DE3919572A1 - Vorrichtung zur messung des intensitaetsprofils eines laserstrahls - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls mit einer Detektoreinrichtung.

Eine derartige Vorrichtung ist bspw. aus der US-Z "AVIATION WEEK & SPACE TECHNOLOGY", 29.2.1988, Seiten 30 und 33 bekannt. Bei dieser Vorrichtung weist die Detektoreinrichtung ein Detektorarray auf, welches den größten Teil der Energie eines eingestrahlten Laserstrahls reflektiert. Ein sehr kleiner Anteil der Laserstrahlenergie wird gegen hunderte von Detektoren gerichtet, die hinter schützenden reflektierenden Flächen angeordnet sind. Das Detektorarray ist sandwichartig aus Aluminium, Kupfer, einem Verbundmaterial namens Fiberfrax, Teflon und Glasfiber ausgebildet. Das dem Laserstrahl direkt zugewandte Aluminium ist mit Gold beschichtet, um den größten Teil der Laserenergie zu reflektieren. Mehr als dreihundert konisch verjüngt ausgebildete Löcher durchdringen die Aluminiumplatte. Unmittelbar hinter der mit den Durchgangslöchern ausgebildeten Aluminiumplatte ist eine goldbeschichtete Kupferscheibe angeordnet, die mit sehr kleinen Löchern versehen ist. Hinter den kleinen Löchern der Kupferscheibe sind die Detektoren angeordnet, bei denen es sich um Temperatursensoren handelt. Diese Temperatursensoren sind dazu geeignet, schnell auftretende Temperaturänderungen anzuzeigen, so daß es mit ihrer Hilfe möglich ist, das Intensitätsprofil eines Laserstrahls zu bestimmen. Diese Vorrichtung benötigt jedoch durch die in der Aluminiumplatte vorgesehenen konisch verjüngten Durchgangslöcher und durch die entsprechend verteilten kleinen Löcher in der Kupferscheibe einen relativ großen Platz.

Eine andere Vorrichtung zum Messen des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls ist aus der DE 37 06 271 A1 bekannt. Diese Vorrichtung weist durch den Laserstrahl bewegbare Lochblenden, eine Einrichtung zum Fokussieren des Laserstrahls und mindestens einen in Strahlungsrichtung hinter den Lochblenden angeordneten Strahlungsdetektor auf. Dort sind die Lochblenden in einer dünnen Folie ausgeformt, die auf einer im Raum gekrümmten Bahn bewegt wird.

Aus der US-A 41 41 652 ist ein Sensorsystem zur Bestimmung der Wellenfront eines Lichtstrahles bekannt, das einen Wellenfrontsensor vom sog. Hartmann-Typ aufweist. Dort ist die Detektoreinrichtung als Detektorarray ausgebildet, wobei jedem einzelnen Detektor des Detektorarrays eine Sammellinse eines Sammellinsenarrays zugeordnet ist. Die einzelnen Detektoren des Detektorarrays sind als sog. Quad-Cells ausgebildet, die jeweils vier Sensorquadranten aufweisen. Entsprechend dem Phasenprofils des Strahls werden die die einzelnen Sammellinsen durchdringenden Teilstrahlen jeweils zu bestimmten Quadranten der zu den einzelnen Sammellinsen zugehörigen Detektoren, d.h. Quad-Cells fokussiert, woraus sich zwar noch nicht unmittelbar eine Intentsiätsinformation ergibt, aber doch ein Rückschluß auf die Wellenfrontgeometrie des gesamten Strahles möglich ist. Zur Intensitätsaussage wird dem zu vermessenden Strahl ein Vergleichsstrahl mit einer ebenen Wellenfront überlagert.

