DE3002558C2 - Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern - Google Patents
Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von LasernInfo
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Description
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 dss 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 (Glasplat-
te) durchgeführt werden. Diese Glasplatte wird dazu unter einem bestimmten Winkel in den Strahlengang
gesetzt. Beträgt der Brechungsindex η des verwendeten Glases etwa 1,5 und ist der Einfallswinkel kleiner als 15°,
werden etwa 2x4% des einfallenden Strahls reflektiert μ
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:
65
1. Da die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors nicht konstant über die gesamte aktive
Photofläche ist, können schon geringe Abweichungen der Laserstrahlrichtung zu einem unterschiedlichen Meöergebnis führen,
Z 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— IA Einfallswinkel a~10" und der Zerstörungsbernch 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-EIektronik 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 68 363 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, weiche 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 Weiterbüdungesi 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. 1 ist ein AusführungsbeispiH einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Die F i g. 2 zeigt ein
Blockschaltbild einer Auswerteelektronik.
Die Photometerkugel der Meßeinrichtung ist aus >.wei 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 U. 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.
Phasengrenzen) ein kleiner Teil B 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 Si und ist zur Messung der Pulsform und der
Pulsbreite (Wiederholfrequenz) des Laserstrahls g 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 ι ο Strahlungsleistung bestimmt und besitzt deshalb eine
große photoempfindliche Fläche; er liefert ein elektrisches Signal §2. Zur elektronischen Verarbeitung der
Signale £1 und S2 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 nacn 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 fsoll im allgemeinen etwa 10°
betragen, so daß die seitliche Versetzung der Richtung des Ausgangsstrahls A gegenüber dem Eingangsstrahl £
20
25 sehr gering ist
Für spezielle Anwendungen, z, B. bei der Leistungsmessung
einer elliptisch polarisierten Laserstrahlung wird der Winkel zwischen der Normalen & auf die
Oberfläche der Glasplatte 11 und der Richtung des einfallenden Laserstrahls E so 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 U 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 gering 'ügig geschwächte
Laserstrahl A verläßt durch die Ausgan^öffnung 6 die
Photometerkugel 1, 2 und steht für den jeweiligen Anwendungszweck ständig, d. h. auch während der
Leistungs- bzw. Energiemessung zur Verfugung. 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 Δ
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 SJ und 52 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.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (4)
1. Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern, bestehend
aus einer Photometerkugel (sog. ULBRJCHT-Kugel) mit einer Eintrittsöffnung für den Laserstrahl
und mindestens einer weiteren Wandöffnung zum Ansetzen eines Photodetektors, dadurch gekennzeichnet, daß die Photometerkugel (1, 2)
eine Austrittsöffnung (6) für den Laserstrahl (A) ι ο 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 (H) 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 (ti) 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 (B- des Laserstrahls (E) getroffen wird.
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