EP0803052A1 - Leistungmessgerät zur leistungsmessung optischer strahlung, insbesondere laserstrahlung - Google Patents
Leistungmessgerät zur leistungsmessung optischer strahlung, insbesondere laserstrahlungInfo
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- EP0803052A1 EP0803052A1 EP95941075A EP95941075A EP0803052A1 EP 0803052 A1 EP0803052 A1 EP 0803052A1 EP 95941075 A EP95941075 A EP 95941075A EP 95941075 A EP95941075 A EP 95941075A EP 0803052 A1 EP0803052 A1 EP 0803052A1
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Definitions
- the invention relates to a power meter for measuring power of optical radiation, in particular laser radiation, according to the preamble of claim 1.
- Devices for measuring the power of optical radiation are known from WO 91/05228, EP 0 285 785 AI and US Pat. No. 3,596,514.
- an attenuator for optical radiation is also known, in which one or more multiply perforated fabrics, eg. B. metal networks are arranged transversely to the direction of propagation of the radiation.
- the structure of the fabrics, e.g. B. the wires of the metal nets, diffracted or reflected radiation bundles are absorbed by the housing walls.
- this device is not set up for measuring the beam power of optical radiation.
- a device for measuring the energy of rapidly pulsating radiation is known from US Pat. No. 5,114,228, the measuring head provided with cooling fins containing a heat sensor, preferably a thermal column, and a fast radiation detector.
- the heat sensor absorbs approx. 95% of the beam power, the fast detector detects part of the scattered radiation;
- the energy of the individual pulses is determined from the measurement signals obtained from the sensor and the detector as well as the pulse frequency.
- the maximum permissible beam power is limited by the thermal load capacity of the heat sensor.
- a calorimeter for measuring optical beam power is known from US Pat. No. 3,282,100, in the heat-insulated housing of which a randomly packed, fine and electrically insulated resistance wire of a predetermined length is accommodated.
- the radiation absorbed by the fine wire packing changes the electrical resistance of the wire, so that this resistance Status change the energy of the radiation incident in the housing can be determined.
- the maximum permissible beam power is limited by the thermal load capacity of the wire insulation.
- a laser power measuring device which contains an absorber block, preferably made of metal, in the center of which a temperature sensor is arranged.
- the radiation impinging on a surface of the absorber block causes an increase in temperature, which is detected by the temperature sensor.
- the temperature change during a predetermined period of time serves as the measurement variable for determining the laser power. Any overheating of the absorber block can be indicated by an indicator light in response to a suitable input signal from an arithmetic logic unit.
- a power measuring device of the generic type is described and illustrated in US Pat. No. 3,596,514, in which a disk which absorbs the radiation to be measured is mounted in a tubular housing provided with outer cooling fins. The radial heat flow resulting from the absorbed radiation in the disk is measured with a special configuration of thermocouples (thermopile) and displayed in an evaluation device as beam power.
- thermocouples thermocouples
- the object of the invention is to design a device of the generic type in such a way that high beam powers in the multi-KW range can be measured without water cooling while maintaining a simple structural design.
- the radiation incident in the housing is gradually emitted by the structures of the network, honeycomb or lattice-shaped structures connected in series, e.g. B. wire mesh, absorbed, which warm up as a result. This heat is dissipated by a defined, constant air flow that passes through the openings in the absorption structures.
- the resulting increase in temperature of the air flow is proportional to the mean jet power, for. B. that of a pulsed laser, and can therefore be used to determine this beam power. Since the air flow can be adapted within wide limits to the thermal load capacity of the absorbent structures and thus to the jet power this device also allows the precise determination of high beam powers.
- FIG. 1 shows the measuring device according to the invention in longitudinal section
- FIG. 2 shows a variant of the measuring device from FIG. 1.
- the power meter has a tubular housing 1, through the end face 1 a of which the radiation to be measured, eg. B. pulsed laser radiation (arrow S).
- a fan 2 in the form of an axial fan is built into the housing 1.
- the housing itself consists of an outer metal tube, which is slightly more than half its length with a heat insulation layer 1c, e.g. B. is made of ceramic wool.
- the inner wall of the heat insulation layer 1c provided with a covering is lined with ceramic paper 1d.
- the radiation S absorbing elements are built into the housing 1. They consist of several mesh, honeycomb or lattice-shaped structures 3, z. B. wire mesh, which are arranged at a mutual distance from one another and transversely to the direction of the radiation S incident in the housing 1.
- the individual mesh, honeycomb or lattice-shaped structures 3 are offset with respect to the radiation S with their structures 3a such that the entire cross section of the radiation S is detected by the structures 3a on the way through the structures 3.
