DE3919571C2

DE3919571C2 -

Info

Publication number: DE3919571C2
Application number: DE3919571A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Dipl.-Ing. 8501 Schwaig De Pleikies
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1989-06-15
Filing date: 1989-06-15
Publication date: 1992-11-26
Also published as: DE3919571A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der US-PS 44 63 262 bekannt. Dort ist eine reflektierend beschichtete Graphit-Schutzplatte mit nachgeschaltetem Hitzeschild vor einem Detektor-Array vorgesehen, bei dem jeweils einem Meßdetektor ein Referenzelement dicht benachbart zugeordnet ist. Vor dem Meßdetektor, aber nicht vor dem Referenzelement, ist die Schutzplatten-Anordnung gelocht, so daß über den Strahlquerschnitt verteilte Teilstrahlen des auftreffenden Hochenergie-Laserstrahles meßtechnisch erfaßt werden können, um eine Aussage über die Energieverteilung über dem Strahlquerschnitt zu treffen. Da der größte Teil der einfallenden Strahlenergie jedoch an diesem Detektoraufbau reflektiert wird, ist aus einem solchen Meßergebnis keine Aussage ableitbar über das Reflexionsverhalten des Strahles in einem Zielobjekt.A generic device is known from US-PS 44 63 262. There is a reflective coated graphite protective plate with downstream heat shield provided in front of a detector array, at a reference element is assigned closely adjacent to each of the measuring detectors is. In front of the measuring detector, but not in front of the reference element, the protective plate arrangement is perforated so that over the beam cross section distributed partial beams of the incident high-energy laser beam can be recorded by measurement to make a statement about the Energy distribution across the beam cross-section. Because the biggest Part of the incident beam energy, however, on this detector structure is reflected, no statement can be derived from such a measurement result about the reflection behavior of the beam in a target object.

Das gilt entsprechend für eine Vorrichtung nach der EP-OS 02 36 008. Jene ist zur Darstellung der Querschnitts-Energieverteilung in einem Laserstrahl auf einem Monitor bekannt. Dafür wird ein Teil des über Umlenkein richtungen auf ein Werkstück gerichteten Laserstrahles mittels eines teildurchlässigen Spiegels auf eine Wärmebild-Kamera gerichtet, mit der ein Oszilloskop zur Darstellung der aktuell im Laserstrahl gegebenen Energieverteilung angesteuert wird. Das eröffnet zwar die Möglichkeit, im Echtzeitbetrieb eine Rückführinformation zur gezielten Beeinflussung der Energieverteilung im Laserstrahl reali sieren zu können, das beinhaltet aber den entscheidenden Nachteil einer Beeinträchtigung des Laserstrahles durch den Spiegel zur Aus kopplung eines niederenergetischen Meßstrahles.This applies accordingly to a device according to EP-OS 02 36 008. That is Representation of the cross-sectional energy distribution in a laser beam known on a monitor. For this, part of the over deflecting is not laser beam directed towards a workpiece by means of a partially transparent mirror directed at a thermal imaging camera, with an oscilloscope to display the current in the laser beam given energy distribution is controlled. That opens up the possibility of providing feedback information in real time targeted influencing of the energy distribution in the laser beam reali Being able to use it includes the crucial disadvantage impairment of the laser beam by the mirror coupling of a low-energy measuring beam.

Letztgenannter Nachteil ist insbesondere dann gravierend, wenn über eine adaptive Optik eine optimale Fokussierung des Laserstrahles auf einem Objekt erfolgen soll, wie in der DE-PS 34 22 232 näher beschrieben. Der dort dargestellte Multidither-Regelkreis zum Opti mieren der Einstellung mehrerer über dem Strahlenquerschnitt ange ordneter Spiegel-Teilflächen für optimale Brennpunkt-Ausbildung in einem Zielobjekt beruht nämlich (wie auch in der DE-PS 36 23 008 eingangs näher dargelegt) darauf, mit dem Istwert-Geber des Regel kreises auf das energiereiche Rückstrahlzentrum in der diffusen Rückstrahlumgebung am reflektierenden Zielobjekt aufzuschalten.The latter disadvantage is particularly serious when over an adaptive optics optimal focusing of the laser beam to be done on an object, as in DE-PS 34 22 232 closer described. The multidither control loop shown there for the Opti the setting of several over the beam cross-section ordered mirror sub-areas for optimal focal point formation namely in a target object (as also in DE-PS 36 23 008 at the beginning), with the actual value transmitter of the rule circle on the high-energy reflective center in the diffuse To activate the retroreflective environment at the reflecting target.

