WO1999010716A2 - Energiemessinstrument für gepulste laser - Google Patents

Energiemessinstrument für gepulste laser Download PDF

Info

Publication number
WO1999010716A2
WO1999010716A2 PCT/EP1998/005369 EP9805369W WO9910716A2 WO 1999010716 A2 WO1999010716 A2 WO 1999010716A2 EP 9805369 W EP9805369 W EP 9805369W WO 9910716 A2 WO9910716 A2 WO 9910716A2
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
measuring head
head according
absorber
measuring
measuring instrument
Prior art date
Application number
PCT/EP1998/005369
Other languages
English (en)
French (fr)
Other versions
WO1999010716A3 (de
Inventor
Heinrich Stevens
Steven Wright
Original Assignee
Heinrich Stevens
Steven Wright
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Heinrich Stevens, Steven Wright filed Critical Heinrich Stevens
Publication of WO1999010716A2 publication Critical patent/WO1999010716A2/de
Publication of WO1999010716A3 publication Critical patent/WO1999010716A3/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/22—Details, e.g. general constructional or apparatus details
    • G01N29/24—Probes
    • G01N29/2418—Probes using optoacoustic interaction with the material, e.g. laser radiation, photoacoustics
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J11/00—Measuring the characteristics of individual optical pulses or of optical pulse trains
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/04—Analysing solids
    • G01N29/045—Analysing solids by imparting shocks to the workpiece and detecting the vibrations or the acoustic waves caused by the shocks
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N29/00—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object
    • G01N29/14—Investigating or analysing materials by the use of ultrasonic, sonic or infrasonic waves; Visualisation of the interior of objects by transmitting ultrasonic or sonic waves through the object using acoustic emission techniques

Definitions

  • the invention relates to an instrument according to the preamble of claim 1.
  • thermoelectric effect in metals As can be seen from a current market overview of laser technology devices, all common broadband laser energy measuring devices work on the principle of calorimetry 1 .
  • a strongly light-absorbing material serves as a detector surface and is heated by the incident laser beam. The degree of heating is then measured using a suitable thermometer.
  • the absorber material must be selected so that the light is absorbed as completely as possible so that good sensitivity can be achieved.
  • the heating depending on the laser wavelength must be very constant in order to avoid constant calibration of the instrument when used with different types of lasers.
  • the physical effect that these instruments use to carry out the calorimetric measurement is usually either the thermoelectric effect in metals or the pyroelectric effect in ferroelectrics.
  • thermoelectric effect a loop consisting of two sections of different metals spontaneously conducts a current if the two metal / metal junctions are kept at different temperatures.
  • the internal electrical voltage that maintains this current is proportional to the temperature difference at the two junctions.
  • the system can be used as a temperature measuring device.
  • This method can therefore be used both for measuring the power of continuous wave lasers and for measuring the energy of pulsed lasers. Since the effect is relatively small (the largest "Seebeck coefficient", which indicates the voltage generated per degree temperature difference, is approximately 100 ⁇ V / ° C with bismuth / antimony transitions), a series connection of several is usually used to increase the overall sensitivity Thermocouples used (thermopile).
  • Pyroelectric detectors use ferroelectrics (e.g. triglyzine sulfate, strontium barium niobate or lithium tantalate) as the absorber material. Ferroelectrics that are below their Curie point have a permanent internal electrical dipole moment. However, macroscopic samples of these substances have no dipole moment externally, because in equilibrium the free charge carriers of the sample migrate to the surface and are distributed so that the macroscopic dipole moment disappears. However, if the temperature of the sample is changed, the internal dipole moment also changes and the surface charge changes accordingly to restore the equilibrium state.
