DE3215611A1

DE3215611A1 - Vorrichtung zur messung der polarisation eines laserstrahls hoher dauerstrichleistung

Info

Publication number: DE3215611A1
Application number: DE19823215611
Authority: DE
Inventors: Dieter 7151 Affalterbach Brandt; Peter Dipl.-Phys. Hoffmann; Eugen Dipl.-Ing. 7000 Stuttgart Schäfer
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1982-04-27
Filing date: 1982-04-27
Publication date: 1983-10-27

Description

Peter .tiof^jjiann, j-iu uci.^ciivja4.(.i.<> ^, .-— _,..

Eugen* Sfchäfei;," j^hkopf 4b,. 7000 Stuttgart 1

Beschreibung

Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Laserstrahls hoher Dauerstrichleistung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Laserstrahls hoher Dauerstrichleistung.

Seit kurzem ist allgemein bekannt, daß der Polarisation eines Laserstrahls beim Laser-Schneiden von Werkstoffen eine entscheidende Bedeutung zukommt. Demzufolge ist es erforderlich, die Polarisationseigenschaften eines Laserstrahls hoher Dauerstrichleistung zuverlässig und wegen möglicher Veränderungen - auch zeitlich aufgelöst zu bestimmen.

Es ist allgemein bekannt, daß Platten aus nichtmetallischen Werkstoffen ( z.B. Ge, KCl, ZnSe ), welche für die Laserwellenlänge ( z.B. 10 Mikrometer ) transparent sind, die unter dem Brewster-Winkel in den Strahlengang eingebracht werden, vorzugsweise Strahlung reflektieren, welche senkrecht zur Einfallsebene polarisiert ist. Bei hohen Intensitäten und großen Strahlquerschnitten sind diese Materialien jedoch entweder ungeeignet (Ge : temperaturabhängige Absorption), unbeständig (KCl : hygroskopisch), oder verhältnismäßig teuer (ZnSe).

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Andererseits ist bekannt, daß auch gut reflektierende Metalle bei nahezu streifendem Lichteinfall diese Eigenschaft aufweisen. (Duley, W.W. Academic Press New York: 1978, pp. 137)

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Polarisationseigenschaften von Laserstrahlen hoher Dauerstrichleistung auf einfache Weise zu messen. Darüber hinaus wird wegen der bei vielen Lasern nicht stabilen Polarisationsrichtung eine zeitliche Auflösung der Messung gefordert. Ferner ist es für zahlreiche Aufgaben der Lasermaterialbearbeitung wichtig, die Elliptizität von zirkulär polarisierter Laserstrahlung zu kontrollieren. Da bei Laserstrahlen mit höheren transversalen Modenzahlen die einzelnen Moden verschiedene Polarisationsrichtungen aufweisen, besteht eine weitere Aufgabe in der räumlichen Auflösung der Polarisationsmessung.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine ebene, perforierte Metallplatte geringer Dicke und mit spiegelnder Oberfläche so in einem, um seine Achse drehbar gelagerten und für den Ein-, bzw. Austritt von Laserstrahlung beidseitig offenen Rohr angebracht ist, daß ihre Oberflächennormale zur Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bildet; daß dieses Rohr eine weitere seitliche öffnung aufweist, und daß sich an dieser öffnung, außerhalb des Rohres, fest mit besagtem Rohr verbunden, ein Empfängerelement zur Intensitätsmessung von Laserstrahlung befindet.

Zur Messung der Polarisation von Laserstrahlung relativ niedriger Leistung (einige hundert Watt), ist zur kon-

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struktiven Vereinfachung vorteilhaft, wenn besagte Metallplatte keine Perforation aufweist.

Um die Baulänge des polarisierenden Reflektors in Richtung der optischen Achse zu verkürzen, ist nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß besagte Metallplatte durch einen Gitterrost ersetzt ist, bei welchem mindestens eine Reihe von Gitterstegen spiegelnde Oberflächen aufweist, deren Oberflächennormalen mit der Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bilden.

