DE3002558B1

DE3002558B1 - Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern

Info

Publication number: DE3002558B1
Application number: DE19803002558
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing. 5100 Aachen Blazek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-04-02
Also published as: DE3002558C2

Description

Phasengrenzen) ein kleiner Teil R des Laserstrahls E regulär reflektiert, durch die Mehrfachreflexion im Hohlraum regelmäßig verteilt, dadurch in gewünschter Weise gedämpft und schließlich durch weitere Wandöffnungen 4 und 5 auf zwei Photodetektoren 7 und 8 gelenkt. Der Photodetektor 7 liefert ein elektrisches Signal S1 und ist zur Messung der Pulsform und der Pulsbreite (Wiederholfrequenz) des Laserstrahls E bestimmt. Der Photodetektor 7 zeichnet sich deshalb durch eine kleine photoempfindliche Fläche und durch eine hohe Grenzfrequenz aus. Der Photodetektor 8 dagegen ist zur Messung der Strahlungsenergie bzw. der Strahlungsleistung bestimmt und besitzt deshalb eine große photoempfindliche Fläche; er liefert ein elektrisches Signal S2. Zur elektronischen Verarbeitung der Signale S 1 und æ kann vorzugsweise eine Auswerteelektronik dienen, wie sie in der F i g. 2 dargestellt ist. In dem Blockschaltbild nach F i g. 2 bedeuten: 12, 13 Breitbandige Verstärker 14 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsfrequenz bei gepulst emittierenden Lasern 15 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsdauer bei gepulst emittierenden Lasern 16 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Strahlungsenergie bei kontinuierlich oder gepulst emittierenden Lasern 17, 18, 19 Analog/Digital-Wandler 20 Dividiereinheit (Energie/Zeit = Leistung) zur Ermittlung der Strahlungsleistung bei gepulst emittierenden Lasern 21 Digitale Anzeigeeinheit, mit der folgende Größen angezeigt werden können: a) Emittierte Strahlungsenergie des Lasers b) Emittierte Strahlungsleistung des Lasers c) Pulsdauer eines gepulsten Lasers d) Pulsfrequenz (Wiederholfrequenz) eines gepulsten Lasers Der Innendurchmesser des strahlungsintegrierenden Hohlraums beträgt vorzugsweise etwa 50 mm, kann aber je nach Anwendung kleiner oder größer sein. Der Durchmesser der ca. 1 mm dicken Glasplatte 11 soll etwa ein Fünftel des Innendurchmessers des Hohlraums nicht überschreiten.
Der Winkel zwischen der Normalen N auf die Oberfläche der Glasplatte 11 und der Richtung des einfallenden Laserstrahls Esoll im allgemeinen etwa-tO0 betragen, so daß die seitliche Versetzung der Richtung des Ausgangsstrahls A gegenüber dem Eingangsstrahl E sehr gering ist.
Für spezielle Anwendungen, z. B. bei der Leistungsmessung einer elliptisch polarisierten Laserstrahlung wird der Winkel zwischen der Normalen N auf die Oberfläche der Glasplatte 11 und der Richtung des einfallenden Laserstrahls Eso groß wie der sogenannte Polarisationswinkel gewählt, der für Glas-Luft-Grenzflächen etwa 56" beträgt (BREWSTERsche Gesetz).
Dadurch wird erreicht, daß die parallel zur Einfallsebene schwingende Komponente des elektrischen Feldvektors, d. h. die parallele Komponente der Laserstrahlung ohne Reflexion die Glasplatte 11 passiert; es wird in diesem Fall nur die zur Einfallsebene senkrechte Komponente der Laserstrahlung erfaßt. So kann man den Meßkopf auch vorteilhaft in der Funktion als Polarisationsfilter zur Signaldetektion eines in der Polarisationsrichtung modulierten Laserstrahls verwenden.
Der durch den regulär reflektierten Strahlungsanteil an der Glasplatte 11 nur geringfügig geschwächte Laserstrahl A verläßt durch die Ausgangsöffnung 6 die Photometerkugel 1, 2 und steht für den jeweiligen Anwendungszweck ständig, d. h. auch während der Leistungs- bzw. Energiemessung zur Verfügung. Die Anordnung der teils reflektierenden Glasplatte 11 in der Photometerkugel erlaubt die Messung auch sehr großer Strahlungsleistungen ohne Beschädigung der Photodetektoren.
Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann mit Hilfe eines dem jeweiligen Gerätetyp angepaßten Verbindungsstückes direkt an dem Lasergerät befestigt werden. An der Austrittsöffnung 6 der Photometerkugel 1, 2 kann in an sich bekannter Weise ein Lichtleiter angebracht werden der den austretenden Laserstrahl A an die Stelle seiner Verwendung leitet. Durch diese Maßnahmen kann der störende Einfluß von Fremdlicht auf die Meßergebnisse mit Sicherheit vermieden werden.
Durch Auswertung der Signale S I und S2 der Photodetektoren 7 bzw. 8 kann die Laserleistung bzw.
die Laserenergie so geregelt werden, daß der Laserstrahl A ständig die gewünschten energetischen Eigenschaften aufweist.
Die vorstehend anhand der Fig. 2 beschriebene Auswerteelektronik ist auch in der Patentanmeldung »Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern« desselben Anmelders enthalten und dort beansprucht.

