DE3002559C2

DE3002559C2 - Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern

Info

Publication number: DE3002559C2
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: 1983-09-22
Also published as: DE3002559A1

Description

2. Meßkopf nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (7; T) des Abschatters (8; 8') durch eine Bohrung (6; 6') in der Photometerkugel (t, 2) lichtdicht nach außen geführt und durch Drehen oder Schieben, vorzugsweise manuell, zu betätigen ist.

3. Meßkopf nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verstellvorrichtung (7; T) derart ausgebildet ist, daß diese sich nach ihrer Betätigung von selbst, z. B. durch Federkraft oder Eigengewicht, in die Stellung zurückbewegt, in welcher der Abschatter (8; 8') den großflächigen Photodetektor (9) gegen den Laserstrahl (E) vollständig abschattet.

4. Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Auswerteelektronik, die aus dem Signal (Si) des kleir-flächigen Photodetektors (10) mit hoher Grenzfrequenz die Pulsdauer sowie die Pulsfrequenz des Laserstrahles (E) und aus dem Signal (S 2) des großflächigen Photodetektors (9) die Strahlungsenergie bei gepulsten Lasern sowie die Strahlungsenergie und die Strahlungsleistung bei kontinuierlich emittierenden Lasern ermittelt und anzeigt. ·

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 Wissenschaft und Technik hin ausgedehnt. Dadurch bedingt, gewinnen die experimentellen Methoden zur möglichst exakten Ermittlung der jeweiligen Laser-Strahlungsleistung bzw. -energie 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 Strahlungsmenge (Energie) bzw. der Strahlungsleistung lassen sich in vier Klassen einteilen:

1. Kalorimetrische Methode

2. M essung des Strahlungsdrucks

3. Messung von nichtlinearen Effekten in Kristallen

4. Ausnutzung des photometrischen Effektes

Durch ihre Überlegenheit gegenüber den anderen Methoden wird die letztgenannte Meßmethode z. Z. am häufigsten angewandt.

Bei Messung von kleinen Strahlungsleistungen (Bestrahlungsstärke 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 Zerstörungsgefaur des Photodetektors der Laserstrahl zuerst gedämpft werden. Als besonders brauchbare Vorrichtung zur Dämpfung von Laserstrahlen hat sich eine Photometerkugel (ULBRICHTsche Kugel) erwiesen.

Aus der DE-OS 24 17 399 ist eine Photometerkugel bekannt, die efcie Lichteinlaßöffnung, eine dieser diametral gegenüberliegende Wandöffnung für einen großflächigen Photodetektor und einen zwischen beiden Wandöffnungen im Innenraum liegenden Abschatter aufweist. Diese Photometerkugel ist jedoch wegen des an der Lichteinlaßöffnung vorgesehenen lichtstreuenden Körpers, wegen der Transparenz des Abschatters und wegen der verwendeten Partialfilter vor dem Photodetektor nur für die Messung lichttechnischer Größen bei inhomogener optischer Strahlung, aber nicht zum Bestimmen der Strahlungsenergie und der Strahlungsleistung von Lasern geeignet.

Aus der US-PS 39 68 363 ist eine Photometerkugel bekannt, die ebenfalls einander diametral gegenüberliegende Wandöffnungen für den Strahleneinlaß bzw. für das Ansetzen eines Photodetektors, sowie einen dazwischenliegenden, weißbeschichteten Abschatter aufweist. Dabei werden jedoch ultraviolette Strahlungsanteile in sichtbares Licht umgewandelt.

Aus der DE-PS 12 93 473 ist bekannt, eine geringfügige Dämpfung der zu messenden Strahlung durch eine im Meßstrahl rotierende Drahtschleife zu bewirken.

Die Druckschrift Rev. Sei. Instrum. 50, Mai 1979, S. 582-585, beschreibt einen kleinflächigen Photodetektor zur Messung von sehr kurzen optischen Impulsen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art anzugeben, welcher sowohl die Messung kleiner als auch beliebig großer Strahlungsleistungen von kontinuierlich emittierenden Lasern sowie die Messung der Strahlungsenergie und gleichzeitig der Strahlungsleistung von gepulsten Lasern mit beliebiger Frequenz und Pulsform ermöglicht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen 2 bis 4 angegeben.

Im folgenden sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigt jeweils schematisch

Fig. 1 einen Meßkopf mit einem seitlich aus dem

Strahlengang herausziehbaren Abschatter,

F i g. 2 einen Meßkopf mit einem durch eine Drehung aus dem Strahlengang entfernbaren Abschatter,

F i g. 3 ein Blockschaltbild der Auswerteelektronik.

Der in der Fig. 1 dargestellte Meßkopf ist aus zwei Halbkugeln 1 und 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 gegenüberliegende Öffnung 4 ist ein großflächiger Photodetektor 9 befestigt, der ein Signal 52 liefert 90° zur Sirahlenrichtung versetzt ist an der Hohlkugel eine weitere Öffnung 5 angebracht, an die ein kleinflächiger Photodetektor 10, der eine große Grenzfrequenz bzw. eine kleine Anstiegszeit aufweist, befestigt ist. Aus der Amplitude des Signals 52 und der Puisdauer bzw. Pulsfrequenz des Signals 51 ist eine Aussage über die Strahlungsenergie und gleichzeitig der Strahlungsleistung von gepulsten Lasern mit beliebiger Frequenz und Pulsform und von kontinuierlich emittierenden Lasern möglich.

