DE4031689A1 - Anordnung zur leistungsmessung von optischer strahlung - Google Patents
Anordnung zur leistungsmessung von optischer strahlungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Anordnung der im Oberbegriff
des Anspruchs 1 angegebenen Art.
Bei einer entprechenden aus der DE 23 20 109 Al bekannten
Anordnung wird die Leistung direkt an der Laserquelle ge
messen. Hierbei weist das Meßgerät Sensoren zur Erfassung
von Kenngrößen des Laserstrahls, eine mit den Sensoren
verbundene Meßelektronik und ein optisches Element auf.
Mittels des als strahlungsteilender Spiegel ausgebildeten
optischen Elements wird die Laserstrahlung aus dem Strah
lungsbereich ausgespiegelt und auf die Sensoren gerichtet.
Derartige Meßgeräte werden auch zur Erfassung der Strah
lungs- bzw. Wellenintensität von Leistungslasern verwen
det, die eine Leistung oberhalb einiger Milliwatt erzeu
gen. Nach einem Abschnitt eines Lichtwellenleiters der
Übertragungsstrecke ist hierbei jeweils ein Meßanordnung
vorgesehen, innerhalb der auf die genannte Weise die
Strahlung auf die Sensoren gelenkt wird.
Dabei besteht jedoch der Nachteil, daß durch das Ausspie
geln eines nicht unwesentlichen Anteils des Laserstrahls
die Strahlungsintensität im Zielbereich merkbar geschwächt
wird. Desweiteren treten durch das Abzweigen der Laser
strahlung auch Verluste auf dem Weg zum Meßgerät auf, die
das Meßergebnis beeinflussen, so daß exakte Werte nicht
oder nur mit sehr aufwendigen zusätzlichen Kompensations
maßnahman erhältlich sind. Insbesondere für den strah
lungstrennenden, in den Strahlungsbereich einklappenden
Spiegel ist eine genau gefertigte und somit kostenintensi
ve Mechanik erforderlich. Weiterhin ist das Meßgerät von
der Übertragungsleitung entfernt vorzusehen, so daß sich
der Platzbedarf für die zu überwachende Laseranordnung
insgesamt erhöht ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer Anord
nung der eingangs genannten Gattung unter Beseitigung der
genannten Nachteile eine einfache Konstruktion anzugeben,
bei der eine genaue Messung mit nur geringer Beeinträchti
gung der Leistung der ankommenden Strahlungs ermöglicht
ist. Dabei soll insbesondere eine geringe Baugröße möglich
sein.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des
Anspruchs 1 gelöst.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß die in
optischen Komponenten im Ausbreitungsweg der Strahlung
auftretenden - und sonst unerwünschten und unvermeidlichen
geringfügigen "Verluste" - oder auch andere, beispielswei
se radiometrische, Auswirkungen - direkt ein Maß für die durch das
Element hindurchtretende Leistung bilden können, wenn die
örtliche Verlustleistung in eine Meßgröße umgewandelt wer
den kann, die mittels eines geeigneten Sensors erfaßbar
ist und die Anordnung kalibriert wird.
Damit wird der Übertragungsweg selbst kaum beeinträchtigt
und es besteht stets Kontrolle über die gesamte den Strah
lungsweg passierende Leistung.
Die Änderung der physikalischen Kenngrößen wird dabei von
entsprechenden Sensoren erfaßt, wobei dann beim Meßvorgang
insgesamt nur geringe Leistungsverluste auftreten. Die
Strahlungsleistung ist damit kontinuierlich - ohne Beein
trächtigung der Strahlungsintensität im Ziel - erfaßbar,
so daß sich umfassende Einsatzmöglichkeiten ergeben.
Insbesondere wird damit auch eine kompakte Bauweise der
Anordnung möglich, da die Meßwerterfassung ohne Abzweigung
von Strahlung direkt im Durchtrittsbereich erfolgen kann.
Auf diese Weise kann durch Differenzmessung auch ein Lei
stungsverlust entlang einer Leitung ohne weiteres ermit
telt werden, so daß "Leckagen" an den eine Verlustleistung
umgesetzt wird, gefunden werden können, ehe nachhaltigere
und nur aufwendig zu beseitigende Schäden eintreten.