Zur Vermeidung von Beugungseffekten des Gitters ist in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß besagte Metallplatte durch ein schmales, ebenes Metallband mit spiegelnder Oberfläche ersetzt ist, dessen Mittellinie die Rohrachse schneidet und dessen Oberflächennormale mit der Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bildet.

Aus demselben Grund wird in einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß besagter Gitterrost durch eine Reihe von Stegen ersetzt ist, welche spiegelnde Oberflächen aufweisen, deren Oberflächennormalen mit der Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bilden.

Bei zahlreichen Anwendungen ist es vorteilhaft, wenn die Rohröffnung, aus welcher der Laserstrahl austritt, mit einem Strahlungsabsorber, oder dem Empfänger eines Leistungsmeßgerätes abgeschlossen ist.

Es ist ferner vorteilhaft, wenn besagtes Rohr über eine geeignete Antriebsart von einem Elektromotor in Rotation versetzt wird.

In diesem Fall ist auch vorgesehen, daß an besagtem Rohr Schleifringe zur Stromversorgung und MeßSignalabnahme angeordnet sind.

Um eine Information über den Drehwinkel zu erhalten, ist vorgesehen, daß an besagtem Rohr oder dem dieses antreibenden Elektromotor eine Einrichtung angebracht ist, die eine, dem Drehwinkel proportionale Spannung liefert.

Zur Vereinfachung der Auswertung der Messungen ist bei einem, bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß an besagtes Empfängerelement und besagten Winkelgeber eine Kombination von AD-Wandler, Mikroprozessor und DA-Wandler angeschlossen ist, die die gemessene Intensität und den gemessenen Winkel von Polarkoordinaten in Ausgangsspannungen, welche cartesischen Koordinaten entsprechen, umwandelt.

Damit Laserstrahlen höherer transversaler Modenzahlen mit räumlicher Auflösung der Modenstruktur vermessen werden können, ist bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß besagtes Empfängerelement durch eine lineare Aneinanderreihung mehrerer Empfängerelemente ersetzt ist.

Es kann vorteilhaft sein, wenn sich an der Eintrittsöffnung des Rohres ein Umlenkspiegel befindet.

Ferner kann vorteilhaft sein, wenn sich an der seitlichen Rohröffnung ein Umlenkspiegel befindet.

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Damit die Ansprüche an die Genauigkeit der Einjustierung der Vorrichtung auf den Laserstrahl geringer werden, oder um die Meßgenauigkeit bei gleichbleibenden Ansprüchen zu erhöhen, wird bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung vorgesehen, daß eine zweite seitliche öffnung, symmetrisch zur ersten, auf der gegenüberliegenden Rohrseite eingelassen ist, und daß sich an dieser, außerhalb des Rohres, fest mit besagtem Rohr verbunden, ein zweites, gleichartiges Empfängerelement, bzw. eine lineare Aneinanderreihung von Empfängerelementen zur Intensitätsmessung von Laserstrahlung befindet.

Zur Messung von Laserstrahlung hoher Leistung ist es von Vorteil, daß gegen diese Strahlung beständige Strukturen aus metallischen Werkstoffen vorzugsweise den senkrecht zur Einfallsebene polarisierten Anteil der Strahlung reflektieren und somit eine Vorrichtung, die solche Strukturen verwendet, die reflektierte Intensität als Funktion des Drehwinkels zwischen Einfalls- und Polarisationsebene zu messen erlaubt. Läßt man daher den Reflektor gemeinsam mit einem schnell ansprechenden Empfänger (z.B. pyroelektrischer Detektor) rotieren, so kann in vorteilhafter Weise eine zeitliche Auflösung der Messung erzielt werden. Durch Umwandlung der Intensitäts- und Winkelinformation in cartesische Koordinaten läßt sich das Polarigramm unmittelbar auf einem Oszillographenschirm sichtbar machen. Die Verwendung einer linearen Aneinanderreihung von mehreren Empfängerelementen, welche die Information zusätzlich räumlich aufzulösen gestatten, erlaubt es darüber hinaus, die gesamte Modenstruktur des Laserstrahls zu erfassen. Mit dieser Information läßt sich die Qualität eines Laserstrahls für die Materialbearbeitung in einfacher Weise beurteilen.