Beispielsweise in der Mitte zwischen den Öffnungen 4 und 5, also z. B. 135° bzw. 45° zur Strahlenrichtung, liegt an der Hohlkugelwand eine Bohrung 6. Durch diese Bohrung führt eine Achse, an der ein Abschatter 8 in Form eines Plättchens 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 £ entfernt werden. Der Laserstrahl ist dann direkt auf die aktive Fläche des Photodetektors 9 gerichtet. So können auch sehr kleine Strahlungsleistungen gemessen werden. Da von dem Photodetektor 9 etwa 30% des einfallenden J5 Strahlungsflusses in den Hohlraum zurückreflektiert werden, wird auch in dieser Position des Abschatters 8 ein Bruchteil des in den Hohlraum einfallenden Laserstrahls an den anderen Photodetektor 10 gelangen, so daß dieser auch dann ein Signal 51 zur Erkennung der Betriebsart des Lasers bzw. der Pulsform liefert.

Wenn eine größere Laserstrahileistung bzw. -energie gemessen werden soll, wird mit Hilfe der Verstellvorrichtung 7 der Abschatter 8 in die in F i g. 1 gezeigte Stellung eingeschoben. Nun trifft der Laserstrahl £den Abschatter, wird durch mehrfs^he Reflexion im Hohlraum verteilt und dadurch gedämpft. An den Öffnungen 4 und 5 herrscht nun die gleiche Bestrahlungsstärke [Si-Einheit W/m²], aber wegen ihrer verschieden großen Durchmesser erfassen diese Öffnungen eine unterschiedliche Strahlungsenergie [W · s] bzw. Strahlungsleistung [W].

Eine andere Form des Abschatters 8' und seiner Verstellvorrichtung T ist in Fig.2 abgebildet. Durch Drehung der Venteilvorrichtung T in 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 Meßkopfes 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 kleinflächiger Photodetektor 10 eine schnelle Photodiode (aktive Fläche ca. 1 mm². Anstiegszeit des Photostrcmes 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 groß 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 Meßkcpfes befindliche Teil der Verstellvorrichtung 7 bzw. T des Abschatters soll möglichst kleine Abmessungen haben. Durch diese Maßnahme wird die Störung der optischen Integration im Hohlraum gering gehalten.

Um zu verhindern, daß ein Laserstrahl mit zu hoher Strahlungsleistung versehentlich unmittelbar auf den großflächigen Photodetektor 9 gelangt, der hierdurch beschädigt oder zerstört werden könnte, sind die Verstellvorrichtungen 7 bzw. T vorzugsweise so ausgeführt, daß sie sich nach ihrer manuellen oder mechanischen Betätigung von selbst, z. B. durch Eigengewicht oder Federkraft, in di>r Stellung zurückbewegen, in welcher der Abschatter 3 bzw. 8' die Wandöffnung 4 gegen den Laserstrahl E vollständig abschattet.

F i g. 3 zeigt als Blockschaltbild eine Ausführung der Auswe.-teelektronik für die Meßköpfe nach den F i g. 1 und 2.

Es bedeuten:

11,12 Breitbandige Verstärker

13 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsfrequenz bei gepulst 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 Ermittlung der Strahlungsleistung bei gepulst emittierenden Lasern

20 Digitale Anzeigeeinheit, mit der folgende Größen angezeigt werden können·

a) Emittierte Strahlungsenergie des Lasers

b) Emittierte Strahlungsleistung des Lasers
ei Pulsdauer eines gepulsten Lasers

d) Pulsfrequenz (Wiederholfrequenz) eines gepulsten Lasers

Der Meflkopf sur Messung der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern kann getrennt vom Lasergerät in den Strahlengang £gebracht werden rdei ciirekl an dem Lasergerät mit Hilfe eines dem jeweiligen Gerätetyps angepaßten Verbindungsstücks befestigt wurden; in diesem Fall wird eine Verfälschung der Messung durch Fremdlicht, das u. U. durch die Einlaßöffnung 3 in den Hohlraum des Vorsatzes gelangen kann, verhindert.

Während der Messung der Laserstrahlleistung bzw. -energie mit Hilfe des beschriebenen Meßkopfes wird der Laserstrahl E im Hohlraum des Meßkopfes absorbiert und steht für seine jeweilige Verwendung nicht zur Verfügung.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von kontinuierlich strahlenden oder gepulsten Lasern, bestehend aus einer innen mit einem diffus reflektierenden Belag versehenen Photometerkugel, die eine Wandöffnung für den Eintritt des zu vermessenden Laserstrahles, eine weitere der Lichteintrittsöffnung etwa diametral gegenüberliegende Wandöffnung mit einem großflächigen Photodetektor sowie zwischen den beiden Wandöffnungen in dem Innenraum der Kugel einen ebenfalls diffus reflektierenden, einen weißen Belag aufweisenden, plättchenförmigen Abschatter j=j aufweist, der den großflächigen Photodetektor vollständig gegen den direkten Einfall des Laserstrahles abschattet, dadurch gekennzeichnet, daß

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a) der Abschatter (8; 8') mittels einer Verstellvorrichtung (7; T) zwischen der den Laserstrahl (E) diffus reflektierenden sowie den großflächigen Photodetektor (9) abschattenden Stellung und einer den Laserstrahl vollständig freigebenden Stellung bewegbar ist, und

b) in der Photometerkugel (1, 2) etwa senkrecht zur Richtung des Laserstrahles (E) eine dritte Wandöffnung (5) mit einem kleinflächigen Photodetektor (10) vorgesehen ist, der eine hohe Grenzfrequenz aufweist