Dabei ist das optische Element derart ausgebildet, daß
sich in einem mindestens zweistufigen Vorgang zunächst ei
ne erste physikalische Kenngröße des optischen Elements im
wesentlichen proportional zu der durch das Element hin
durchtretenden Strahlungsleistung ändert. Diese Größe
"moduliert" nun ihrerseits eine weitere Kenngröße. Die
Sensoren sind dabei zum Erfassen der Änderung der weiteren
physikalischen Kenngröße entsprechend an dem optischen
Element angeordnet. Auf diese Weise ist durch Vermeidung
träger direkter thermometrischer Meßeinrichtungen eine na
hezu verzögerungsfreie Meßwertermittlung möglich.
Insbesondere sind folgende andere vorteilhafte Weiterbil
dungen günstig:
Zweckmäßig ist eine derartige Ausbildung des optische Ele ments, daß sich als erste physikalische Kenngröße die Tem peratur in Abhängigkeit der Strahlungsleistung ändert. Da bei bewirkt der Anteil, der beim Durchtritt der Strahlung durch das optische Element absorbiert wird, eine Tempera turerhöhung, die eine Volumen- oder Druckänderung des op tischen Bauteils zur Folge hat.
Zweckmäßig ist eine derartige Ausbildung des optische Ele ments, daß sich als erste physikalische Kenngröße die Tem peratur in Abhängigkeit der Strahlungsleistung ändert. Da bei bewirkt der Anteil, der beim Durchtritt der Strahlung durch das optische Element absorbiert wird, eine Tempera turerhöhung, die eine Volumen- oder Druckänderung des op tischen Bauteils zur Folge hat.
Die Änderungen der weiteren physikalischen Kenngrößen kön
nen auf verschiedene Weise erfolgen:
Zum einen ist das optische Element vorzugsweise derart
ausgebildet, daß sich in Folge der Temperaturänderung als
weitere physikalische Kenngröße die Schwingfrequenz än
dert. Dabei wird insbesondere ein piezoelektrischer,
strahlungsabsorbierender Werkstoff mindestens bereichswei
se für das optische Element verwendet, um mit dem Durch
tritt der Laserstrahlung geringe Strahlungsverluste sowie
deutliche Änderungen der weiteren physikalischen Kenngrö
ßen zu erzeugen. Bei geringer Absorption der Laserstrah
lung wird damit der absorbierte Strahlungsanteil in wärme
mit einer entsprechenden Temperaturerhöhung umgesetzt.
Daraufhin vergrößert sich das Volumen, wodurch über den
piezoelektrischen Effekt ein Signal ausgelöst wird, das
als Kenngröße der Änderung der Intensität der Laserstrah
lung von den Sensoren erfaßt werden kann.
Das optische Element bildet dabei vorzugsweise einen
Schwingquarz, dessen Resonanzfrequenz sich mit der Durch
strahlungsleistung der Wellen ändert. Die Resonanzfrequenz
des Schwingquarzes bildet dabei ein Maß für die Strah
lungsleistung.
Bei eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung
enthält das optische Element fluoreszierende Teilchen ent
hält. In Folge der Temperaturerhöhung der absorbierten
Strahlung treten entsprechende Fluoreszenzemissionen auf,
die über die Sammelinse auf die Photodiode gerichtet sind
und damit erfaßbar werden. Auch bei diesem Ausführungsbei
spiel wird die Strahlungsleistung beim Durchtritt durch
das optische Element im wesentlichen nicht beeinträchtigt.
Für hochgenaue Messungen läßt sich auch ein Referenzele
ment einsetzen. Das Referenzelement ist dabei entsprechend
dem ersten ausgebildet und mit Sensoren zur Erfassung der
jeweiligen relevanten physikalischen Kenngröße verbunden.
Die Leistungsmessung erfolgt dabei über eine Differenzbil
dung. Durch Vergleich der durch die Sensoren ermittelten
Kennwerte des optischen Elements und des Referenzelements,
beispielsweise die der Resonanzfrequenz, ist die Änderung
der physikalischen Kenngröße und damit die Strahlungslei
stung ermittelbar.
