description

Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung von
leistunmodulierten Sendern, insbesondere von Lasern Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistun von leistungsmodulierten Sendern, insbesondere von Lasern, n.oh dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bei Arbeiten mit leistungsintensiven Strahlungsquellen, insbesondere mit Lasern, ist aus meßtechnischen Gründen und im Hinblick auf Schutzvorschriften eine Überwachung der Strahlungsleistung erforderlich. Diese Leistungskontrolle wird bisher eo durcheführt, daß ständig oder zeitweise mindestens ein Teil der Strahlung einem Detektor zugeführt wird, der die Strahlung völlig absorbiert. Die bekannten Verfahren bedingen meistens einen störenden Eingriff in den Strahlengang und erfordern einen Arbeitsaufwand beim Justieren der Strahlung auf den Detektor. Eine Yenünderun;, der Justierung kann bei der Messung eine in Wirklichkeit nicht vorhandene Anderung der Strahlungsleistung vortäuschen.
Ein für solche Strahlungsleistungsmessungen, insbesondere im Infrarotbereich, bekannter Detektor ist die nach dem optoakustischen Prinzip arbeitende Golay-Zelle. Diese besteht aus einem gasgefüllten Hohlraum, der ein Fenster für den Eintritt der zu messenden, modulierten Strahlung und dem Fenster gegenüberliegend eine die Strahlung völlig absorbierende, schwarze Fläche aufweist Der Hohlraum ist durch eine von Druckschwankungen im Gas auslenkbare Membran abgeschlossen, deren Durchbiegungen, z.B. mit Hilfe einer Spiegelanordnung, gemessen werden. Durch die Absorption der Strahlung an der schwarzen Fläche wird das Gas mit der Frequenz der Strahlungsmodulation erwärmt. Die dadurch hervorgerufenen Pulsationen des Gasdruckes sind in ihrer Amplitude proportional der Strahlungsleistung und können deshalb als Maß für diese dienen. Bei anderen auf dem opto-akustischen Effekt beruhenden Meßeinrichtungen sind für die Messung von Gasdruckschwankungen auch Mikrophone eingesetzt worden.
Der Erfindung liegt die nuflahe zugrunde, eine Meßeinrichtung der genannten Art nnzu,eben, die es ermöglicht, die Strahlungsleistung eines leistungsmodulierten Senders ohne oder unter möglichst geringer Beeinflussung der Strahlung zu messen und/ oder zu steuern.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es bei einer auf dem opto-akustischen Effekt beruhenden Meßeinrichtung, z.B.
nach Art einer Golay-Zelle, für die Messung der Strahlungsleistung meist nicht erforderlich ist, die gesamte Strahlung an einer schwarzen Flache zu absorbieren, sondern daß für die Erzeugung meßbarer Gasdruckschwankungen die geringfügige Strahlungsabsorption ausreichend ist, die beim Durchgang der Strahlung durch fast völlig durchlässige Fenster oder bei der Reflexionlan spiegelnden Scheiben eintritt.
Eine besonders einfache und zweckmäßige Anordnung der Meßeinrichtung wird erhalten, wenn die im Strahlengang liegenden Endscheiben der gasgefüllten Zelle von optischen Komponenten der Strahlungsquelle gebildet sind, die für die zu messende Strahlung durchlässig sind (Fenster oder Linsen-) oder sie reflektieren (Spiegel). Die äußerst geringen Strahlungsverluste in diesen Komponenten reichen bei nicht zu schwachen Strahlungsquellen aus, um über den opto-akustischen Effekt eine Erwärmung des zwischen ihnen befindlichen Gases zu bewirken. Diese führt -sofern die Abgrenzung eines Volumens und eine Modulation der Strahlung möglich sind - zu Druckschwankungen, welche mit einem Mikrophon erfaßt werden können. Da bei dieser Anordnung im Strahlengang nur die an sich in der Strahlungsquelle vorhandenen Komponenten liegen, tritt kein zusätzlicher Leistungsverlust ein.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt. Es zeigen: Figur 1 eine Meßeinrichtung nach der Erfindung, die im Strahlengang eines leistungsmodul?ierten Lichtstrahles angeordnet ist, Figur 2 eine Meßeinrichtung, bei der ein zweilinsiger Kondensor als opto-akustischer Wandler zur Strahlungsleistungsmessung ausgebildet ist, Figur 7 einen leistungsmodulierten Laser, dessen eines Brewsterfenster und der diesem benachbarte Auskoppelspiegel die Fenster eines opto-akustischen Wandlers bilden, mit einem Blockschaltbild für die Konstanthaltung der Strahlungsleistung des Lasers.
Bei der Meßeinrichtun nach der Figur 1 kommt der Lichtstrahl s entweder on einer leistungsmodulierten Strahlungsquelle oder er stammt von einer Strahlungsquelle mit konstanter Leistung und ist durch einen Chopper moduliert. Die zur Überwachung der strahlungsLeistung dienende Meßeinrichtung besteht aus einem mit einem für die zu messende Strahlung absorptionsfreien Gas, z.B. Luft, gefüllten Gehäuse 1, in das für die zu messende Strahlung durchlässige Fenster 2, 3 gasdicht eingesetzt sind.
An den Innenraum des Gehäuses 1 ist unmittelbar oder über eine kurze Leitung ein Mikrophon 4 angeschlossen. Die beim Durchgang des modulierten Strahles S hervorgerufenen, geringfügigen Temperaturänderungen an den Fenstern 2, 3 bewirken kleine Druckschwankungen in der Gasfüllung des Gehäuses 1 mit der Frequenz der Strahlungsleistungsmodulation. Die Druckschwankungen wirken auf die Membran des Mikrophons 4 und rufen am Ausgang des Mikrophones ein elektrisches Wechselsignal mit derselben Frequenz hervor. Das Wechselsignal kann einem Meßinstrument zugeführt oder zur Leistungsregelung der Strahlungsquelle herangezogen werden.