In der US-Z "Rev. Sci. Instrum. 55 (11)", November 1984, Seiten 1777 und 1778, ist eine Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls beschrieben, die zur Fokussierung des Laserstrahls eine Linse aufweist, und die im fokussierten Strahlenabschnitt des Laserstrahls hinter der Linse zur Reflexionsablenkung des fokussierten Strahlenabschnittes mit einem Spiegel ausgebildet ist. In der Nachbarschaft des Spiegels ist ein die Detektoreinrichtung bildender Detektor vorgesehen, der einen Ausgang aufweist, an dem eine der Intensität des auf den Detektor auftreffenden Laserstrahles entsprechende elektrische Größe ansteht. Bei dieser Einrichtung führt der Spiegel um eine Lagerachse herum eine Rotationsbewegung aus. Dazu ist eine Antriebseinrichtung erforderlich, die einen nicht zu vernachlässigenden Platzbedarf besitzt. Außerdem ergeben sich dort relativ lange Totzeiten, d.h. Zeitdauern, während welcher der Laserstrahl nicht gegen die Detektoreinrichtung gerichtet ist. Da außerdem bei dieser Vorrichtung die Eintrittsöffnung für den Laserstrahl nur als schmaler Schlitz ausgebildet ist, ist es erforderlich, die gesamte Vorrichtung entlang zweier voneinander verschiedener Raumrichtungen zu verschwenken, um das gesamte Intensitätsprofil eines Laserstrahles detektieren zu können. Das ist jedoch nur mit einem relativ großen Konstruktionsaufwand realisierbar.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, die apparativ einfach ausgebildet und zur genauen hochauflösenden Messung des Intensitätsprofiles eines Hochenergie-Laserstrahles geeignet ist, ohne seine Fokusregelung zu beeinträchtigen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Fokussierung des Laserstrahls eine Linse vorgesehen ist, daß im fokussierten Strahlenabschnitt des Laserstrahls zur Reflexionsablenkung des fokussierten Strahlenabschnittes ein Spiegel und im Reflexionsabschnitt des Laserstrahls ein die Detektoreinrichtung bildender Detektor vorgesehen ist, der einen Ausgang aufweist, an dem eine der Intensität des auf den Detektor auftreffenden Laserstrahls entsprechende elektrische Größe ansteht, daß der Spiegel zur Ausführung einer Vibrationsbewegung vorgesehen ist, und daß die Querschnittsabmessungen des Laserstrahls in der Detektorebene größer sind als die Abmessungen des Detektors, wobei die Linse kleine Transmissionseigenschaften aufweist bzw. entsprechend beschichtet ist. Mit einer solchen Vorrichtung ist eine Online-Vermessung eines sich auf einem Target befindlichen Intensitätsprofiles eines Laserstrahles möglich. Insbesondere ist es möglich, eine solche Vorrichtung bei Laserstrahlen hoher Energie, die im Kilowattbereich liegen kann, anzuwenden. Der Hochenergie-Laserstrahl, dessen Wellenlänge z.B. bei 10,6 µm liegen kann, liegt mit seinem Intensitätsprofil auf der Linse. Die Linse weist eine Transmission auf, die in der Größenordnung von 1% liegt. Zu diesem Zweck kann die Linse eine Beschichtung aufweisen. Die Beschichtung auf der Linse wirkt als Abschwächungselement für den Hochenergie-Laserstrahl. Das Laserstrahl-Profil wird durch die gekrümmte Oberfläche der Linse auf einen Brennpunkt fokussiert. Im konvergenten Strahlenabschnitt hinter der Linse befindet sich der schnellvibrierende Spiegel (- Galvanometerscanner, akustooptische Ablenkeinheit), mittels welchem der Laserstrahl über den Detektor streicht. Hierbei wird das Intensitätsprofil des Laserstrahls in eine elektrische Signalfolge umgewandelt. Zu diesem Zweck ist die aktive Fläche des Detektors im Vergleich zu den Querschnittsabmessungen des Laserstrahls vergleichsweise klein.

