DE3002559A1

DE3002559A1 - Messkopf zum messen der strahlungsleistung und der strahlungsenergie von lasern

Info

Publication number: DE3002559A1
Application number: DE19803002559
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: 1981-07-30
Also published as: DE3002559C2

Description

Meßkopf zum Messen der Strahlungs-
leistung und der Strahlungsenergie von Lasern Die Erfindung betrifft einen Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Die Anwendungsmöglichkeit von Laser-Strahlung hat sich in verhältnismäßig kurzer Zeit auf fast alle Gebiete der Wissenschatt und Technik hin ausgedehnt. Dadurch bedingt, gewinnen die experi mentellen Methoden zur möglichst exakten Ermittlung der jeweiligen Laser-Strahlungsleistung bzwO-energle immer mehr an Bedeutung.
Die Strahlungsleistungen der heute kommerziell erhältlichen Laser reichen vom Milliwatt- bis zum Kilowatt-Bereich. Die in der Praxis bisher vorwiegend angewandten Methoden zur Messung der Strahlungs° menge (Energie) bzw. der Strahlungsleistung lassen sich in vier Klassen einteilen: 1. Kalorimetrische Methode 2. Messung des Strahlungsdrucks 3. Messung von nichtlinearen Effekten in Kristallen 4. Ausnutzung des photometrischen Effektes Durch ihre Uberlegenheit gegenüber den anderen Methoden wird die letztgenannte Meßmethode z. Z. am häufigsten angewandt.
Bei Messung von kleinen Strahlungsleistungen (Bestrah.lungsstärke kleiner als etwa 2 mW/mm2) wird der Laserstrahl direkt auf die photoempfindliche Fläche eines Photodetektors gerichtet.
Bei größeren Strahlungsleistungen, die die überwiegende Anzahl von in der Praxis eingesetzten Lasern im Dauer- oder Pulsbetrieb emittieren, muß wegen der Zerstörungsgefahr des Photodetektors der Laserstrahl zuerst gedämpft werden Als besonders brauchbare Vorrichtung zur Dämpfung von Laserstrahlen hat sich die ULBRICHT'sche Kugel erwiesen.
Die im Handel für diesen Zweck angebotenen ULBRICHT'schen Kugeln weisen einen kugelförmigen Hohlraum mit einer Einlaßöffnung für den Laserstrahl und eine um 900 versetzte Meßöffnung für einen Photodetektor auf.
Die eintretende Laserstrahluni wird auf eine der Einlaßöffnung etwa diametral gegenüberliegende Stelle der Kugelinnenwand gerichtet. An dem diffusen, weißen Belag der Innenwand wird durch die Mehrfachreflexion die Qaserstrahlung regelmäßig verteilt, so daß die Meßörfnung nur ein Bruchteil der Laserstrahlung trifft. Wegen ihrer Eigenschaft, die Strahlungsleistung regelmäßig im Hohlraum zu verteilen, wird die ULBRICHT'sche Kugel oft auch als strahlungs integrierende Kugel bezeichnet.
Nachteile der bisher für diesen Zweck als Meßkopf eingesetzten ULBRIC1lT'schen Kugeln sind folgende: 1. Wegen des relativ großen wellenlängenabhängigen Dämpfungsfaktors können die bisher üblichen Kugeln nicht zur Messung sehr kleiner Strahlungsleistungen bzw. Strahlungsenergie angewendet werden.
2, Für die Erfassung der Strahlungsenergie bzw. der Strahlungsleistung (gepulste oder kontinuierlich strahlende Laser) wird zur Erzielung einer großen Empfindlichkeit in jedem Meßkopf eine Photodiode mit relatlv gror aktiver Photofläche verwendet.
Die große Photo fläche bedingt aber eine große Sperrschichtkapazitt, die wiederum eine Messung der Strahlungsleistung schnell gepulster Laser verhindert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art anzugeben, welcher sowohl die Messung kleiner und beliebig großer Strahlungsleistungen von kontinuierlich emittierenden Lasern als auch die Messung der Strahlungsenergie und gleichzeitig der Strahlungsleistung von gepulsten Lasern mit beliebiger Frequenz und Pulsform ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Perknale des Patentanspruciis 1 gelöst. Vorteilhafte WeiterDildungen der Erfindung sind in den Ünteransprüchen angegeben.
Zm folgenden sind Ausführungsführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen jeweils schematisch: Fig. 1: Einen Meßkopf mit einem seitlich aus dem Strahlengang herausziebaren Abschatter, Fig. 2: einen Meßkopf mit einem durch eine Drehung aus dem Strahlengang entfernbaren Abschatter, Fig. 3: ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik.
Der in der Fig. 1 dargestellte Meßkopf ist aus zwei Halbkugeln 1 u. 2 zusammengesetzt und weist ebenso wie die bekannten Ulbrichtkugeln einen kugelförmigen, mit einem weißen, diffus reflektierenden Anstrich beschichteten Innenraum auf. Der Laserstrahl E tritt durch die Einlaßöffnung 3 in den Hohlraum ein. An eine gegenüber liegende öffnung 4 ist ein großflächiger Photodetektor 9 befestigt, der ein Signal S2 liefert.
Vorzugsweise 900 zur Strahlenrichtung versetzt ist an der hohlkugel eine weitere öffnung 5 angebracht, an die ein kleinflächiger Photodetektor 10, der eine große Grenzfrequenz bzw. eine kleine Anstieszeit aufweist, befestigt ist. Der kleinflächige Photodetektor 10 liefert ein Signal (S1, das die elektronische Messung der Pulsdauer bzw. der Pulsfrequenz ermöglicht. Aus der Amplitude des signals S2 ist eine Aussage über die Strahlungsenergie (bei kontinuerlich emittierenden Lasern auch über Strahlungsleistung) bzw.
unter der Verwendung des Signals S1 auch über die Strahlungsleistung gepuister Laser möglich.