Allerdings ist es praktisch nicht möglich, mit den zeitinvariablen Rückstrahlgegebenheiten eines realen Zielobjektes für einen Hoch energie-Laserstrahl eine Multidither-Regelschaltung zu optimieren oder zu prüfen. Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gattungsgemäßer Art derart auszugestalten, daß während der Messung des Intensitätsprofiles zeitlich und örtlich definierte und reproduzierbare Reflexinformationen, z. B. für den Betrieb eines Multidither-Regelkreises, verfügbar sind, ohne für die Strahlprofilvermessung in den Strahlenweg selbst eingreifen zu müssen.However, it is practically not possible with the time invariant Reflecting conditions of a real target object for a high energy laser beam to optimize a multidither control circuit or to check. The invention is therefore based on the object to design a device of the generic type such that temporally and locally during the measurement of the intensity profile defined and reproducible reflex information, e.g. B. for the Operation of a multidither control loop, are available without for intervene the beam profile measurement in the beam path itself to have to.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Vorrich tung gattungsgemäßer Art gemäß dem Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 ausgelegt ist.This object is achieved in that the Vorrich tion of the generic type according to the characterizing part of the claim 1 is designed.

Nach dieser Lösung wird gewissermaßen ein Meß-Ziel (auch als Meß- Glint zu bezeichnen) erstellt, das strahlungsseitig auch die typische Zielkonfiguration eines hochenergetischen Reflexzentrums in diffu serer Reflexumgebung annehmen kann und jedenfalls stets rückwärtig, also der Einstrahlung gegenüber, eine örtliche und zeitliche Inten sitäts-Vermessung erlaubt. So ist die Auskoppelstelle zur Bereit stellung des zu messenden energieärmeren Strahles die Zielimitation selbst, d. h. es braucht nicht eigens mit einem Meßaufnehmer in den Strahlengang zwischen Laserquelle und Zielreflektor eingegriffen zu werden. Über die geometrische und spektrale Auslegung eines kon zentriert reflektierenden Bereiches im Verhältnis zu einem diffus reflektierenden Bereich sowie gegebenenfalls durch dreidimensionale Verformung der Ziel- also Brennpunktebene, lassen sich unterschiedliche Zieltypen imi tieren, um das Optimierungs- und Folgeverhalten der Strahlformung überprüfen und regelungstechnisch optimieren zu können.After this solution, a measurement target (also as a measurement To designate Glint), the radiation side is also the typical one Target configuration of a high-energy reflex center in diffuse can assume our reflex environment and always backwards, So compared to the radiation, a local and temporal intent sity measurement allowed. So the decoupling point is ready position of the lower-energy beam to be measured, the target imitation itself, d. H. it does not need a sensor in the Intervention of the beam path between the laser source and the target reflector to become. About the geometric and spectral design of a con centered reflective area in relation to a diffuse reflective area and possibly by three-dimensional deformation of the target so focus level, different target types can be imi animals in order to optimize and follow the behavior of beam shaping check and optimize them in terms of control technology.

Zwar ist es aus der DE-OS 24 24 838 als solches bekannt, eine Licht detektoranordnung koaxial ringförmig auszulegen; aber dort geht es darum, die verschiedenen Bestandteile eines Strahles hinsichtlich unterschiedlich schneller Moden zu erfassen. Nach der US-PS 47 97 555 ist eine Hochgeschwindigkeits-Kamera für die Bestimmung des Intensitätsprofiles eines Hochenergie-Laserstrahles vorgesehen, mit der die temperaturabhängig schmelzende Beschichtung einer an gestrahlten Zielplatte erfaßt wird, was aber auch keinen Weg zu stationären oder reproduzierbaren Istwertmessungen für einen Re gelkreis eröffnet. Außerdem handelt es sich auch hierbei eigentlich nur um eine Strahlquerschnittsmessung, denn es fehlt an den defi nierten Reflexionsgegebenheiten zur Darstellung des Strahlverhaltens bei Fokussierung auf ein Zielobjekt.Although it is known as such from DE-OS 24 24 838, a light to design the detector arrangement in a coaxial ring shape; but there goes it is about the different components of a ray to detect modes of different speeds. According to U.S. Patent 4,797,555 is a high speed camera for determining the Intensity profile of a high-energy laser beam provided, with which the temperature-dependent melting coating on one blasted target plate is detected, which is also no way to stationary or reproducible actual value measurements for a Re gelkreis opened. In addition, this is actually the case only about a beam cross-section measurement, because there is no defi reflection conditions to represent the beam behavior when focusing on a target object.