Die Leistungsmessung ist in günstiger Weise auch mit einem
die Strahlung umlenkenden Element kombinierbar und ist da
mit insbesondere für Freistrahl- und Spiegelgelenkarm-
Strahlführungen geeignet.
Die den Spiegel durchdringende, nicht reflektierende
Strahlung ist hierbei auf das optische Element gerichtet.
Dieser vorteilhaften Weiterbildung liegt insbesondere der
Gedanke zugrunde, daß jeweils dort das Meßgerät zum Ein
satz kommt, wo der Lichtwellenleiter für zusätzliche Maß
nahmen, wie beispielsweise Fokussierung, Umlenkung, Tei
lung, Ankopplung eines weiteren Lichtwellenleiters etc.
des Laserstrahls ohnehin unterbrochen ist.
Diesem Gedanken folgend erweist es sich weiterhin als gün
stig, daß dem der Leistungserfassung dienenden optischen
Element benachart Linsen zum Fokussieren der Strahlung an
geordnet sind. Zur Verringerung der Baugröße kann aber
auch das optische Element selbst linsenförmig ausgebildet
sein.
Als zweckmäßig erweist sich auch, daß das optische Element
aus einer Linse mit lichtwellenempfindlicher Beschichtung
besteht. Dadurch ändern sich entsprechend dem zweistufigen
Meßvorgang die physikalischen Kenngrößen in der Beschich
tung.
In einer besonders empfindlichen Meßanordnung werden zwei
Schwingquarze parallel betrieben, von denen einer von der
zu messenden Laserstrahlung durchdrungen wird. Die immer
im Quarz vorhandenen Verunreinigungen führen zu einer Ab
sorption der Laserstrahlung im Subpromillbereich, die aber
bereits ausreicht, um geringfügige Temperaturänderungen
des Quarzes und damit Änderungen der Resonanzfrequenz her
beizuführen, die dann als Differenzfrequenz zum Referenz
quarz in einfacher Weise detektiert und für die jeweilige
Nutzwellenlänge skaliert werden kann.
Neben Piezoquarzen kann aber auch jedes andere optische
Bauelement, das bei der Nutzwellenlänge des Lasers unter
Beaufschlagung von Lichtleistung, Temperatur- und/oder Vo
lumenänderungen durchführt, als Sensor benutzt werden. Die
Temperatur- und Volumenänderungen können dann durch sekun
däre Meßwertaufnehmer erfaßt werden.
In Weiterführung des Erfindungsgedankens können auch ra
diometrische Größen zur Messung der übertragenen Lichtlei
stung benutzt werden. Beispielsweise kann in einer beson
ders einfachen Ausführungsform für Laserstrahlung im UV
und im sichtbaren Bereich das optische Bauelement auch
Fluorochrome enthalten, die durch das Laserlicht zur Fluo
reszenzemission angeregt werden, die ebenfalls in einem
weiten Leistungsbereich mit der transmittierten Lichtin
tensität skalieren. In diesem Fall kann weitestgehend auch
auf eine Modulation der Laserstrahlung verzichtet werden.
Als Träger der Fluorochrome können prinzipiell dieselben
optischen Übertragungselemente benutzt werden. Zusätzlich
können auch der Faserkern, der Fasermantel oder das Clad
ding Fluorochrome enthalten. Die Fluoreszenzanregung er
folgt für den Faserkern mit der transmittierten Abtrahlung
oder für den Mantel mit der quergedämpften Welle. Bei Ein
lagerung der Chromophore in das Cladding wird vorzugsweise
mit der rückgestreuten Strahlung angeregt; eine Spiegel
blende auf dem weiterführenden Lichtleiter reflektiert bei
passender Abbildung einen Teil der Laserstrahlung.
Andere Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in
den Unteransprüchen gekennzeichnet bzw. werden nachstehend
zusammen mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführung
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es
zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Verbindungselement
als Ausführungsbeispiel der konstruktiven Verwirklichung
des erfindungsgemäßen Meßgeräts sowie
Fig. 2 bis 11 schematische Darstellungen verschiedener
Ausführungsbeispiele der Erfindung.