Damit die aktive Fläche des Detektors kleiner ist als die Querschnittsabmessungen des konvergenten Laserstrahls, ist der Detektor vorzugsweise weit hinter dem Spiegel angeordnet.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann erfindungsgemäß auch dadurch gelöst werden, daß zur Fokussierung des Laserstrahls eine teilreflektierende Linse vorgesehen ist, daß im Strahlengang zwischen dem Laser und der teilreflektierenden Linse eine den Laserstrahl zu einem Korrekturspiegel umlenkende Umlenkeinrichtung angeordnet ist, und daß der Korrekturspiegel eine Steuerungseinrichtung mit einem Empfangsdetektor für einen von einem Ziel reflektierten Laserstrahl aufweist, wobei von der teilreflektierenden Linse ein Laserteilstrahl zum Ziel reflektiert wird und der durch die teilreflektierende Linse durchtretende Laserstrahl in einem Brennpunkt fokussiert wird, in dem die Detektoreinrichtung angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, während des Betriebes eines Regelkreises für die Strahlformung eines Hochenergie-Lasers das Strahlprofil des Laserstrahles auszumessen, ohne die Regelkreisfunktion zu stören. Das ist möglich, weil keine Rückwirkungen aus dem niederenergetischen Meßsystem hinter der teilreflektierenden Linse auf das Hochenergiestrahlsystem vor der teilreflektierenden Linse eintritt.

Der Ausgang des Detektors kann mit einer die Detektorausgangssignale analog verarbeitenden Einrichtung und/oder mit einer die Detektorausgangssignale digital verarbeitenden Einrichtung verbunden sein. Bei der Analogeinrichtung handelt es sich bspw. um ein Oszilloskop.

Eine Vorrichtung der oben beschriebenen Art ist für Realtime- Messungen im Strahlregelkreis geeignet. Je nach der Energie des Hochenergie-Laserstrahles und den Eigenschaften der Linsenbeschichtung kann es erforderlich sein, die Linse eventuell zu kühlen. Die mit dieser Vorrichtung erzielten Vorteile werden darin gesehen, daß durch den Meßvorgang keine Rückwirkungen auf den Laserstrahl erfolgen, daß die Vorrichtung für Leistungen im Kilowattbereich geeignet ist, daß Online ein schnelles Meßverfahren gegeben ist, daß das Meßprinzip einfach und leicht zu realisieren ist, daß die Herstellungskosten der Vorrichtung gering sind, und daß alle möglichen Leistungsbereiche, d.h. nicht nur der Hochleistungsbereich sondern auch die niedrigen Leistungsbereiche skaliert werden können.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispielen der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls mit einer Detektoreinrichtung. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls,

Fig. 2 eine Blockdarstellung der elektronischen Schaltung der Vorrichtung gem. Fig. 1,

Fig. 3 eine grafische Darstellung des Funktionszusammenhanges zwischen der Laserstrahlintensität I mit der Zeit t, und

Fig. 4 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls.

Fig. 1 stellt schematisch eine Ausführungsform der Vorrichtung 10 zur direkten Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahls dar. Der Laserstrahl ist durch die Pfeile 12 angedeutet. Die Intensität I des Laserstrahls 12 ist durch die Kurve 30 angedeutet. Mit r ist die radiale Erstreckung des Laserstrahls 12 bezeichnet. Die Intensität I ist also eine Funktion des Laserstrahlradius r. Zur Fokussierung des Laserstrahls 12 ist eine Linse 32 vorgesehen, die schwach transmittierende Eigenschaften besitzt. Hinter der Linse 32 ergibt sich demnach ein konvergierender Strahlenabschnitt 34, in dessen Brennpunkt 42 ein Spiegel 36 angeordnet ist. Der Spiegel 36 ist zur Ausführung einer schnellen Vibrationsbewegung, die durch die beiden Pfeile 38 angedeutet ist, mit einer Antriebseinrichtung 39 verbunden. Am Spiegel 36 wird der fokussierte Strahlenabschnitt 34 des Laserstrahls 12 reflektiert, wobei sich ein konvergierender Reflexionsabschnitt 40 des Laserstrahles 12 ergibt. Im Reflexionsabschnitt 40 des Laserstrahls 12 hinter dem Spiegel 36 ist ein die Detektoreinrichtung 14 bildender Detektor 44 angeordnet. Infolge schneller Vibration des Spiegels 36 streicht der Reflexionsabschnitt 40 des Laserstrahles 12 über den Detektor 44. Da der Detektor 44 kleinere Abmessungen aufweist, als der Laserstrahl 12 in der vom Detektor 44 gebildeten Ebene 46, wird mit dem Detektor 44 jeweils nur ein bestimmter Ausschnitt des Intensitätsprofiles I = I(r) detektiert. Der Detektor 44 weist einen Ausgang 48 auf, der in dieser Figur durch einen Pfeil schematisch angedeutet ist.