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Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung

Fig. 2 einen Querschnitt durch das Rohr gemäß Fig. 1

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Anordnung des Gitterrosts im Rohr (Längsschnitt)

Fig. 4 vier Beispiele für die Ausführung des Gitterrosts, sowie seine Orientierung zum Laserstrahl

Fig. 5 einen Querschnitt durch,, das Rohr gemäß Fig. 1 bei Verwendung eines Metallbandes gemäß Anspruch 3

Fig. 6 einen Querschnitt durch das Rohr gemäß Fig. 1 bei Verwendung von Metallstegen gemäß Anspruch 5

Fig. 7 eine schematische Darstellung (Längsschnitt) einer Ausführung mit linearer Aneinanderreihung mehrerer Empfängerelemente

Fig. 8 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer bevorzugten Ausführung der Vorrichtung gemäß Anspruch 14

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Das Grundprinzip der Erfindung ist im Folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 erläutert. Durch die öffnung 1 tritt ein Laserstrahl in das Rohr 2 ein und verläßt es wieder durch die öffnung 3. Ein bevorzugt senkrecht zur Einfallsebene polarisierter Teil, der Laserstrahlung wird an der perforierten Metallplatte 4 reflektiert und trifft nach Durchtritt durch die seitliche Rohröffnung 5 auf ein Empfängerelement 6. Letzteres ist mit dem Rohr 2 mittels Halterung 7 fest verbunden. Das Rohr 2 ist vermittels Lagern 8 in einem Gehäuse 9 drehbar gelagert. Es wird über einen Antrieb 10 durch einen Elektromotor 11 in Rotation versetzt. Ein Winkelgeber 12 erlaubt die Messung des Drehwinkels. Das Signal des Empfängerelements 6 wird in einem Verstärker 13 verstärkt und über Schleifringe 14 zur Weiterverarbeitung nach außen geführt.

Bei Rotation des 'Rohres 2 um seine Achse entsteht nunmehr im Empfängerelement ein Meßsignal, das gemeinsam mit der Anzeige des Drehwinkels eine Aussage über den Polarisationszustand des Laserstrahls erlaubt.

In Fig. 2 ist der Schnitt durch das Rohr 2 nach A-A gemäß Fig.. 1 dargestellt. Er erlaubt die Sicht auf eine typische Ausgestaltung der perforierten Metallplatte 4. Die Art der Perforation kann selbstverständlich auch anders gestaltet sein, z.B. mit rechteckigen Löchern, sodaß die reflektierenden Stege zwischen den Löchern einen geringeren Anteil an der Gesamtfläche einnehmen.

Fig. 3 zeigt eine Ausgestaltung der Erfindung mit Gitterrost 15 oder Stegen 15'nach Anspruch 2 bzw. Anspruch 5.

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Einige typische Ausgestaltungen des Gitterrosts 15, bzw. der Stege 15' , sowie ihre Anordnung im Laserstrahl sind in den Schnittzeichnungen der Flg. 4 dargestellt.

Fig. 5 zeigt in einem Querschnitt A-A gemäß Fig. 1 die Anordnung eines Metallbandes 16 gemäß Anspruch 4. In der Darstellung ist die Projektion der Reflexionsrichtung auf die Zeichenebene vertikal.

Fig. 6 zeigt in einem Querschnitt A-A gemäß Fig. 1 die Anordnung der Stege 1.5' gemäß Anspruch 5. In der Darstellung ist die Projektion der.Reflexionsrichtung auf die Zeichenebene ebenfalls vertikal.

In Fig. 7 ist die Anordnung eines Gitterrosts 15 oder von Stegen 15', wie in Fig. 3, sowie die lineare Aneinanderreihung von Empfängerelementen 17 zur räumlichen Auflösung der Information dargestellt. Von jedem Steg wird ein, seiner räumlichen Position entsprechender Anteil der Strahlung auf ein zugeordnetes Empfängerelement reflektiert.