In Fig. 1 ist in einem Querschnitt ein Verbindungselement
10 mit einem Meßgerät 11 dargestellt. Das Verbindungsele
ment 10 verbindet zwei Lichtwellenleiter 12 und 13 für La
serstrahlung.
Ein Lichtwellenleiter 12 bzw. 13 besteht dabei aus einer
durchgängig sowie zylindrisch ausgebildeten Glasfaser 14,
einem die Glasfaser 14 umgebenden Mantel 15 und einer den
Mantel 15 umgebenden zylindrischen Schutzhülle 16. Im End
bereich des Lichtwellenleiters 12 bzw. 13 ist der Mantel
15, statt von der Schutzhülle, von einem zylindrischen An
schlußstück 17 umgeben. Das Anschlußstück 17 ist auf der
dem freien Ende entfernt gelegenen Seite des Lichtwellen
leiters 12 bzw. 13 in die Schutzhülle 16 derart eingebun
den, daß es in axialer Richtung fixiert ist.
Das Verbindungselement 10 ist hohlzylindrisch ausgeführt
und weist zwei den entsprechenden Anschlußstücken 17 ange
paßten Aufnahmebereiche 18 und 19 auf. Der Aufnahmebereich
18 bzw. 19 des Verbindungselements 10 ist mit dem An
schlußstück 17 des Lichtwellenleiters 12 bzw. 13 ver
schraubbar ausgebildet. Dafür sind entsprechende Gewinde
verläufe in den Aufnahmebereichen 18 und 19 eingedreht.
Das jeweilige Anschlußstück 17 des Lichtwellenleiters 12
bzw. 13 und das Verbindungselement 10 weisen einen einan
der entsprechenden Außendurchmesser auf, so daß im zusamm
geschraubten Zustand der beiden Lichtwellenleiter 12 und
13 mit dem Verbindungselement 10 eine gleichmäßige Außen
kontur in axialer Richtung vorhanden ist.
Das Meßgerät 11 ist mit dem Verbindungselement 10 verbun
den und besteht aus einem scheibenförmigen Schwingquarz
20, an dem Schwingquarz 20 angeordnete Sensoren 21 und 22,
Anschlüssen 23 und 24, in die Verbindungsleitungen 25
steckbar sind, und einer Meßelektronik 26. Beim Schwing
quarz 20 ändern sich in einem zweistufigen Prozeß wenig
stens zwei physikalische Kenngrößen im wesentlichen pro
portionanl zu der durch das Schwingquarz hindurchtretenden
Strahlungsleistung. Dabei wirkt der Schwingquarz 20 als
ein piezoelektrisches Element, das mit Steigerung der
Strahlungsleistung über eine Temperaturerhöhung eine Volu
menänderung erfährt. Mit Änderung des Volumens ändert sich
die Resonanzfrequenz, die von den Sensoren 21 und 22 er
faßt wird.
Der Schwingquarz 20 ist in dem Verbindungselement 10 in
bezug auf seine axiale Erstreckung mittig sowie senkrecht
dazu angeordnet. Die jeweilige Stirnseite des scheibenför
migen Schwingquarzes 20 ist der zugeordneten Stirnseite
der Glasfaser 14 mit Mantel 15 des Lichtwellenleiters 12
bzw. 13 angepaßt. Auf diese Weise ist jeweils die Glasfa
ser 14 mit dem Mantel 15 unmittelbar dem Schwingquarz
benachbart anordbar.
Weiterhin ist das Verbindungselement 10 derart in axialer
Richtung gestuft ausgebildet, daß jeweils die Glasfaser 14
mit dem Mantel 15 am Schwingquarz 20 anliegen, während zu
geordnete stirnseitige Bereiche des Anschlußstücks 17 am
Verbindungselement 10 anliegen.