Die an deü Fenstern 2, 3 absorbierte Strahlungsleistung ist sehr gering und kann z.B. nur etwa 1 % je Fenster oder weniger betragen. Die Reflexionsverluste können durch Schrägstellen der Fenster entsprechend dem Brewsterwinkel reduziert werden. Es ist deshalb möglich, die Meßeinrichtung während des Betriebes im Strahlengang zu belassen. Sie bedarf auch keiner besonders genauen Justierung.
Zur Eichung der Meßeinrichtung wird die Strahlung nach Durchgang durch die Einrichtung auf ein Strahlungsmeßgerät bekannter Empfindlichkeit, z.B. auf eine in der Figur 1 gestrichelt dargestellte Golay-Zelle 5, gerichtet. Ein Vergleich der'mit der Golay-Zelle 5 gemessenen Strahlungsleistung mit den am Mikrphonausgang ermittelten Werten ermöglicht die Aufstellung einer Eichkurve, die bei weiteren Messungen verwendet werden kann.
Die Ausbildung einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung unter Verwendung an sich vorhandener optischer Komponenten einer Strahlungsquelle zeigt die Figur 2 bei einem zweilinsigen Kondensor, wie er z.B. in Projektoren verwendet wird. Die beiden Linsen 7 und 8 des Kondensors bilden die Fenster eines optoakustischen Wandlers. Sie sind durch ein Gehäuse 6 gasdicht verbunden. An den Innenraum des Gehäuses 6 ist ein Mikrophon 9 angeschlossen, dessen Ausgangssignal gemessen wird oder die Leistung der Lichtquelle steuert. Für die Modulation des Lichtstrahles S kann z.B. die durch die Netzfrequenz etwas pulsierende Strahlungsleistung der Lichtquelle herangezogen werden.
Gemäß der Ausführungsform nach der Figur 3 ist die Meßeinrichtung in einen gepulsten Laser L integriert. Der Raum zwischen einem der Brewsterfenster 12 des Lasers und dem diesem Fenster 12 benachbarten Auskoppelungsspiegel 13 ist gasdicht von einem Gehäuse 11 eingeschlossen und mit einem Mikrophon 14 verbunden.
Diese Anordnung setzt voraus, daß die Laserleistung, z.B. durch Q-switch-Betrieb, gepulst oder moduliert ist.
In die Figur 3 ist auch ein Blockschaltbild für die Leistungsstabilisierung des Lasers L eingetragen. Das Ausgangssignal des Mikrophons 14 wird zu diesem Zweck über einen Wechselspannungsverstärker 15 und einen Gleichrichter 16 einem Komparator 17 zugeführt und dort mit der Ausgangsspannung eines Sollwertgeber 1es verglichen. Der Komparatorausgang ist mit dem Regelkreis 19 für die Leistungssteuerung 20 des Lasers L verbunden.
Bei Messungen mit Laserstrahlung in verschiedenen Spektralbereichen vn 632 nm, 10 µm und 0,4 mm Wellenlänge hat sich ergeben, daß mit der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung selbst unter Verwendung sehr einfacher Kondensatormikrophone noch StrahlungsWeistungen von 10 5W nachweisbar sind. Durch Optimierung der Mikrophone und der Zellengeometrie dürfte eine Steigerung der Empfindlichkeit auf 10-7W erreichbar sein.
Die Erfindung ermöglicht auch eine einfache Messung von Absorptionsverlusten, indem gleichzeitig vor und hinter dem Prüfling die Strahlungsleistung mit erfindungsgemäßen Meßeinrichtungen bestimmt wird.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E ¼ X Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung von leistungsmodulierten terlderrl, insbesondere von Lasern, mit einem die Strahlungsmodulation in Gasdruckmodulation umsetzenden optoakustischen Wandler, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die im Strahlengang liegenden Komponenten des opto-akustischen Wandlers für die zu messende Strahlung praktisch vollständig durchlässig oder spiegelnd sind.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, da durch gekennzeichnet, daß der opto-akustische Wandler aus einer an ihrem einen Ende durch eine durchlässige und an ihrem anderen Ende durch eine durchlässige oder eine spiegelnde Scheibe (2,3) abgeschlossenen, gasgefüllten Zelle (Gehäuse 1) besteht, an die ein auf Druckschwankungen im Gas ansprechendes Meßgerät, z.B. ein Mikrophon (4), angeschlossen ist.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t (daß die Endscheiben der gasgefüllten Zelle von optischen Komponenten der Strahlungsquelle gebildet sind.
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Endscheiben von einem der Brewsterfenster (12) und einem diesem benachbarten Laserspiegel (13) eines Lasers gebildet sind, die durch ein Gehäuse (11) gasdicht verbunden sind. (Figur 3).
5; Meßeinrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß die Endscheiben von zwei benachbarten Linsen (7,8) eines Kondensors, z.B. in einem Projektor, gebildet sind, die durch ein Gehäuse (6) gasdicht verbunden sind.
6. Einrichtung zum Konstanthalten der Strahlungsleistung einer Strahlungsquelle, lrl:L)esorlsJere eines Lasers mittels einer Einrichtung nach Anspruch 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang des Mikrophons (14) über einen Verstärker (15) und einen Gleichrichter (16) ein Komparator (17) angeschlossen ist, der das verstärkte Meßsignal mit der Ausgangsspannung eines Sollwertgebers (18) vergleicht, und daß der Ausgang des Komparators (17) mit dem Regelkreis (19) der Leistungssteuerung (20) für die Strahlungsquelle (L) verbunden ist. (Figur 3).