Vorzugsweise in der Mitte zwischen den öffnungen 4 und 5, also z . 1350 bzw. 450 zur Strahlenrichtung, liegt an der Hohl-@ugelwand eine Bohrung 6. Durch diese Bohrung führt eine wachse, an der ein Abschatter 8 in Form eines Plättchens (oder eines hügelchens) befestigt ist. Mit Hilfe einer Verstellvorrichtung 7 kann der Abschatter 8, der samt seiner Halteachse ebenso wie die kugelinnenwand mit einem weißen, diffus reflektierenden Anstrich versehen ist, aus der Strahlenrichtung des Laserstrahls E entfernt worden. Der Laserstra;al ist dann ciirekt auf die aktive Fläche des k-hotodetektors 9 gericltet. So können auch sehr kleine Strahlungsleistungen gemessen werden. Da von dem Photodetektor 9 etwa 30 % des einfallenden Strahlungsflusses in den Hohlraum zurückreflektiert werden, wird auch in dieser Position des Abschatters 8 ein Bruchteil das in den Hohlraum einfallenden Laserstrahls an den anderen Photodetektor 10 gelangen, so daß aieser auch dann ein Signal S1 zur Erkennung der Betriebsart des Lasers bzw. der Pulsform liefert.
Wenn eine größere Laserstrahlleistung bzw. -energie gemessen werden soll, wird mit hilfe der Verstellvorrichtung 7 der Abschatter 8 in die in Fig. 1 gezeigte Stellung eingeschoben. Nun trifft der Laserstrahl E den Abschatter, wird durch mehrfache Reflektion im Hohlraum verteilt und dadurch gedämpft. An den Öffnungen 4 und 5 herrsche nun die gleiche Bestrahlungsstärke CSi-Ei heit W/m2 ], aber wegen ihrer verschieden großen Durchmesser er fassen diese öffnungen eine unterschiedliche strahlungsenergie [W. s] bzw. Strahlungsleistung[W].
Eine andere Form des Abschatters 8'und seiner Verstellvorrichtung 7' ist in Fig. 2 abgebildet. Durch Drehung der Verstelivorrichtung 7' ifl der Bohrung 6' kann das Abschatterplättchen 8' wiederum entweder in den Strahlengang des Laserstrahls E eingeführt werden (Position a zur Messung von großen Strahlungsleistungen bzw. -energien), oder aus dem Strahlengang entfernt werden (Position b für die Messung von kleinen Strahlungsleistungen).
Der innendurchmesser des tTeßkopfes beträgt vorzugsweise etwa 50 mm, kann aber je nach Anwendung bzw. Laserart kleiner oder größer sein.
Als großflächiger Photodetektor 9 kann vorzugsweise eine PIN-Photodiode eingesetzt werden (aktive Fläche ca. 1 cm2) , als kleinflächige Photodetektor 10 eine schnelle Photodiode aktive Fläche ca 1 mm2, Anstiegszeit des Photostromes kleiner als 1 ns).
Der Abschatter 8 bzw. 8' soll in seinem Durchmesser bzw. seiner Dicke jeweils möglichst klein sein, in jedem Fall muß er aber so qrcß sein, daß er,in den Strahlengang gebracht, die Meßöffnung 4 vor direkter Einstrahlung des Laserstrahls E durch die öffnung 3 vollständig abschattet. Auch der im Hohlraum des Meßkopf es befindliche Teil der Verstellvorrichtung 7 bzw. 7' des Abschatters soll möglichst kleine Abmessungen haben. Durch diese Maßnahme wird die Störung der optischen Integration im wohlraum gering gehalten.
Um ZU verhindern, daß ein Laserstrahl mit zu hoher Strahlungsleistung verehentlich unmittelbar auf den großflächigen Photodetektor 9 gelangt, der hierdurch beschädigt oder zerstört werden könnte, sind die Verstellvorrichtungen 7 bzw. 7' vorzugsweise so angeführt, daß sie sic nach ihrer manuellen oder mechanischen Betätigung von selbst, z. B. durch Eigengewicht oder Federkraft, in die Stellung zurück!ewegen, in welcher der Abschatter 8 bzw. 8' die Wandöffnung 4 gegen den Laserstrahl E vollständig abschattet.
Fig 3 zeigt als Blockschaltbild eine vorteilhafte Ausführung der Auswertelektronik für die Meßköpfe nach den Figuren 1 und 2.
Es bedeuten: 11, es 12 Breitbandige Verstärker 13 ........... Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsfrequenz be geoulst emittierenden Lasern 14 .......... Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsdauer bei gepulst emittierenden Lasern 15 ........... Auswerteeinheit zur analogen Messung der Strahlungsenergie bei kontinuierlich oder gepulst emittierenden Lasern 16, 17, 18 ... Analog/Digital-Wandler 19 ........... Dividiereinheit (Energie/Zeit = Leistung) zur Eirnittlung der Strahlungsleistung bei gepulst emittierenden Lasern 20 ........... digitale Anzeigeeinheit, mit der folgende Größe angezeigt werden können: a) Emittierte Strahlungsenergie des Lasers b) Emittierte Strahlungsleistung des Lasers c) Pulsdauer eines gepulsten Lasers d) Puls frequenz (pjiederholfrequenz) eines gepulsten Laser Der erfindungsgemäße Meßkopf zur Messung der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern kann getrennt vom Lasergerat in den Strahlergang E gebracht werden oder direkt an dem Lasergerät lt hilfe eines dem jeweiligen Gerätetype angepaßten Verbindungsstücks befestigt werden; in diesem Fall wird eine Verfdlschung der Messung durch j'remdlicht, das u. U. durch die Einlaßöffnung 3 in den Ilohlraum des Vorsatzes gelangen kann, verhindert.
Während der Messung der Lascrstrahlleistung bzw. der -energie mit hilfe des beschriebenen Meßkopfes wird der Laserstrahl E im hohlraum des Meßkopfes absorbiert und steht für seine jeweilige Verwendung nicht zur Verfügung.