Sowohl durch die koaxiale Anordnung der beiden zu verbin
denden Glasfasern 14 als auch durch deren unmittelbares
Anliegen am Schwingquarz 20 werden Strahlungsverluste in
diesem Bereich vermieden. Der scheibenförmige Schwingquarz
20 ändert dabei seine Resonanzfrequenz proportional zur
Strahlungsleistung der vom Laser ausgehenden Wellen. Dabei
wird die absorbierte Strahlung in Wärmeenergie umgesetzt,
wodurch das Schwinquarz mit Steigerung der Strahlungslei
stung über eine Temperaturerhöhung eine Volumenänderung
erfährt und somit seine Eigenfrequenz ändert.
Die Sensoren 21 und 22 sind zum Erfassen der Änderung der
Resonanzfrequenz entsprechend am Schwingquarz 20 angeord
net. Das Schwingquarz 20 mit seinen Sensoren 21 und 22 ist
konzentrisch im Verbindungselement 10 eingebunden. Über
die Anschlüsse 23 und 24 sind die Sensoren 21 und 22 über
die Verbindungsleitung 25 mit der Meßelektronik 26 verbun
den. Die Meßelektronik 26 korrespondiert hierbei mit einer
Busleitung 27.
Durch diese vorteilhafte Ausgestaltung sowohl der Enden
der Lichtwellenleiter 12 und 13 als auch des Verbindungse
lements 10 sind die Lichtwellenleiter 12 und 13 fest mit
einander durch Einschrauben in das Verbindungslement 10
verbindbar. Dabei wird eine Strahlungsübertragung von ei
ner Glasfaser 14 auf die folgende durch den Schwingquarz
20 im wesentlichen verlustfrei gewährleistet. Desweiteren
sind die Lichtwellenleiter 12 bzw. 13 beliebig verlänger
bar und mittels des Meßgerätes 11, welches in jedem Ver
bindungselement 10 angeordnet ist, hinsichtlich eines mög
lichen Strahlungsintensitätsabfalls innerhalb des Licht
wellenleiters 12 bzw. 13 kontrollierbar. Mit Änderung der
durch das Schwingquarz 20 hindurchtretenden Strahlung än
dert sich dessen Eigenfrequenz. Diese Änderung wird durch
die Sensoren 21 und 22 erfaßt und über die Verbindungslei
tung 25 an die Meßelektronik 26 weitergegeben. Die Meße
lektronik 26 weist einen Analog/Digital-Wandler auf. Über
die Busleitung 27 werden die digitalen Daten an die - in
Fig. 2 dargestellte - Auswertereinheit 28 weitergeleitet.
Eine Verknüpfung mehrerer Meßgeräte 11, eines Lasers 29,
eines Verbrauchers 30, einer Auswertereinheit 28 sowie ei
nes Protokolldruckers 31 miteinander ist schematisch in
Fig. 2 dargestellt.
Der Laserstrahl wird dabei vom Laser 29 zum Verbraucher 30
über jeweils zwei Lichtwellenleiter 12 und 13 und diese
jeweils verbindenden Verbindungselemente 10 geführt. Die
Lichtwellenleiter 12 bzw. 13 und das Verbindungselement
10 sind dabei entsprechend dem in Fig. 1 dargestellten
Ausführungsbeispiel miteinander verbunden. Jedes der drei
Verbindungselemente 10 ist über die Verbindungsleitung 25
mit der Meßelektronik 26 sowie mit der Busleitung 27 ver
bunden. An die Busleitung 27 ist die Auswertereinheit 28
angeschlossen. Diese ist weiterhin über eine Steuerleitung
32 mit dem Laser 29 und über eine weitere Steuerleitung 33
mit dem Protokolldrucker 31 verbunden.
Entsprechend dieser Anordnung wird der Laserstrahl vom La
ser 29 erzeugt und durch die Lichtwellenleiter 12 und 13
und jeweils dem dem Meßgerät 11 zugeordneten Verbindungse
lement 10 zum Verbraucher 13 übertragen. Die physikali
schen Kenngrößen des Schwingquarzes 20 werden durch die
Sensoren 21 und 22 über die Steuerleitung 25, der Meßelek
tronik 26, der Busleitung 27 zur Auswertereinheit 28 über
tragen und die Daten der physikalischen Kenngrößen dort
für den Protokolldrucker 31 bzw. dem Laser 29 aufgearbei
tet werden. Dadurch wird eine geregelte Strahlung beim
Verbraucher gewährleistet. Bei Änderungen der Welleninten
sität wird der Laser entsprechend einer vorgegebenen Kenn
linie nachgeregelt und notfalls abgeschaltet.