In Fig. 2 ist in einer Blockdarstellung die Detektoreinrichtung 14 angedeutet, die analoge Ausgänge 48 aufweist. Der eine Ausgang 48 ist zur analogen Signalverarbeitung mit einem Oszilloskop 50 verbunden. Der zweite Ausgang 48 der Dektoreinrichtung 14 ist mit einem A/D- Wandler 52 kontaktiert. Mit dem A/D-Wandler 52 ist eingangsseitig außerdem ein Funktionsgenerator 54 verbunden, mit welchem über die Leitung 56 in den A/D-Wandler ein Triggerimpuls eingegeben wird. Über die Leitung 58 ist mit dem Funktionsgenerator 54 die Antriebseinrichtung 39 für den vibrierenden Spiegel 36 (s. Fig. 1) verbunden. Ausgangsseitig ist der A/D-Wandler 52 mit einem Mikrocomputer 60 verbunden, der mehrere Ausgänge zum Anschluß bspw. eines Bildschirms 62, eines Speichers 64, eines Plotters 66 o.dgl. besitzt.

In Fig. 3 ist auf der linken Seite ein Ausschnitt des Intensitätsprofiles I=I(r) zu einem bestimmten Zeitpunkt t1 gezeichnet. Mit Hilfe des Detektors 44 wird die Intensität I zwischen den beiden Punkten 68 gemittelt, so daß sich am Ausgang 48 der Detektoreinrichtung 14 eine durch die dünne strichlierte Linie angedeutete gemittelte Intensität Il ergibt. Zu einem späteren Zeitpunkt, zu dem sich das Intensitätsprofil bspw. zu den Punkten 70 verschoben hat, ergibt sich eine mittlere Intensität I2, die kleiner ist als I1. Auf der rechten Seite der Fig. 3 ist der Funktionszusammenhang zwischen der Intensität I und der Zeit t angedeutet. Zum Zeitpunkt t1 ist die mittlere Intensität I1. Zum Zeitpunkt t2 beträgt die mittlere Intensität I2. Durch eine von der Größe des Detektors 44 abhängige Filterwirkung ergibt sich zum Zeitpunkt t1 zwischen den beiden Punkten 72 eine mittlere Intensität I1F, die größer ist als I1, wie auch aus dem rechten Bild der Fig. 3 ersichtlich ist. Zum Zeitpunkt t2 liegt die schmalbandig gefilterte Intensität des Laserstrahls zwischen den Punkten 74, so daß sich eine mittlere Intensität I2F ergibt, die von I2 üblicherweise verschieden sein wird. Durch diese Filterung ist eine sehr genaue Intensitätsprofilmessung sowohl nach dem Ort als auch nach der Zeit möglich. Das bedeutet jedoch, daß mit Hilfe der in den Fig. 1 und 2 gezeichneten Vorrichtung online-Messungen, d.h. Realtime-Messungen möglich sind.