  • ferroelectrics e.g. triglyzine sulfate, strontium barium niobate or lithium tantalate
  • Suitable electronic circuits - either a transistor with a resistor parallel to the ferroelectric to generate a voltage from the change in charge, or with a transimpedance circuit to generate a current as a signal - can do this depending on the temporal rate of heating of the sample caused change in charge can be demonstrated. Due to the fact that only a change in the surface charge is detected, detectors of this can
  • the Laser Focvs World Buyers Guide '96, Penn Well Publishing Company (1996) Type can only be used to detect changes in light intensity, i.e. for modulated continuous wave lasers or for pulsed lasers.
  • thermal detectors Another type of thermal detector are bolometers, which, however, are not widely sold on the market. These detectors take advantage of the temperature dependence of the resistance of materials. Usually, thermistors, mixtures of nickel, manganese and coba oxides are used as absorbers, which are connected as a Wheatstone bridge in order to demonstrate the changes in resistance. Typical temperature coefficients of these substances are around -0.05 / ° C.
  • absorber material is essentially made to maximize the coefficient of the corresponding effect (Seebeck coefficient for thermoelectric detectors, pyroelectric coefficient for pyroelectric detectors, or temperature coefficient for bolometers).
  • a number of parameters are available for optimizing the sensitivity: the absorptivity of the absorber, the thermal coupling absorber / 'thermometer', the heat capacity of the absorber
  • the absorber In order to maximize the temperature increase for a given light energy, the absorber must have a high absorptivity. This optimization strategy is common to all energy meter developments and is generally achieved by blackening the surface of the absorber material or by choosing a naturally black absorber. This also ensures that the proportion of light energy absorbed is largely independent of the wavelength.
  • thermoelectric detectors and bolometers represent parameters whose optimization for thermoelectric detectors and bolometers can only be achieved through compromises. Since these detectors demonstrate the temperature increase due to the amount of heat supplied by the light, the thermal conductivity is low to the environment as well as a low heat capacity is desirable so that the temperature increase is maximized for a given light energy. On the other hand, a low thermal conductivity means that the stored amount of heat can only be dissipated slowly. However, this impairs the frequency response of the system: the system can Only process rapidly changing light intensities cumulatively, which means that the pulse repetition rate for single pulse measurements must be reduced.
  • the reduction in thermal conductivity is achieved by the fact that the Feed lines to the downstream electronics are very thin. These thin lines represent a mechanical weak point. Pyroelectric detectors do not suffer from this need for compromise, because they only react to changes in surface charge, ie that the basic level components are not detected anyway. A low heat capacity of the absorber for the purpose of increasing the temperature sensitivity is realized in that the absorber is made very thin. However, this deteriorates the mechanical stability of the instrument and also reduces the amount of light that can be measured without destroying the surface, a further compromise that also applies to the development of pyroelectric detectors.
  • pyroelectric detectors are sensitive to structure-borne noise, because with these detectors, the detection element of which is a large-area capacitor, the surface charge is also a function of the thickness of the absorber and is therefore influenced by vibrations.
  • a major disadvantage for all three of the above-mentioned types of detectors is that the absorber and the thermometer form one unit. This means that destruction or damage to the absorber surface due to excessive energy input has the consequence that the repair of the instrument is complex and expensive. In many cases, the cost of a repair exceeds the cost of a new probe. Therefore, if the absorbers are merely damaged, many users tend to continue using the head without repair, although the results of the energy measurement are now uncertain.
  • Golay cells 2 - 3 are commercially available for measurements of very low powers or energies, but only to a very small market share. These detectors use the photoacoustic effect 4 for detection, the pressure changes being detected optically. A mirrored membrane is deflected by the pressure fluctuations and the change in the beam path of an additional light source reflected by the membrane is detected. The construction of detectors of this type is complicated and the devices are accordingly prone to failure and not very robust.
  • the object of the invention is to provide a broadband detector (UV to medium IR) with high energy resolution, in which the calorimetric measurement works on the basis of the photoacoustic effect.
  • a broadband detector UV to medium IR
  • a black, porous substance serves as an absorber and a microphone as a detector.