Mit höherer zeitlicher Auflösung als eine derartige Wärmebild-Kamera läßt sich ein Detektor-Array betreiben, wie es in der US-PS 41 41 652 zur Wellenfront-Untersuchung eines reflektierten Laserstrahles oder in der EP-OS 00 36 983 zur Analyse eines kurzen Laserimpulses be schrieben ist. Aber auch dort arbeitet die Detektoreinrichtung nicht hinter einem die Fokusebene des Strahles darstellenden Substrat, das einstrahlungsseitig definierte Reflexionsgegebenheiten aufweist, so daß auch die dortigen Meßvorrichtungen sich nicht dafür einsetzen lassen, mittels eines imitierten Glint das regelungstechnische Ver halten einer adaptiven Optik zu überprüfen und zu optimieren. With a higher temporal resolution than such a thermal imaging camera can operate a detector array, as in US-PS 41 41 652 for the wavefront examination of a reflected laser beam or be in EP-OS 00 36 983 for the analysis of a short laser pulse is written. But the detector device does not work there either behind a substrate representing the focal plane of the beam, which has defined reflection conditions on the irradiation side, so that the measuring devices there also do not advocate it let, by means of an imitation glint the control engineering Ver keep adaptive optics to check and optimize.

Mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung dagegen ist es möglich, die Laserstrahlintensität zeitlich und örtlich aufgelöst in der Fokus ebene des Laserstrahles bei vorgebbaren Reflexions-, also Rückstreu verhältnissen der Target-Nachbildung zu ermitteln und diese Meßan ordnung auf Zonen definiert unterschiedlichen Kontrastes zu erweitern.With the device according to the invention, however, it is possible to The focus of the laser beam intensity is temporally and spatially resolved plane of the laser beam with predefinable reflection, i.e. backscatter to determine ratios of the target replica and this Meßan order to define zones with different contrasts.

In Abstraktion der real anzutreffenden Verhältnisse ist vorzugsweise eine kreisförmige Beschichtung gerichteten Reflexionsverhaltens von einer kreisringförmigen Beschichtung diffusen Reflexionsverhal tens auf der Einstrahlungsseite des Substrates vor der Detektor einrichtung angeordnet. Das Substrat selbst besteht beispielsweise aus Germanium. Bei hoher Leistung des Laserstrahls, dessen Inten sitätsprofil bestimmt werden soll, wird zweckmäßigerweise eine Kühl einrichtung für dieses Substrat vorgesehen.In abstraction of the real-life conditions is preferable a circular coating of directional reflection behavior from a circular coating diffuse reflection behavior least on the irradiation side of the substrate in front of the detector facility arranged. The substrate itself is, for example made of germanium. At high power of the laser beam, its intensity sity profile is to be determined, a cooling is expediently device provided for this substrate.

Zwischen dem für Infrarotenergie durchlässigen Substrat und der Detektoreinrichtung ist vorzugsweise noch ein schichtförmiges Ab schwächelement angeordnet, hinter dem dann im Falle eines Detektor- Array die einzelnen Detektoren unmittelbar befestigt sind.Between the substrate permeable to infrared energy and the Detector device is preferably still a layered Ab arranged weakness element, behind which in the case of a detector Array the individual detectors are attached immediately.

Als Detektoreinrichtung kann, wie als solches bekannt, beispielsweise ein Array aus pyroelektrischen Detektoren vorgesehen sein, die den Zeitverlauf der Intensitätsschwankungen an bestimmten Orten des vom Substrat erfaßten Strahlenquerschnittes dynamisch messen. Aber auch ein Infrarot-Sensorarray kann vorgesehen sein. Wenn die Meßan forderungen bezüglich der Orts- und der Zeitauflösung geringer sind, kann eine handelsübliche Infrarot-Kamera als Detektoreinrichtung Anwendung finden.As known as such, the detector device can be, for example an array of pyroelectric detectors can be provided which Time course of the intensity fluctuations in certain places of the Dynamically measure the beam cross-section captured by the substrate. But an infrared sensor array can also be provided. If the messan requirements regarding location and time resolution are lower, can use a commercially available infrared camera as a detector device Find application.