- the structures 3a consist of a material with a high absorption coefficient, high melting temperature and good thermal conductivity.
- the mesh size is about 1.5 mm with a wire thickness of 0.15 mm.
- Metallic baffle plates le with peripheral air passage openings lf are installed in the housing 1 between the blower 2 and the heat insulation layer 1c or the structures 3.
- the insulation layer 1c between the structures 3 and the baffle plates 1e has a flange-like constriction lg narrowing the free housing cross section, in the area of which a temperature measuring element 4, for. B. a thermocouple is attached.
- the axial fan 2 generates a defined, constant air flow (arrows L) which flows through the openings in the structures 3 from the beam entry side and approximately parallel to the radiation S and heats up in the process.
- the air heated in this way reaches through the constriction 1g, in which its temperature is measured with the thermocouple 4 and is displayed in a display instrument 4a as a difference to the room temperature 4b or directly as a beam power of the radiation S.
- the air flow L is deflected radially outward from the impact and heat protection plates 1e and reaches the outside via their peripheral openings 1f and the blower 2.
- axially extending, radially outwardly pointing cooling fins 5 are attached to the housing 1 and evenly distributed over its circumference.
- the absorption structure first acted upon by the incident radiation S consists of a disk-shaped, ceramic body 6a with a honeycomb structure.
- the honeycombs of the disk-shaped body 6a have a length of 10 mm and a clear width of 1.4 mm. This is followed - as seen in the beam direction - by lattice-shaped absorption structures 6b, 6c. Behind these absorption structures 6b, 6c is provided a peripheral air passage openings
- the reflection plate 6d in the housing 1 is arranged at an incline such that all of the radiation reflected by it is absorbed by the honeycombs of the ceramic body 6a.
- the other components correspond to those in FIG. 1.
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmessgerät zur Leistungsmessung optischer Strahlung (9), insbesondere Laserstrahlung, mit einem rohrförmigen Gehäuse, das mehrere, die Strahlung absorbierende Elemente (3) enthält, sowie einer Temperaturmesseinrichtung (4), mit der eine durch die absorbierte Strahlung bewirkte Temperaturerhöhung ermittelt wird, wobei diese Temperaturerhöhung als Messgrösse für die Bestimmung der Strahlleistung herangezogen wird. Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein gattungsgemässes Gerät so zu gestalten, dass damit unter Beibehalten eines einfachen konstruktiven Aufbaus auch hohe Strahlleistungen im Multi-KW-Bereich ohne Wasserkühlung gemessen werden können. Die Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die die Strahlung absorbierenden Elemente aus mehreren netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3) bestehen, die in gegenseitigem Abstand und quer zur Richtung der in das Gehäuse einfallenden Strahlung in das Gehäuse eingebaut sind; das Gehäuse ist mit einem Gebläse (2) versehen, das Luft durch die Gebilde hindurchfördert; hinter den Gebilden, bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft, ist ein Temperaturmesselement (4) angeordnet, mit dem die Temperatur der durch die Gebilde erwärmten Luftströmung gemessen und in einem Instrument (4a) als Differenz zur Raumtemperatur oder direkt als Strahlleistung angezeigt wird.
Description
Leistungsmeßgerät sur Leistungsmessung optischer Strahlung/ insbesondere Laserstrahlung
Die Erfindung betrifft ein Leistungsmeßgerät zur Leistungsmes¬ sung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Geräte zur Leistungsmessung optischer Strahlung sind aus der WO 91/05228, EP 0 285 785 AI sowie der US 3,596,514 bekannt. Aus der DE 32 47 794 AI ist ferner ein Abschwächer für opti¬ sche Strahlung bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein oder meh¬ rere, mehrfach durchbrochene Flächengebilde, z. B. Metall¬ netze, quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung angeordnet sind. Die von den Strukturen der Flächengebilde, z. B. den Drähten der Metallnetze, gebeugten oder reflektierten Strah¬ lungsbündel werden von den Gehäusewänden absorbiert. Diese Vorrichtung ist jedoch nicht für die Messung der Strahllei¬ stung einer optischen Strahlung eingerichtet.