  • the immediate surface of the absorber is heated by absorption of the light pulse. This heating is quickly transferred to the air surrounding the absorber and leads to an impulsive pressure increase in the closed cavity. This increase in pressure is sensitively detected by the microphone 6 .
  • the detection is so sensitive that the energy resolution for the given entrance area is higher than with the detectors common today.
  • the absorber is black in order to ensure high and wavelength-independent light absorption.
  • the surface is porous, because this increases the sensitivity of the photoacoustic detection 7 . 8 .
  • the absorber material is not physically connected to the downstream detector (in this case, the microphone) except through the surrounding air and, moreover, the detector only reacts to pressure changes, the development compromises with regard to thermal conductivity discussed above in connection with the commercially available detectors are not relevant .
  • the porous surface of the selected material provides enough heat-conducting medium (here air) so that the heat capacity of the absorber cannot adversely affect the response time of the system to the extent that is common with today's types of absorbers. Therefore, mechanically and thermally stable absorbers can be used and high pulse repetition rates can still be processed without impairment.
  • Microphones are commercially available which are bypassed insensitive to low frequencies. This effectively eliminates interference signals from ambient noise. Due to the small surface area and high tension of the membrane, they have a mechanical resonance frequency that is significantly higher than typical ambient frequencies. This means that the measuring head is significantly less sensitive to structure-borne noise than pyroelectric detectors.
  • Figure 1 a vertical section through the measuring head (version 1)
  • FIG. 2 an exploded view of the individual components of the measuring head from FIG. 1
  • the window (1) is held on the measuring head by the screwed front cap (2). This means that the window can be replaced in the event of damage or for measurements in different wavelength ranges (e.g. infrasil or sapphire window for near UV to near IR; ZnSe window for near to medium IR).
  • the hollow chamber between the window and the absorber (3) is sealed off by the O-ring (4).
  • a carbon tablet serves as the absorber material. It is black, porous and resistant to both mechanical and strong light.
  • the absorber is embedded in a recess to ensure a secure hold.
  • the cavity between the absorber and the window is lined with a sound-absorbing material (5) (here with a thin layer of foam) so that the acoustic vibrations are damped quickly in order to keep the processable repetition rate as high as possible.
  • a sound-absorbing material (5) here with a thin layer of foam
  • the microphones (6) are embedded in slots in the body (7). Millings along the body serve to guide the electrical lines from the microphones to the rear chamber.
  • a signal processing unit (8) is introduced in the rear chamber (here a microphone preamplifier using SMD technology).
  • the lines from the preamplifier to the outside to the evaluation / display module (not shown) are led through a grounded socket.
  • the entire rear chamber forms a Faraday cage for shielding the preamplifier from external electrical interference fields, which are particularly strong in applications with pulse lasers.
  • the entire measuring head is provided with a casing (9) in order to dampen the transmission of structure-borne noise to the microphone.
  • a construction with variable cavity volume (version 2, without illustration) makes it possible to increase the dynamics of the instrument. For example, the volume of the measuring space can be changed by means of a distributable piston and thus a targeted reduction in sensitivity. This enables measurements with both low ( ⁇ J to mJ) and higher laser energies (mJ to J) with a single measuring head.
  • the small cavity is used to measure low energies ( ⁇ J to mJ). At higher energies (mJ to J) the piston is moved backwards to enlarge the cavity, which deliberately reduces the sensitivity of the instrument. Such a dynamic expansion is not possible with today's types of detectors.
  • the other details are the same as for version 1.