In den Fig. 3 bis 11 ist jeweils schematisch eine prin
zipielle Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Meßanord
nung in Form einer Meßeinheit 11 dargestellt.
Dabei zeigt Fig. 3 schematisch die bereits anhand der
Fig. 1 beschriebene Anordnung der Meßeinheit 11 in einem
Verbindungselement 10. An dem Schwingquarz 20 sind die
Sensoren 21 und 22 zur Aufnahme der Änderung der sich in
Abhängigkeit von der durch den Schwingquarz 20 hindurch
tretenden Strahlung ändernden physikalischen Kenngrößen
angeordnet. Über die Verbindungsleitung 25 sind die Senso
ren 21 und 22 mit der Meßelektronik verbunden. Dabei wird
die Resonanzfrequenz des Schwingquarzes 20 gemessen.
In Fig. 4 ist die Meßeinheit 11 entsprechend Fig. 3 aus
gestaltet. Parallel dazu ist jedoch ein weiterer Schwing
quarz 34 mit Sensoren 35 und 36 über eine Verbindungslei
tung 37 mit der Meßelektronik verbunden. Diese Anordnung
des weiteren Schwingquarzes 34 dient zum Zwecke der Diffe
renzmessung als Referenzelement. Dies ermöglicht ein Meß
verfahren, bei dem die Änderung der physikalischen Kenn
größe im Vergleich mit dem Zustand des weiteren Schwing
quarzes 34, der die Bezugsgröße bildet, ermittelt wird.
Der weitere Schwingquarz 34 ist dabei entsprechnd dem
Schwingquarz 20 ausgebildet. Durch Vergleich der durch die
Sensoren 21 und 22 bzw. 35 und 36 ermittelten Resonanzfre
quenz des Schwingquarzes 20 und des weiteren Schwingquar
zes 34 ist die Änderung der Resonanzfrequenz des Schwing
quarzes 20 ermittelbar. Mittels eines weiteren Vergleichs
mit entsprechenden Werten wird dann die Intensität der La
serstrahlung bestimmt. Dabei ist das weitere Schwingquarz
34 strahlungsgeschützt, außerhalb des Verbindungelements
10 angeordnet. Das Verbindungselement 10 ist hierbei unab
hängig vom Referenzelement ausgebildet ist.
In der in Fig. 5 wiedergegebenen Ausgestaltung der erfin
dungsgemäßen Anordnung liegen die Lichtwellenleiter 12 und
13 nicht direkt am Schwingquarz 20 an. Der Schwingquarz
ist dabei linsenförmig zur Abbildung der Auftrittsfläche
der Glasfaser 14 des Lichtwellenleiters 12 auf die Ein
trittsfläche der Glasfaser 14 des Lichtwellenleiters 13
ausgebildet und wirkt somit gleichzeitig als Koppellinse.
In Fig. 6 ist zu demselben Zweck und in entsprechender
Anordnung wie in Fig. 5 dem Schwingquarz 20 jeweils eine
Linse 38 bzw. 39 benachbart vorgesehen.
Ebenfalls zur Abbildung der Austrittsfläche der Glasfaser
14 des Lichtwellenleiters 12 auf die Eintrittsfläche der
Glasfaser des Lichtwellenleiters 13 ist in Fig. 7 statt
dem Schwingquarz 20 eine beschichtete Linse 40 angeordnet.
Die Beschichtung ist dabei derart lichtwellenempfindlich
ausgebildet, daß sich mit dem Hindurchtreten der Strahlung
eine den Sensoren 21 und 22 zugeordnete physikalische
Kenngröße, beispielsweise die Resonanzfrequenz, ändert.
In Fig. 8 ist das Verbindungselement 10 derart ausgebil
det, daß die Lichtwellenleiter 12 und 13 parallel zueinan
der auf derselben Seite in das Verbindungselement 10 hin
einreichen, wobei über Spiegel 41 und 42 der aus dem
Lichtwellenleiter 12 austretende Strahl um 180° umgelenkt
wird, so daß dieser in den Lichtwellenleiter 13 gelangt.