Claims

Patentansprüche: 1. Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern, bestehend aus einer Photometerkugel (sog. ULBRICHT-Kugel) mit einer Eintrittsöffnung für den Laserstrahl und mindestens einer weiteren Wandöffnung zum Ansetzen eines Photodetektors, d a du r c h g e -kennzeichnet, daß die Photometerkugel (1, 2) eine Austrittsöffnung (6) für den Laserstrahl (A) aufweist, und daß im luftgefüllten Hohlraum der Photometerkugel geneigt zu der Richtung des durch die Eintrittsöffnung (3) einfallenden Laserstrahls (E) eine dünne, nicht absorbierende und nicht streuende Glasplatte (11) im Strahlengang angeordnet ist, die den Laserstrahl vor Austritt aus der Kugel nur geringfügig schwächt.
2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Normalen (N) auf die Oberfläche der Glasplatte (11) und der Richtung des eintretenden Laserstrahles (E) etwa 10° beträgt.
3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Normalen auf die Oberfläche der Glasplatte und der Richtung des eintreffenden Laserstrahls etwa so groß ist wie der sog. Polarisationswinkel ( 56").
4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (8) in einem Bereich der Photometerkugel (1, 2) angeordnet ist, der nicht unmittelbar von dem an der Glasplatte (11) regulär reflektierten Teil (R) des Laserstrahls (E) getroffen wird.

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Messung der Strahlungsleistung bzw. der Strahlungsenergie darf praktisch nur in einigen wenigen Fällen der Laserstrahl direkt auf der photoempfindlichen Fläche eines Photodetektors abgebildet werden, und zwar dann, wenn die Bestrahlungsstärke kleiner als etwa 2 mW/mm2 ist.

Wegen der meist größeren Leistungen bzw. wegen des sehr kleinen Durchmessers des Laserstrahls und wegen seiner geringen Strahldivergenz muß in der meßtechnischen Praxis bei Leistungsmessungen oft zuerst ein Teil des Laserstrahls mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung ausgekoppelt oder durch andere Methoden gedämpft werden.

Nach dem Stand der Technik kann die Laserstrahlschwächung durch eine ebene Phasengrenze (Glasplatte) durchgeführt werden. Diese Glasplatte wird dazu unter einem bestimmten Winkel in den Strahlengang gesetzt. Beträgt der Brechungsindex n des verwendeten Glases etwa 1,5 und ist der Einfallswinkel kleiner als 15°, werden etwa 2 x 4% des einfallenden Strahls reflektiert und etwa 92% stehen der Anwendung zur Verfügung.

Der reflektierte Strahlungsanteil kann dann direkt mit einem Photodetektor gemessen werden. Diese Methode weist aber folgende Nachteile auf: 1. Da die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors nicht konstant über die gesamte aktive Photofläche ist, können schon geringe Abweichun- gen der Laserstrahlrichtung zu einem unterschiedlichen Meßergebnis führen.

2. Da eine Abschirmung der Meßvorrichtung meist schwierig ist, kann das Meßergebnis durch Fremdlicht erheblich verfälscht werden.

3. Der Meßbereich ist auf Laserleistungen bis zu etwa 50 mW/mm2 beschränkt (wenn n= 1,5, Einfallswinkel a 100 und der Zerstörungsbereich des Photodetektors etwa bei 2 mW/mm2 angenommen werden).

Ebenfalls sind nach dem Stand der Technik einige Methoden zur Dämpfung des Laserstrahls bekannt. In der Praxis hat sich dazu als besonders brauchbar eine als ULBRICHT-Kugel bekannte Photometerkugel erwiesen (s. z.B. OPTO-Elektronik Katalog 1979 der Fa.

United Detector Technology, vertrieben durch ts-electronic GmbH in München). Alle bisher nach dem ULBRICHTschen Prinzip bekannten Meßköpfe (siehe z. B. US-PS 39 68363 und DE-OS 24 17 399) haben aber den Nachteil, daß sie zum Zeitpunkt der Messung der Laserstrahlleistung bzw. -energie den Laserstrahl absorbieren, so daß dieser zur weiteren Anwendung nicht mehr zur Verfügung steht. Eine kontinuierliche Überwachung des Laserstrahls während des Einsatzes ist deshalb unmöglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung mit Photometerkugel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, welche die kontinuierliche Überwachung der Laserstrahlungsleistung und der Laserstrahlungsenergie ermöglicht, wobei der Laserstrahl nur geringfügig gedämpft wird und somit auch während der Leistungsmessung für die jeweilige Anwendung zur Verfügung steht und auch die oben angegebenen Nachteile der Absorptionsmethode vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung beruht auf einer Ausnutzung an sich bekannter Effekte (reguläre Reflexion an einer Glasscheibe, Dämpfungswirkung einer Photometerkugel), wobei durch eine sinnvolle Kombination und Anordnung die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden werden und ihre Vorteile voll zur Wirkung kommen. In der F i g. list ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Die F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik.

Die Photometerkugel der Meßeinrichtung ist aus zwei Halbkugeln 1 und 2 zusammengesetzt und weist, wie die bekannten ULBRICHT-Kugeln einen kugelförmigen, luftgefüllten Hohlraum auf, der mit einem annähernd ideal weißen, diffus reflektierenden Belag beschichtet ist. Der Laserstrahl E tritt durch eine Eintrittsöffnung 3 in den Hohlraum ein und fällt auf eine dünne, vorzugsweise in der Mitte des Hohlraums mittels eines Haltesteges 9 und eines Halterings 10 unter einem bestimmten Winkel geneigt zur Strahlrichtung befestigte, klare Glasplatte 11. Haltesteg 9 und Haltering 10 weisen möglichst kleine Abmessungen und einen weißen Belag auf, damit sie die optische Integration im Hohlraum wenig stören. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes zwischen Luft und Material der Glasplatte 11 wird an beiden Seiten der Glasplatte (sog.