  • Version 3 (not shown) is characterized by the fact that the microphone or microphones are installed in pairs, so that one microphone of the pair each

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Ultrasonic Waves (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Energiemeßinstrument für gepulste Laser. Das neue Energiemeßinstrument weist die Energie eines Laserpulses über den fotoakustischen Effekt nach. Die Lichtpulse werden von einem robusten Absorber (3) in einer Hohlkammer (10) absorbiert. Die daraus folgende Erwärmung der in der Hohlkammer enthaltenen Luft führt zu einem Druckpuls, der von einem Mikrofon (6) detektiert wird. Das neue Energiemeßinstrument eignet sich für die Messung geringer Laserenergien (νJ bis mJ). In einer weiteren Ausführung, die eine erweiterte Dynamik aufweist, eignet es sich auch für stärkere Laserenergien (νJ bis J). Die Anwendungen des Energiemeßinstrumentes liegen in der Meßtechnik, der Materialbearbeitung und der Medizintechnik.

Description

Energiemess-ins trument für gepulste Laser
Die Erfindung betrifft ein Instrument entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wie aus einer aktuellen Marktübersicht lasertechnischer Geräte festzustellen ist, arbeiten alle gängigen breitbandigen Laserenergiemeßgeräte auf dem Prinzip der Kalorimetrie1. In diesen Geräten dient ein stark lichtabsorbierendes Material ais Detektorfläche und wird durch den auftreffenden Laserstrahl erwärmt. Anschließend wird das Maß der Erwärmung durch ein geeignetes Thermometer gemessen. Das Absorbermaterial muß so ausgewählt werden, daß das Licht möglichst vollständig absorbiert wird, damit eine gute Empfindlichkeit erzielt werden kann. Desweiteren muß die Erwärmung in Abhängigkeit der Laserwellenlänge sehr konstant sein, um ein ständiges Kalibrieren des Instruments bei der Anwendung mit verschiedenen Lasertypen zu erübrigen. Der physikalische Effekt, den diese Instrumente zur Durchführung der kalorimetrische Messung ausnutzen, ist in der Regel entweder der thermoelektrische Effekt in Metallen oder der pyroelektrische Effekt in Ferroelektrika.
Bei dem thermoelektrischen Effekt leitet eine Schleife, bestehend aus zwei Teilstücken unterschiedlicher Metalle, spontan einen Strom, wenn die zwei Metall / Metall-Übergänge auf unterschiedlichen Temperaturen gehalten werden. Die interne elektrische Spannung, die diesen Strom aufrecht erhält, ist proportional dem Temperaturunterschied an den beiden Übergängen. Indem einer dieser Übergänge auf einer festen Temperatur gehalten wird, kann das System als Temperaturmeßgerät verwendet werden. Diese Methode kann also sowohl für die Messung der Leistung von Dauerstrich lasern als auch für die Messung der Energie von gepulsten Lasern angewendet werden. Da der Effekt relativ klein ist (der größte "Seebeck Koeffizient", der die erzeugte Spannung pro Grad Temperaturunterschied angibt, beträgt etwa 100 μV / °C mit Wismut / Antimon - Übergängen), wird zur Erhöhung der gesamten Empfindlichkeit in der Regel eine Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente verwendet (Thermosäule).
Pyroelektrische Detektoren verwenden Ferroelektrika (z.B. Triglyzinsulfat, Strontium- Barium-Niobat oder Lithium-Tantalat) als Absorbermaterial. Ferroelektrika, die sich unterhalb ihres Curiepunktes befinden, weisen ein permanentes internes elektrisches Dipolmoment auf. Makroskopische Proben dieser Substanzen weisen aber extern kein Dipolmoment auf, denn im Gleichgewicht wandern die freien Ladungsträger der Probe zur Oberfläche und verteilen sich so, daß das makroskopische Dipolmoment verschwindet. Wird aber die Temperatur der Probe geändert, so ändert sich auch das interne Dipolmoment, und die Oberflächenladung ändert sich entsprechend zur Wiederherstellung des Gleichgewichtszustandes. Durch geeignete elektronische Schaltungen - entweder ein Transistor mit einem Widerstand parallel zum Ferroelek- trikum, um aus der Ladungsänderung eine Spannung zu erzeugen, oder mit einer Transimpedanzschaitung, um einen Strom als Signal zu erzeugen - kann die in Abhängigkeit der zeitlichen Rate der Erwärmung der Probe hervorgerufene Ladungsänderung nachgewiesen werden. Aufgrund der Tatsache, daß nur eine Änderung der Oberfiächeniadung nachgewiesen wird, können Detektoren dieser
The Laser Focvs World Buyers Guide '96, Penn Well Publishing Company (1996) Bauart nur zum Nachweis von Lichtintensitätsänderungen verwendet werden, also für modulierte Dauerstrichlaser oder für gepulste Laser.