Aus der US 5,114,228 ist ein Gerät zur Messung der Energie schnell pulsierender Strahlung bekannt, dessen mit Kühlrippen versehener Meßkopf einen Wärme-Sensor, vorzugsweise eine Ther- mosäule, und einen schnellen Strahlungsdetektor enthält. Der Wärme-Sensor absorbiert ca. 95 % der Strahlleistung, der schnelle Detektor erfaßt einen Teil der gestreuten Strahlung; aus den gewonnenen Meßsignalen des Sensors und des Detektors sowie der Pulsfrequenz wird die Energie der einzelnen Impulse ermittelt. Dabei wird die maximal zulässige Strahlleistung durch die thermische Belastbarkeit des Wärme-Sensors begrenzt.
Aus der US 3,282,100 ist ein Kalorimeter zur Messung optischer Strahlleistung bekannt, in dessen wärmeisoliertem Gehäuse ein regellos gepackter, feiner und elektrisch isolierter Wider¬ standsdraht vorbestimmter Länge untergebracht ist. Die von der feinen Drahtpackung absorbierte Strahlung verändert den elek¬ trischen Widerstand des Drahtes, so daß aus dieser Wider-
Standsänderung die Energie der in das Gehäuse einfallenden Strahlung ermittelt werden kann. Auch hier wird die maximal zulässige Strahlleistung von der thermischen Belastbarkeit der Drahtisolierung begrenzt.
Aus der DE 42 43 902 AI ist ein Laserleistungsmeßgerät be¬ kannt, das einen Absorberblock, vorzugsweise aus Metall, ent¬ hält, in dessen Zentrum ein Temperatursensor angeordnet ist. Die auf eine Oberfläche des Absorberblockes auftreffende Strahlung bewirkt eine Temperaturerhöhung, die von dem Tempe¬ ratursensor erfaßt wird. Als Meßgröße zur Ermittlung der La¬ serleistung dient die Temperaturänderung während einer vorge¬ gebenen Zeitperiode. Ein etwaiges Überhitzen des Absorber¬ blocks kann durch ein Indikatorlicht in Antwort auf ein ge¬ eignetes Eingangssignal von einer arithmetischen logischen Einheit angezeigt werden.
In der DE 39 42 293 AI wird ein Verfahren zum Messen von La¬ serleistung beschrieben, bei dem ein elektrisch beaufschlagba¬ rer, einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisender Me߬ draht mit hohem Absorptionsvermögen und ein gleichartiger Kom¬ pensationsdraht mit geringem Absorptionsvermögen hin- und her¬ gehend quer über den Strahlquerschnitt relativ bewegt werden. Der Meßstrom wird in beiden Drähten konstant gehalten; als Meßgröße für die Laserleistung dient der Quotient der an den beiden Drähten abfallenden Spannungen. Dadurch soll der Ein¬ fluß der Konvektionskühlung auf das Meßergebnis eliminiert werden. Damit kann aber nur die relative, auf den konkreten Anwendungsfall bezogene Laserleistung bestimmt werden, da die Meßgröße außer von den absorbierten Strahlanteilen auch noch vom Querschnitt und von der Geometrie des Laserstrahls ab¬ hängt.
In der US 3,596,514 ist ein Leistungsmeßgerät der gattungsge¬ mäßen Art beschrieben und dargestellt, bei dem in einem rohr- förmigen, mit äußeren Kühlrippen versehenen Gehäuse eine die zu messende Strahlung absorbierende Scheibe angebracht ist.
Der durch die absorbierte Strahlung in der Scheibe entstehende radiale Wärmefluß wird mit einer speziellen Konfiguration von Thermoelementen (Thermosäule) gemessen und in einem Auswerte¬ gerät als Strahlleistung angezeigt.
Für höhere Strahlleistungen muß jedoch die Einzelscheibe durch einen Block von gestapelten Absorptionsplatten ersetzt werden, durch die eine Kühlschlange für eine Wasserkühlung hindurchge¬ führt werden kann. Diese Ausführungsform ist sowohl in kon¬ struktiver Hinsicht als auch bezüglich ihrer Betriebsweise er¬ heblich aufwendiger als die zuerst beschriebene, mit äußeren Kühlrippen versehene Version.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein gattungsgemäßes Gerät so zu gestalten, daß damit unter Beibehalten eines einfachen kon¬ struktiven Aufbaus auch hohe Strahlleistungen im Multi-KW-Be- reich ohne Wasserkühlung gemessen werden können.
Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen von An¬ spruch 1 genannten Maßnahmen vorgeschlagen. Die hierauf bezo¬ genen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung.
Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird die in das Gehäuse ein¬ fallende Strahlung stufenweise von den Strukturen der hinter¬ einander geschalteten netz-, waben- oder gitterförmigen Gebil¬ den, z. B. Drahtgeflechten, absorbiert, die sich dadurch er¬ wärmen. Diese Wärme wird von einem definierten, konstanten, durch die Durchbrüche der Absorptionsgebilde hindurchgeführten Luftstrom abgeführt.