Bei der bevorzugten Realisierung erfolgt also im zentralen Bereich des Laserstrahles auf dem Substrat eine gerichtete Reflexion, während um diesen Bereich herum eine diffuse Streuung auftritt. Der zwischen den beiden Bereichen gegebene definierte Kontrast läßt sich über die Beschichtungen reproduzierbar vorgeben. Die die Beschichtungen tragende Oberfläche des Substrates kann eben oder gewölbt (zur Imi tation eines zweidimensionalen oder eines dreidimensionalen Ziel-Glint) ausgebildet sein, um in der Praxis auftretende Abbildungsfehler nicht erst bei der elektrischen Auswertung korrigieren zu müssen. Die reflektierend beschichtete teildurchlässige Substrat-Oberfläche läßt sich also in ihrer Geometrie den zu erwartenden Verhältnissen eines Fokusfleckes am realen Ziel anpassen.In the preferred implementation, this takes place in the central area of the laser beam on the substrate, a directed reflection, while Diffuse scattering occurs around this area. The between The defined contrast given to the two areas can be over specify the coatings reproducibly. The the coatings bearing surface of the substrate can be flat or curved (for Imi a two-dimensional or a three-dimensional target glint) be trained to avoid aberrations occurring in practice not only having to correct the electrical evaluation. The reflective coated semi-transparent substrate surface can thus in its geometry the expected conditions of a focus spot to the real target.

Die verbleibende Laserenergie nach Transmission durch die Beschich tungen und das Substrat ist hinreichend geschwächt für die Aussteuerung auch empfindlicher Detektoreinrichtungen wie pyroelektrischer Detek toren. Im Interesse geringer Absorption ist das Substrat möglichst dünnwandig ausgebildet.The remaining laser energy after transmission through the coating tion and the substrate is weakened sufficiently for the modulation also sensitive detector devices such as pyroelectric detectors goals. In the interest of low absorption, the substrate is as possible thin-walled.

Mit pyroelektrischen Detektoren ist eine Zeitauflösung bis ca. 1 kHz erzielbar, während mit Halbleiterdetektoren im Vergleich dazu eine wesentlich höhere Zeitauflösung möglich ist, nämlich bis in den MHz-Bereich hinein.With pyroelectric detectors there is a time resolution up to approx. 1 kHz achievable, while with semiconductor detectors in comparison one much higher time resolution is possible, namely in the MHz range.

Die Ortsauflösung hinter dem Substrat wird durch die Abmessungen des Detektorarrays, also die Zahl der durch einzelne Detektorelemente gegebenen Erfassungspunkte (Pixelzahl) bestimmt. Das zu analysierende Infrarotbild hinter dem Substrat kann sich auf den zentralen Bereich guter Reflexionsgegebenheiten beschränken, der die Sollgröße des Fokus im reflektierenden Zielobjekt darstellt. Zweckmäßiger wird jedoch das zu erfassende Infrarotbild hierüber hinaus auf das Abbild auch einer diffus reflektierenden Brennfleck-Umgebung erweitert, weil das den realen Verhältnissen beim Glint-Tracking entspricht. Das ermöglicht dann auch die Ermittlung der gesamten Fokussier-Dynamik des Strahlen systems. Durch Aufintegration der Strahlungsenergien, die auf unter schiedlich reflektierende Flächenbereiche zurückgehen, und anschließen de Quotientenbildung kann ein Gütemaß für die Meßleistung gewonnen werden.The spatial resolution behind the substrate is determined by the dimensions of the detector array, i.e. the number of individual detector elements given detection points (number of pixels). The one to be analyzed Infrared image behind the substrate can affect the central area good reflection conditions limit the target size of the focus in the reflective target. However, it becomes more expedient the infrared image to be captured also on the image a diffusely reflecting focal spot environment because that corresponds to the real conditions for glint tracking. This allows then also the determination of the entire focusing dynamics of the rays systems. By integrating the radiation energies that are on below different reflecting surface areas go back and connect de The formation of quotients can be used to obtain a quality measure for the measurement performance will.

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sehr kompakt aufgebaut werden kann, läßt sie sich auch mobil auslegen, um für Intensitätsvermes sungen bei Laserstrahl-Feldversuchen etwa als bewegtes Target einge setzt zu werden.Since the device according to the invention is very compact can, it can also be designed to be mobile for intensity measurements solutions in laser beam field trials, for example as a moving target to be put.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der erfindungsgemäßen Lösung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels zur Vorrichtung für das Ausmessen des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles mittels eines reprodu zierbaren Meß-Glints. Es zeigt:Further details and advantages of the solution according to the invention result itself from the following description schematically in the drawing illustrated embodiment of the device for measuring the intensity profile of a laser beam by means of a reprodu measurable glints. It shows:

Fig. 1 in Schnittdarstellung eine erfindungsgemäße Meßvorrichtung mit Detektorarray in Seitenansicht und Fig. 1 shows a sectional view of a measuring device according to the invention with detector array in side view and

Fig. 2 eine bestrahlungsseitige Frontansicht gegen unterschiedliche Beschichtungszonen des Meß-Substrates. Fig. 2 is an irradiation-side front view against different coating zones of the measuring substrate.