Eine weitere Bauart thermischer Detektoren sind Bolometer, die allerdings auf dem Markt keinen großen Absatz finden. Diese Detektoren nutzen die Temperaturabhäπgigkeit des Widerstands von Materialien aus. Üblicherweise werden Thermistoren, Mischungen aus Nickel-, Mangan- und Kobaitoxiden als Absorber verwendet, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet werden, um die Widerstandsänderungeπ nachzuweisen. Typische Temperaturkoeffizienten dieser Substanzen liegen bei etwa -0,05 / ° C.
Die Wahl des Absorbermaterials wird im wesentlichen getroffen, um den Koeffizient des entsprechenden Effekts zu maximieren (Seebeck Koeffizient für thermoelektrische Detektoren, pyroelektrischer Koeffizient für pyroelektrische Detektoren, bzw. Temperaturkoeffizient für Bolometer). Zur Optimierung der Empfindlichkeit stehen eine Reihe von Parametern zur Verfügung: die Absorptivität des Absorbers die thermische Kopplung Absorber / 'Thermometer" die Wärmekapazität des Absorbers
Um die Temperaturerhöhung für eine gegebene Lichtenergie zu maximieren, muß der Absorber eine hohe Absorptivität aufweisen. Diese Optimierungsstrategie ist allen Energiemeßgeräteπtwicklungen gemeinsam und wird in der Regel erreicht, indem die Oberfläche des Absorbermaterials geschwärzt bzw. ein natürlich schwarzer Absorber gewählt wird. Das gewährleistet auch, daß der Anteil der absorbierten Lichtenergie weitgehend welleniängenunabhängig ist.
Die thermische Kopplung Absorber / Thermometer" und die Wärmekapazität des Absorbers stellen andererseits Parameter dar, deren Optimierung für thermoelektrische Detektoren und Bolometer nur durch Kompromisse erzielt werden können. Da diese Detektoren die Temperaturerhöhung aufgrund der aus dem Licht zugeführten Wärmemenge nachweisen, ist eine geringe thermische Leitfähigkeit zur Umgebung hin sowie eine geringe Wärmekapazität erwünscht, damit die Temperaturerhöhung für eine gegebene Lichteπergie maximiert wird. Eine geringe thermische Leitfähigkeit führt andererseits aber dazu, daß die gespeicherte Wärmemenge nur langsam abgeführt werden kann. Dadurch aber wird der Frequeπzgang des Systems beeinträchtigt: das System kann schnell wechselnde Lichtintensitäten nur kumulativ verarbeiten, was zur Folge hat, daß die Puiswiederholrate für Einzelpulsmessungen reduziert werden muß. Technisch wird die Verminderung der thermischen Leitfähigkeit dadurch erreicht, daß die Zuleitungen zu der nachgeschalteten Elektronik sehr dünn ausgeführt werden. Diese dünnen Leitungen stellen eine mechanische Schwachstelle dar. Pyroelektrische Detektoren leiden nicht unter dieser Kompromißnotwendigkeit, denn sie reagieren nur auf Oberflächenladungsänderungen, d.h., daß die Grundpegelkomponenten ohnehin nicht nachgewiesen werden. Eine geringe Wärmekapazität des Absorbers zwecks Erhöhung der Temperaturempfindlichkeit wird dadurch realisiert, daß der Absorber sehr dünn hergestellt wird. Dies verschlechtert aber die mechanische Stabilität des Instruments und verringert auch die ohne Oberflächenzerstörung meßbare Lichtmenge, ein weiterer Kompromiß, der auch für die Entwicklung pyroelektrischer Detektoren gilt.