Claims

Patentansprüche Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern, bestehend aus einer auf der Wand ihres hohlkugelförmigen Innenraumes mit einem weißen, diffus reflektierenden Belag versehenen Photometerkugel (sog. ULBRICHT'sche Kugel), die eine Eintrittsöffnung für den zu vermessenden Laserstrahl und eine weitere Wandöffnung zum Ansetzen eines Photodetektors aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die weitere Wandöffnung (4) mit einem großflächigen Photodetektor (9) der Eintrittsöffnung (3) für den Laserstrahl (E) etwa diametral gegenüberliegend angeordnet ist, und daß in dem Innenraum der Photometerkugel (1, 2) ein ebenfalls mit einem weißen, diffus reflektierenden Belag versehener, vorzugsweise plättchn- oder kugelförmiger Abschatter (8 bzw. 3 t ), der mittels einer Verstellvorrichtung (7 bzw. 7') zwischen einer den Laserstrahl (T.) reflektierenden sowie den Photodetektor (9) abschattenden und einer den Laserstrahl freigebenden Stellung bewegbar ist.
2. Meßkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß in der Photometcrkugel (1, 2) etwa senkrecht zur Richtung d Laserstrahles (3) eine dritte Wandöffnung (5) mit einem kleinflächigen Photodetektor (10) angebracht ist, der eine hohe Grenz frecunz aufweist.
3. Meßkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (7 bzw. 7') des Abschatters (8 bzw. 8V) durch eine Bohrung '6 bzw. 6') in der Photometerkugel (1, 2) lichtdlcht nach auch geführt und durch Drehen oder Schieben, vorzugsweise manuell, zu betätigen ist.
4. Meßkopf nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine solche Ausbildung der Verstellvorrichtung (7 bzw. 7'), daß diese sich nach ihrer BetäTigung von selbst, z. B. durch Federkraft oder Eigengewicht, in die Stellung zurückbewegt, in welcher der Abschatter (8 bzw.. 8') den Photodetektor (9) gegen den Laserstrahl (E) vollständig abschattet.
5. Meßkopf nach Anspruch 1 bis 4, gekennzeichnet durch eine Aüswerteelektronik, die aus dem Signal (S1) des kleinflächigen Photodetektors (10) mit hoher Grenzfrequenz die Pulsdauer sowie die Pulsfrequenz des Laserstrahles (E) und aus dem Signal (52) des großflächigebn Photodetektors (9) die Strahlungsenergie bei gepulsten Lasern sowie die Strahlungsenergie und die Strahlungsleistung bei kontinuierlich emittierenden Lasern ermittelt und anzeigt.