Die dabei auftretende Temperaturerhöhung des Luftstromes ist proportional zur mittleren Strahlleistung, z. B. der eines gepulsten Lasers, und kann daher zur Bestimmung dieser Strahlleistung herangezogen werden. Da der Luftstrom an die thermische Belastbarkeit der absorbierenden Strukturen und da¬ mit an die Strahlleistung in weiten Grenzen angepaßt werden
kann, gestattet dieses Gerät auch die genaue Bestimmung hoher Strahlleistungen.
Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand schematischer Skizzen erläutert:
Die Figur 1 zeigt das erfindungsgemäße Meßgerät im Längs¬ schnitt;
die Figur 2 zeigt eine Variante des Meßgerätes von Figur 1.
Gemäß Figur 1 weist das Leistungsmeßgerät ein rohrförmiges Ge¬ häuse 1 auf, durch dessen eine Stirnseite la die zu messende Strahlung, z. B. gepulste Laserstrahlung (Pfeil S) , einfällt. Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite lb ist ein Ge¬ bläse 2 in Gestalt eines Axiallüfters in das Gehäuse 1 einge¬ baut. Das Gehäuse selbst besteht aus einem äußeren Metallrohr, das zu etwas mehr als der Hälfte seiner Länge mit einer Wärme¬ isolationsschicht lc, z. B. aus Keramikwolle, versehen ist. Die Innenwand der mit einer Umhüllung versehenen Wärmeisolati¬ onsschicht lc ist mit Keramikpapier ld ausgekleidet.
Im Bereich der Wärmeisolationsschicht lc und an das Keramikpa¬ pier ld angrenzend sind in das Gehäuse l die Strahlung S ab¬ sorbierende Elemente eingebaut. Sie bestehen aus mehreren netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden 3, z. B. Drahtge¬ webe, die in gegenseitigem Abstand zueinander und quer zur Richtung der in das Gehäuse 1 einfallenden Strahlung S ange¬ ordnet sind. Die einzelnen netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde 3 sind mit ihren Strukturen 3a in Bezug auf die Strah¬ lung S so gegeneinander versetzt, daß der gesamte Querschnitt der Strahlung S auf dem Weg durch die Gebilde 3 von deren Strukturen 3a erfaßt wird.
Die Strukturen 3a bestehen aus einem Material mit hohem Ab¬ sorptionskoeffizienten, hoher Schmelztemperatur und guter Wär¬ meleitfähigkeit. Im Falle eines Drahtgewebes, z. B. aus Wolf-
ram oder Stahl, beträgt die Maschenweite etwa 1,5 mm bei einer Drahtstärke von 0,15 mm.
Zwischen dem Gebläse 2 und der Wärmisolationsschicht lc bzw. den Gebilden 3 sind in das Gehäuse 1 metallische Prallplatten le mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen lf eingebaut. Wie aus der Figur ferner zu ersehen ist, weist die Isolations¬ schicht lc zwischen den Gebilden 3 und den Prallplatten le eine den freien Gehäusequerschnitt verengende, flanschartige Einschnürung lg auf, in deren Bereich ein Temperaturmeßelement 4, z. B. ein Thermoelement, angebracht ist.
Der Axiallüfter 2 erzeugt eine definierte, konstante Luftströ¬ mung (Pfeile L) , die von der Strahleintrittsseite her und etwa parallel zur Strahlung S die Durchbrüche in den Gebilden 3 durchströmt und sich hierbei erwärmt. Die so erwärmte Luft ge¬ langt durch die Einschnürung lg, in der ihre Temperatur mit dem Thermoelement 4 gemessen und in einem Anzeigeinstrument 4a als Differenz zur Raumtemperatur 4b oder direkt als Strahllei¬ stung der Strahlung S angezeigt wird. Danach wird die Luft¬ strömung L von den Prall- und Wärmeschutzplatten le radial nach außen abgelenkt und gelangt über deren periphere Öffnun¬ gen lf und das Gebläse 2 nach außen.
In dem Bereich zwischen der Wärmeisolationsschicht lc und dem Gebläse 2 sind auf dem Gehäuse 1 und gleichmäßig über dessen Umfang verteilt axial verlaufende, radial nach außen weisende Kühlrippen 5 angebracht.