Bei den pyroelektrischen Detektoren ist ein weiterer Nachteil, daß sie empfindlich auf Körperschall reagieren, denn bei diesen Detektoren, deren Nachweiseiement ein großflächiger Kondensator darstellt, ist die Oberflächenladung auch eine Funktion der Dicke des Absorbers, und wird somit durch Vibrationen beeinflußt.
Für alle drei der oben genannten Detektorarten ist ein wesentlicher Nachteil, daß der Absorber und das Thermometer eine Einheit bilden. Das bedeutet, daß eine Zerstörung bzw. Beschädigung der Absorberoberfläche aufgrund zu hohen Energieeintrag zur Folge hat, daß die Reparatur des Instruments aufwendig und teuer ist. In vielen Fällen übersteigen die Kosten einer Reparatur die Kosten eines neuen Meßkopfes. Deshalb neigen bei einer bloßen Beschädigung der Absorber viele Benutzer dazu, den Kopf ohne Reparatur weiter zu benutzen, obwohl die Ergebnisse der Energiemessung nunmehr unsicher sind.
Für Messungen sehr geringer Leistungen bzw. Energien sind Golay-Zellen2-3 kommerziell erhältlich, allerdings nur zu einem sehr geringen Marktanteil. Diese Detektoren nutzen den photoakustischen Effekt4 zum Nachweis aus, wobei die Druckänderungen optisch nachgewiesen werden. Eine verspiegelte Membran wird durch die Druckschwankungen ausgelenkt und die Änderung des Strahlengangs einer zusätzlichen von der Membran reflektierten Lichtquelle nachgewiesen. Die Konstruktion von Detektoren dieser Bauart ist kompliziert und die Geräte sind entsprechend störanfällig und wenig robust.
Desweiteren ist ein Sensor für elektromagnetische Strahlung, der den photoakustischen Effekt ausnutzt, bekannt (DE 195 40 236 A1). Jedoch ist dieser Sensor für die Messung der Leistung kontinuierlicher Strahlung gedacht und scheint in dieser Ausführung für die Messung von Pulsenergien ungeeignet. Auch für den hier genannten Detektor ist ein wesentlicher Nachteil, daß der Absorber und die Meßzelle eine Einheit bilden. Das bedeutet, daß eine Zerstörung bzw. Beschädigung der Absorberoberfläche aufgrund zu hohen Energieeintrag zur Folge hätte, daß die Reparatur des Instruments aufwendig und teuer wäre.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen breitbandigen Detektor (UV bis mittleres IR) mit hoher Energieauflösung zu schaffen, bei dem die kalorimetrische Messung auf der Basis des photoakustischen Effekts arbeitet?. In einem geschlossenen Hohlraum mit einem Fenster als Lichteintrittsfläche dient eine schwarze, poröse Substanz als Absorber und ein Mikrofon als Detektor.