An dem Spiegel 42 ist das Meßgerät 11 angeschlossen. Dabei
ist der Spiegel 42 teildurchlässig ausgebildet, wobei die
den Spiegel 42 durchdringenden nicht reflektierenden Wel
len auf ein dem Spiegel 42 formmäßig angepaßten Schwing
quarz 20 gerichtet sind. In der beschriebenen Art und Wei
se sind die Sensoren 21 und 22 zum Erfassen der Resonanz
frequenz des Schwingquarzes 20 vorgesehen.
In Fig. 9 und Fig. 10 ist zwischen den Glasfaserleitern
14 der Lichtwellenleiter 12 bzw. 13 ein optisches Leitere
lement 43 vorgesehen. Das optische Leiterelement 43 en
thält dabei bereichsweise fluoreszierende Teilchen 44
(Fluorochrome). Die Glasfaserleiter 14, der Lichtwellen
leiter 12 und 13 liegen dabei direkt an dem optischen Lei
terelement 43 an, wobei deren anliegende Flächen aneinan
der angepaßt sind. Der Sensor besteht aus einer Sammellin
se 45 und einer Photodiode 46.
Mit der Durchstrahlung des optischen Leiterelements 43 er
wärmt sich dieses, wobei es zu Fluoreszenzemissionen
kommt. Diese werden über die Sammellinse 45 von der Photo
diode 46 erfaßt und über deren Intensität die Strahlungs
leistungsintensität ermittelt.
In Fig. 11 ist schematisch eine weitere Ausgestaltung der
erfindungsgemäßen Meßeinheit dargestellt.
Zwischen den beiden Glasfasern 14 der Lichtwellenleiter 12
und 13 ist das optische Leiterelement 43, eine Sammellinse
47 sowie ein ringförmiger Spiegel 48 angeordnet. Entspre
chend den Fig. 9 und 10 ist dem optischen Leiterelement
43 eine Sammellinse 45 und eine Photodiode 46 als Sensor
zugeordnet. Das optische Leiterelement 43 weist im Randbe
reich in bezug auf seine radiale Erstreckung einen fluo
reszierenden Bereich 44 auf, der ringförmig um den Strah
lungsbereich angeordnet sind. Die Glasfaser des Lichtwel
lenleiters 12 liegt am optischen Leiterelement 43 und der
ringförmige Spiegel 48 am Lichtwellenleiter 13 an.
Ein geringer Teil der durch das optische Leiterelement 43
hindurchtretenden Strahlung wird mittels der Sammellinse
47 auf den ringförmigen Spiegel 48 gelenkt, von dort re
flektiert und über die Sammellinse 47 in den Randbereich
des optischen Leiterelements 43 gelenkt, so daß entspre
chend den Fig. 9 und 10 über die Fluoreszenzemissionen
die Strahlungsintensität bestimmbar ist.
Bei den zuvor dargestellten Ausführungen ist der für die
Leistung der im Lichtwellenleiter geführten Lasers reprä
sentative Signalanteil rechtwinklig zum Lichtwellenleiter
abgelenkt und kann dort bequem gebündelt und ausgewertet
werden.
Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht
auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungs
beispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar,
welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich
anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.
Claims (14)
1. Anordnung zur Leistungsmessung von optischer Strah
lung, insbesondere von Laserstrahlung, mit einem im Be
reich der Strahlung vorgesehenen für die Strahlung durch
lässigen optischen Element und einem Sensor zur Erfassung
einer ein Maß für die momentan durch das optische Element
hindurchtretende Leistung bildende physikalischen Kenngrö
ße und einem dem Sensor nachgeschalteten Signalwandler,
dadurch gekennzeichnet,
daß das optische Element (20, 40, 43) derart ausgebildet
ist, daß sich zunächst eine erste physikalische Kenngröße
des optischen Elements (20, 40, 43) im wesentlichen pro
portional zu der durch das Element (20, 40, 43) hindurch
tretenden Strahlungsleistung ändert und infolge dieser Än
derung sich wenigstens eine weitere physikalische Kenngrö
ße im wesentlichen proportional zur ersten physikalischen
Kenngröße ändert, und daß der Sensor (21, 22) als Signal
wandler zur Erzeugung einer auf einem Signalweg übertrag
baren Information ausgebildet ist, deren Inhalt von der
letzten physikalischen Kenngröße bestimmt wird.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40, 43) vollständig von der Strahlung, deren Leistung zu
messen ist, durchquert wird.