Wie aus Figur 2 zu ersehen ist, besteht das von der einfallen¬ den Strahlung S zuerst beaufschlagte Absorptionsgebilde aus einem scheibenförmigen, keramischen Körper 6a mit wabenförmi- ger Struktur. Die Waben des scheibenförmigen Körpers 6a haben eine Längen von 10 mm und eine lichte Weite von 1,4 mm. Hieran schließen sich - in Strahlrichtung gesehen - gitterförmige Ab¬ sorptionsgebilde 6b, 6c an. Hinter diesen Absorptionsgebilden 6b, 6c ist eine mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen verse-
hene Reflexionsplatte 6d in dem Gehäuse 1 so geneigt angeord¬ net, daß die gesamte, von ihr reflektierte Strahlung von den Waben des keramischen Körpers 6a absorbiert wird. Die übrigen Bauteile entsprechen denen der Figur 1.
Bei der Anordnung der Absorptionsgebilde ist darauf zu achten, daß alle diese hintereinandergeschalteten, in gegenseitigem Abstand gehaltenen Gebilde möglichst gleichmäßig von der ein¬ fallenden Strahlung S wärmebelastet werden.
Bezuσszeichenliste
1 Gehäuse la Stirnseite lb gegenüberliegende Stirnseite lc Wärmeisolationsschicht ld Keramikpapier le Prallplatten lf Luftaustrittsöffnung lg Einschnürung
2 Gebläse
3 gitterförmige Gebilde 3a Strukturen
4 Thermoelement
4a Anzeigeinstrument
4b Raumtemperatur
5 Kühlrippen
6a keramischer Körper
6b Absorptionsgebilde
6c Absorptionsgebilde
6d Reflexionsplatte
S Strahlung
L Luftströmung
Claims
1. Leistungsmeßgerät zur Leistungsmessung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einem rohrförmigen Gehäuse, das mehrere, die Strahlung absorbierende Elemente enthält, sowie einer Temperaturmeßeinrichtung, mit der eine durch die absorbierte Strahlung bewirkte Temperaturerhöhung ermittelt wird, wobei diese Temperaturerhöhung als Meßgröße für die Bestimmung der Strahlleistung herangezogen wird, gekenn¬ zeichnet durch folgende Merkmale: a) die die Strahlung (S) absorbierenden Elemente bestehen aus mehreren netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3) , die in gegenseitigem Abstand und quer zur Richtung der in das Gehäuse (1) einfallenden Strahlung (S) in das Gehäuse (1) eingebaut sind; b) das Gehäuse (1) ist mit einem Gebläse (2) versehen, das Luft (L) durch die netz-, waben- oder gitterförmigen Ge¬ bilde (3) hindurchfördert; c) hinter den netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3) , bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft (L) , ist ein Temperaturmeßelement (4) angeordnet, mit dem die Temperatur der durch die Gebilde (3) erwärmten Luftströ¬ mung (L) gemessen und in einem Instrument (4a) als Dif¬ ferenz zur Raumtemperatur (4b) und/oder direkt als Strahlleistung angezeigt wird.
2. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Strukturen (3a) der einzelnen netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde (3) in Bezug auf die Strahlrichtung (S) gegeneinander versetzt und/oder schräg gegeneinander gestellt sind.
3. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) eine Wärmeisolationsschicht (lc) auf¬ weist, die an die netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde (3) angrenzt.
4. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (2) aus einem Axiallüfter besteht, der auf der der einfallenden Strahlung (S) abgewandten Seite in das Gehäuse (1) eingebaut ist.
5. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gebläse (2) und den netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3) Prallplatten (le) mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen (lf) in das Gehäuse (1) eingebaut sind.
6. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zwischen den netz-, waben- oder gitter¬ förmigen Gebilden (3) und den Prallplatten (le) eine den freien Gehäusequerschnitt verengende, flanschartige Ein¬ schnürung (lg) aufweist, in deren Bereich ein oder mehrere Temperaturmeßelemente (4) angebracht sind.
7. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich zwischen der Wärmeisolationsschicht (lc) und dem Gebläse (2) an dem Gehäuse (1) über dessen Umfang verteilte, radial nach außen weisende Kühlrippen (5) ange¬ bracht sind.
8. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das von der einfallenden Strahlung (S) als erstes beaufschlagte Gebilde aus einem keramischen Körper (6a) mit wabenförmiger Struktur besteht.
9. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß - in Strahlungsrichtung gesehen - hinter den Gebilden (6a, 6b, 6c) eine mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen versehene Reflexionsplatte (6d) in dem Gehäuse (1) so ge¬ neigt angeordnet ist, daß die von ihr reflektierte Strahlung von dem oder den keramischen Körpern (6a) absorbiert wird.
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