2 Golay, A Pnewnaήc lnfra-Red DeτecrorThe Review of Scientific Instruments, 18 357 (1947)
3 De Waard, Woπnser, Descriprion and Properties ofVarioυs Thermal Detectors Proceedings σf the IRE, September 1508 (1959)
4 Roseπcwaig A., Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy, Robert E. Krieger Publishing Company (1990) Durch Absorption des Lichtpulses wird die unmittelbare Oberfläche des Absorbers erwärmt. Diese Erwärmung überträgt sich rasch auf die den Absorber umgebende Luft und führt zu einer impulsartigen Druckerhöhung im geschlossenen Hohlraum. Diese Druckerhöhung wird durch das Mikrofon empfindlich nachgewiesen6. Der Nachweis ist so empfindlich, daß die Energieauflösung für die gegebene Eintrittsfläche höher ist als bei den heute üblichen Detektoren. Um eine hohe und wellenlängenunabhängige Lichtabsorption zu gewährleisten, ist der Absorber schwarz. Desweiteren ist die Oberfläche porös, denn damit erhöht sich die Empfindlichkeit des photoakustischen Nachweises7.8. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß einerseits auch das Gas in den Zwischenräumen der Poren zur Expansion zur Verfügung steht und, daß andererseits die thermische Leitfähigkeit poröser Substanzen geringer ist als gleichartige, nicht poröse Substanzen. Die Übertragung der Wärme aus dem Absorber an das umgebende Gas ist aufgrund der großen Oberfläche des porösen Materials sehr effizient.
Da das Absorbermaterial außer durch die es umgebende Luft physikalisch nicht mit dem nachgeschalteten Detektor (in diesem Fall das Mikrofon) verbunden ist und darüber hinaus der Detektor nur auf Druckänderungen reagiert, sind die im Zusammenhang mit den handelsüblichen Detektoren oben diskutierten Entwicklungskompromisse bezüglich thermischer Leitfähigkeit nicht relevant. Durch die poröse Oberfläche des gewählten Materials steht genügend wärmeab leitendes Medium (hier Luft) zur Verfügung, so daß sich die Wärmekapazität des Absorbers nicht in dem Maße wie bei den heute gängigen Absorberbauarten nachteilig auf die Reaktionszeit des Systems auswirken kann. Daher können mechanisch wie thermisch stabile Absorber verwendet und trotzdem hohe Pulswiederholraten ohne Beeinträchtigung verarbeitet werden.
Es sind Mikrofone kommerziell erhältlich, die durch einen Bypass auf niedrige Frequenzen unempfindlich reagieren. Dadurch sind Störsignale aus Umgebungsgeräuschen effektiv ausgeschlossen. Wegen der geringen Oberfläche und hohen Spannung der Membran weisen sie eine mechanische Resonanzfrequenz auf, die deutlich höher liegt als typische Umgebungsfrequenzen. Das bedeutet, daß der Meßkopf deutlich unempfindlicher als pyroelektrische Detektoren gegenüber Körperschall ist.
Bedingt durch das Meßprinzip sind die Herstellungskosten dieses Instruments gering im Vergleich zu den handelsüblichen pyroelektrischen Detektoren. Da der Absorber vom Mikrofon unabhängig ist, ist eine Reparatur nach versehentlicher Beschädigung bzw. Zerstörung des Absorbers kostengünstig möglich.
6 Kreuzer ., The Phyics of Signal Generation, pp 1-26 aus Ref. III
7 Korpiun P., Osiander R.; Photothermal S udy ofHeat Conduction. Diffusion, and Sorption in Thin Films and Porous Maxenais. in Photoacousuc and Photothermal Phenomena EL Spπnger Series in Optical Sciences, Vol. 69, 619 (1992)
8 Osiander R., Lobermeier J., Korpiun P.; Anomalous Thermal Waves in Powdered Sampies, in Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, Springer Seπes in Opticai Sciences, Vol. 69, 725 (1992) Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt
Figur 1: einen senkrechten Schnitt durch den Meßkopf (Ausführung 1) und
Figur 2: eine Explosioπssicht der einzelnen Komponenten des Meßkopfes aus Figur 1
Das Fenster (1) wird durch die verschraubte Vorderkappe (2) am Meßkopf gehalten. Dadurch ist das Fenster im Falle einer Beschädigung bzw. für Messungen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen austauschbar (z.B. Infrasil- oder Saphir- Fenster für nahes UV bis nahes IR; ZnSe-Fenster für nahes bis mittleres IR). Die Hohlkammer zwischen dem Fenster und dem Absorber (3) ist durch den O-Ring (4) dicht abgeschlossen.