Entsprechende Messungen sind mit der in Fig. 4 schematisch gezeichneten Ausführungsform der Vorrichtung 10 durchführbar. Dort ist zur Fokussierung des Lasertrahles 12 eine teilreflektierende Linse 32 vorgesehen, die zum Zwecke der Teilreflektion des Laserstrahels 12 mit einer Beschichtung 124 bedeckt ist. Der ankommende Laserstrahl 12 wird in einen reflektierten Laserstrahl 126 und in einen durch die Linse 32 durchtretenden Strahl 128 aufgeteilt. Im Brennpunkt des durchtretenden Strahles 128 ist die Detektoreinrichtung 14 angeordnet, die mit einem Meßgerät 130 verbunden sein kann. Im Strahlengang des Hochenergie-Laserstrahles 12 ist eine Umlenkeinrichtung 132 angeordnet, mit welcher der Hochenergie-Laserstrahl 12 zu einem Korrekturspiegel 134 umgelenkt wird, was durch die Zeile 136 und 138 schematisch angedeutet ist. Der Korrekturspiegel 134 ist mit einer Steuerungseinrichtung 140 versehen, die einen Empfangsdetektor 142 aufweist. Mit der Bezugsziffer 144 ist ein abschnittweise angedeutetes Ziel dargestellt, an dem der an der Linse 32 reflektierte Laserstrahl 126 zum Empfangsdetektor 142 reflektiert wird, was durch den Pfeil 146 angedeutet ist. Mit einer solchen Vorrichtung 10 ist es möglich, während des Betriebes des Regelkreises für die Strahlformung des Hochenergie-Laserstrahls 12 das Strahlprofil auszumessen, ohne dabei die Regelkreisfunktion zu stören. Das ist möglich, weil keine Rückwirkungen vom niederenergetischen Bereich mit der Detektoreinrichtung 14 bzw. dem Meßgerät 130 hinter der teilreflektierenden Linse 32 auf das Hochenergiestrahlsystem vor der Linse 32 eintritt.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles (12) mit einer Detektoreinrichtung (14), gekennzeichnet durch die Gesamtheit der Merkmale, daß zur Fokussierung des Laserstrahls eine Linse (32) vorgesehen ist, daß im fokussierten Strahlenabschnitt (34) des Laserstrahles (12) zür Reflexionsablenkung des fokussierten Strahlenabschnittes (34) ein Spiegel (36) und im Reflexionsabschnitt (40) des Laserstrahles (12) nach dem Spiegel (36) ein die Detektoreinrichtung (14) bildender Detektor (44) vorgesehen ist, der einen Ausgang (48) aufweist, an dem eine der Intensität des auf den Detektor (44) auftreffenden Laserstrahls (12) entsprechende elektrische Größe ansteht, daß der Spiegel (36) zur Ausführung einer Vibrationsbewegung vorgesehen ist, und daß die Querschnittsabmessungen des Laserstrahles (12) in der Detektorebene (46) größer sind als die Abmessungen des Detektors (44), wobei die Linse (32) kleine Transmissionseigenschaften aufweist bzw. entsprechend beschichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (36) im Brennpunkt (42) des fokussierten Strahlenabschnittes (34) des Laserstrahls angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (32) ein Material geringer Transmission besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (44) im fokussierten Laserstrahl (12) hinter dem Spiegel (36) des Laserstrahls (12) angeordnet ist.

5. Vorrichtung zur Messung des Intensitätsprofiles eines Laserstrahles (12) mit einer Detektoreinrichtung (14), gekennzeichnet durch die Gesamtheit der Merkmale daß zur Fokusisierung des Laserstrahls (12) eine teilreflektierende Linse (32) vorgesehen ist, daß im Strahlengang zwischen dem Laser und der teilreflektierenden Linse (32) eine den Laserstrahl (12) zu einem Korrekturspiegel (134) umlenkende Umlenkeinrichtung (132) angeordnet ist, und daß der Korrekturspiegel (134) eine Steuerungseinrichtung (140) mit einem Empfangsdetektor (142) für einen von einem Ziel (144) reflektierten Laserstrahl (146) aufweist, wobei von der teilreflektierenden Linse (32) ein Laserteilstrahl (126) zum Ziel (144) reflektiert wird und der durch die teilreflektierende Linse (32) durchtretende Laserstrahl (128) in einem Brennpunkt fokussiert wird, in dem die Detektoreinrichtung (14) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang (48) des Detektors (44) mit einer die Detektorausgangssignale analog verarbeitenden Einrichtung (50) und/oder mit einer die Detektorausgangssignale digital verarbeitenden Einrichtung (52, 60, 62, 64, 66) verbunden ist.