3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40, 43) derart ausgebildet ist, daß sich als erste physi
kalische Kenngröße die Temperatur in Abhängigkeit von der
Strahlungsleistung ändert.
4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40) derart ausgebildet ist, daß sich infolge der Tempera
turänderung als weitere physikalische Kenngröße die Eigen
frequenz des in Resonanz schwingenden Elements ändert.
5. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40) mindestens teilweise aus einem piezoelektrischen, ei
nen Teil der optischen Strahlung absorbierenden Werkstoff
besteht oder als Gaszelle ausgebildet ist, so daß die ab
sorbierte Strahlung in Wärmeenergie umgesetzt wird, wo
durch das optische Element (20, 40) mit zunehmender Strah
lungsleistung durch Temperaturerhöhung eine Volumenände
rung erfährt und somit ein mechanisches, insbesondere
Schall-, Signal abgegeben wird.
6. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40) aus einem Schwingquarz (20) besteht.
7. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (43)
fluoreszierende Teilchen (44), insbesondere Flurochrome,
enthält und der Sensor aus einer Sammellinse (45) und ei
ner, insbsondere orthogonal, zur optischen Strahlung aus
gerichteten Photoempfänger (46) besteht, so daß mit zuneh
mender Strahlungsabsorption radiometrisch bedingte Fluores
zenzemissionen auftreten, deren Intensität mittels eines
optischen Empfängers, insbesondere einer Photodiode (46),
erfaßbar sind.
8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß daß die fluoreszierenden
Teilchen im optischen Kern der Übertragungsfaser enthalten
sind und durch die transmittierte Wirkstrahlung zur Fluo
reszenz angeregt wird, die dann ihrerseits wiederum durch
den Photoempfänger detektiert wird (Fig. 9).
9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die fluoreszierenden Teil
chen im optischen Mantel der Übertragungsfaser enthalten
sind und durch die in Lichtwellenleitern auftretende quer
gedämpfte Welle im optischen Mantel zur Fluoreszenz ange
regt wird, die dann ihrerseits wiederum durch den Photo
empfänger detektiert wird (Fig. 10).
10. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß die fluoreszierende Kompo
nente im Schutzmantel (Cladding) der Übertragungsfaser
enthalten ist und durch die rückgestreute oder reflektier
te Strahlung zur Fluoreszenz angeregt wird, die dann ih
rerseits durch den optischen Empfänger detektiert wird.
11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß das optische Element (20,
40, 43) mit einem für die Strahlung teilweise durchlässi
gen Umlenkspiegel (42) versehen ist.
12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß dem optischen Element (29)
mindestens eine Linse (38, 39) benachbart ist oder das op
tische Element (20, 40, 43) Teil einer Linse ist und als
deren strahlungsabsorbierende Beschichtung ausgebildet
ist, deren sich verändernde physikalische Kenngrößen ein
Maß für die Leistung der optischen Strahlung bilden.
13. Anordnung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß ein wei
teres dem ersten Element (21) entsprechendes, nicht durch
strahltes optisches Element (20, 40, 43) als Referenzele
ment ausgebildet und mit einem entsprechenden Sensor (35,
36) zur Erfassung der zweiten physikalischen Kenngröße
verbunden ist, wobei das Ausgangssignal dieses Sensors
(35, 36) mit dem Ausgangssignal des Sensors (21, 22) des
ersten optischen Elements (20, 40, 43) zu einer Differenz
bildung zusammengeschaltet ist.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß bei in Resonanz schwingen
den Elementen die Schwingfrequenzen des ersten und zweiten
Elements voneinander subtrahiert werden.
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