Die in Fig. 1 skizzierte Vorrichtung 10 zur Messung des Intensitäts profiles eines Laserstrahles 12 mit Hilfe einer Detektoreinrichtung 14 weist einen zentralen Bereich 16 mit gerichteter Reflexion sowie einen diesen zentralen Bereich umgebenden ringförmigen Bereich 18 auf, in welchem eine diffuse Streuung des eintreffenden Laserstrah les 12 erfolgt. The device 10 outlined in FIG. 1 for measuring the intensity profiles of a laser beam 12 with the aid of a detector device 14 has a central region 16 with directed reflection and an annular region 18 surrounding this central region, in which diffuse scattering of the incoming laser beam 12 he follows.

Die Vorrichtung 10 weist ferner ein Substrat 20 auf, das mit vonein ander verschiedenen Beschichtungen 22, 24 auf der dem Laserstrahl 12 zugewandten Seite zur Realisierung der unterschiedlich reflektie renden Bereiche 16, 18 ausgestattet ist. Die Beschichtungen 22, 24 sowie das tragende Substrat 20 weisen eine gewisse Durchlässigkeit (Transmission) für die Infrarot-Energie des Laserstrahles 12 auf.The device 10 also has a substrate 20 which is equipped with different coatings 22 , 24 from one another on the side facing the laser beam 12 for realizing the differently reflecting regions 16 , 18 . The coatings 22 , 24 and the supporting substrate 20 have a certain permeability (transmission) for the infrared energy of the laser beam 12 .

Auf der von den Beschichtungen 22, 24 abgewandten Rückseite des Substrates 20 ist die Detektoreinrichtung 14 angeordnet. Sie ist hier als Detektorarray einer Vielzahl eng nebeneinander positionierter Detektoren 26 ausgebildet. Durch die Anzahl (Pixelzahl) der Detek toren 26 ist die Auflösung der Strahlungsenergie über dem Querschnitt des Strahles 12 gegeben. Zwischen dem Substrat 20 und der Detektor einrichtung 14 ist noch ein schichtförmiges Abschwächelement 28 vorgesehen, hinter dem die Detektoren 26 befestigt sind.The detector device 14 is arranged on the rear side of the substrate 20 facing away from the coatings 22 , 24 . It is designed here as a detector array of a plurality of detectors 26 positioned closely next to one another. Due to the number (number of pixels) of the detectors 26 , the resolution of the radiation energy over the cross section of the beam 12 is given. Between the substrate 20 and the detector device 14 , a layered attenuation element 28 is also provided, behind which the detectors 26 are attached.

Beim in Fig. 1 skizzierten Array handelt es sich um eine ebenflächige Detektoreinrichtung 14, also um ein zweidimensionales Meßziel. Es ist jedoch auch möglich, die Detektoreinrichtung 14 dreidimensional, gemäß räumlicher Verwölbung des Substrates 20, auszugestalten, um dieses Meßziel den realen Verhältnissen eines Ziel-Glints anzupassen.The array sketched in FIG. 1 is a flat detector device 14 , that is to say a two-dimensional measurement target. However, it is also possible for the detection means 14 in three dimensions to design in accordance with spatial warpage of the substrate 20, to adapt this measurement target of a target Glints the actual conditions.

Claims

1. Device for measuring the intensity profile of at least a partial cross-section of a laser beam ( 12 ) with a detector device ( 14 ) sensitive to infrared rays behind a substrate ( 20 ) transparent to infrared rays, characterized in that the substrate ( 20 ) in the focal plane of the beam ( 12 ) is arranged and this is equipped with an area with a reflective coating ( 22 , 24 ).

2. Device according to claim 1, characterized in that a central coating ( 22 ) is surrounded by a coating ( 24 ) with the central diffuse reflective property or vice versa.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the coating ( 22 , 24 ) opposite to the substrate ( 20 ), a weakening element ( 28 ) is arranged.

4. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the substrate ( 20 ) with its coating ( 22 , 24 ) is three-dimensionally curved.

5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the coating ( 22 , 24 ) opposite on the substrate ( 20 ) or on a downstream attenuation element ( 20 ) as Detektorein direction ( 14 ), an array of individual detector elements ( 26 ) is arranged.