Fig. 8 zeigt schließlich eine schematische Darstellung einer Ausgestaltung der Erfindung nach Anspruch 14. Der Gitterrost 15, bzw. die Stege 15'sind symmetrisch aufgebaut, ebenfalls symmetrisch zur seitlichen Öffnung 5 ist die Öffnung 5', ist zum Empfängerelement 6 das Empfängerelement 6'und ist zur Halterung 7 die Halterung 7'angeordnet. Die Empfängerelemente 6 und 6'werden so geschaltet, daß sich ihre Signale addieren. Auf diese Weise ist sichergestellt, daß die Auswirkung von geringen Abweichungen der Richtung des einfallenden Laserstrahls von der Rohrachse auf das Meßsignal· kompensiert werden.

.Al-Leerseite

BAD ORIGINAL

Claims

Anmelder: Dieter Brandt, Klingenstr. 20, 7151 Affalterb

P-eber· Hof.fruann, Xm ß.etzengaiern 9, 7000 Stutt 'öligen ßah&i&c, GänRo'pf 4b, 7000 Stuttgart 1

Patentansprüche :

Vorrichtung zur Messung der Polarisation eines Laserstrahls hoher Dauerstrichleistung, dadurch gekennzeichnet, daß eine ebene, perforierte Metallplatte geringer Dicke und mit spiegelnder Oberfläche so in einem, um seine Achse drehbar gelagerten und für den Einbzw. Austritt von Laserstrahlung beidseitig offenen Rohr angebracht ist, daß ihre Oberflächennormale zur Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90 bildet; daß dieses Rohr eine weitere seitliche Öffnung aufweist, und daß sich an dieser öffnung, außerhalb des Rohres, fest mit besagtem Rohr verbunden, ein Empfängerelement zur Intensitätsmessung von Laserstrahlung befindet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Metallplatte keine Perforation aufweist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Metallplatte durch einen Gitterrost ersetzt ist, bei welchem mindestens eine Reihe von Gitterstegen spiegelnde Oberflächen aufweist, deren Oberflächernormalen mit der Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bilden.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß besagte Metallplatte durch ein schmales, ebenes Metallband mit spiegelnder Oberfläche ersetzt ist, dessen Mittellinie die Rohrachse schneidet und dessen Oberflächennormale mit der Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bildet.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß besagter Gitterrost durch eine Reihe von Stegen ersetzt ist, welche spiegelnde Oberflächen aufweisen, deren Oberflächennormalen zur Rohrachse einen Winkel von annähernd, jedoch nicht exakt 90° bilden.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Öffnung des Rohres, aus welcher der Laserstrahl austritt, mit einem Strahlungsabsorber oder dem Empfänger eines Leistungsmeßgerätes abgeschlossen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes Rohr über eine geeignete Antriebsart von einem Elektromotor in Rotation versetzt wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß an besagtem Rohr Schleifringe zur Stromversorgung und Meßsignalabnahme angeordnet sind.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Rohr, oder dem dieses antreibenden Elektromotor eine Einrichtung angebracht ist, die eine, dem Drehwinkel proportionale Spannung liefert.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß an besagtes Empfängerelement, und besagten Winkelgeber eine Kombination von AD-Wandler, Mikroprozessor und DA-Wandler angeschlossen ist, die die gemessene Intensität und den gemessenen Winkel von Polarkoordinaten in Ausgangsspannungen, welche cartesischen Koordinaten entsprechen, umwandelt.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes Empfängerelement durch eine lineare Aneinanderreihung mehrerer Empfängerelemente ersetzt ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis .11, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der Eintrittsöffnung des Rohres ein Umlenkspiegel befindet.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich an der seitlichen Rohröffnung ein Umlenkspiegel befindet.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 3, sowie 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite seitliche Öffnung, symmetrisch zur ersten, auf der gegenüberliegenden Rohrseite eingelassen ist und daß sich an dieser, außerhalb des Rohres, fest mit besagtem Rohr verbunden, ein zweites, gleichartiges Empfängerelement, bzw. eine lineare Aneinanderreihung von Empfängerelementen zur Intensitätsmessung von Laserstrahlung befindet.