Als Absorbermateriai dient eine Kohletablette. Sie ist schwarz, porös und sowohl mechanisch als auch gegenüber starker Lichteinstrahlung beständig. Der Absorber ist in eine Vertiefung eingelassen, um einen sicheren Halt zu gewährleisten.
Der Hohlraum zwischen Absorber und Fenster ist mit einem schalldämpfenden Stoff ausgekleidet (5) (hier mit einer dünnen Schicht Schaumstoff), damit die akustischen Schwingungen schnell gedämpft werden, um die verarbeitbare Wiederholrate so hoch wie möglich zu halten.
Die Mikrofone (6) sind in Schlitzen in dem Korpus (7) eingelassen. Fräsungen dem Korpus entlang dienen zur Führung der elektrischen Leitungen von den Mikrofonen zu der hinteren Kammer.
In der hinteren Kammer ist eine Signalverarbeitungseinheit (8) eingebracht (hier ein Mikrofonvorverstärker in SMD-Technik). Die Leitungen von dem Vorverstärker nach außen zum Auswerte- / Anzeigemodul (nicht dargestellt) werden durch eine geerdete Buchse geleitet. Dadurch bildet die gesamte Hinterkammer einen Faraday'scher-Käfig zur Abschirmung des Vorverstärkers gegenüber externen elektrischen Störfeldern, die bei Anwendungen mit Pulslasern besonders stark vorkommen.
Der gesamte Meßkopf ist mit einer Hülle (9) versehen, um die Übertragung von Körperschall auf das Mikrofon zu dämpfen. Durch eine Konstruktion mit veränderlichem Hohlraumvolumen (Ausführung 2, ohne Abbildung) ist es möglich die Dynamik des Instruments zu erhöhen. Zum Beispiel kann durch einen versteilbaren Kolben die Änderung des Volumens des Meßraumes und somit eine gezielte Reduzierung der Empfindlichkeit realisiert werden. Dadurch werden Messungen sowohl bei geringen (μJ bis mJ) als auch höheren Laserenergien (mJ bis J) mit einem einzigen Meßkopf ermöglicht. Der kleine Hohlraum dient zur Messungen von geringen Energien (μJ bis mJ). Bei höheren Energien (mJ bis J) verschiebt man den Kolben nach hinten, um den Hohlraum zu vergrößern, was die Empfindlichkeit des Instrumentes gezielt reduziert. Eine solche Dynamikerweiterung ist bei den heute üblichen Detektorarten nicht möglich. Die übrigen Details sind gleich denen bei Ausführung 1.
Ausführung 3 (ohne Abbildung) zeichnet sich dadurch aus, daß das Mikrofon bzw. die Mikrofone in Paaren verlegt werden, so daß jeweils ein Mikrofon des Paares das
Signal aus der Meßkammer erfährt, das andere jedoch nicht. Beide Mikrofone sind indes den Störgeräuschen von außen ausgesetzt. Subtraktion des einen Signals von dem anderen mit einer geeigneten elektronischen Schaltung
(z.B. Differenzverstärker) führt daher zu einer deutlichen Verbesserung des Signal- zu-Rausch-Verhäitnisses.
Bezugszeichen liste
(1) Fenster
(2) Vorderkappe
(3) Absorber
(4) O-Ring
(5) schalldämpfender Stoff
(6) Mikrofone
(7) Koφus
(8) Signalverarbeitungseinl
Mikrofonvorverstärker)
(9) Schutz vor Übertragung von Körperschall (in der beschriebenen Ausführung eine Kunststoffhülle)

Claims

A n s p r ü c h e
1 . Photoakustischer Meßkopf für elektromagnetische Strahlung, gekennzeichnet durch einen austauschbaren Absorber (3) und mindestens ein Mikrofon (6).
2. Meßkopf nach Anspruch 1 , gekennzeichnet durch ein austauschbares Fenster ( 1 ) .
3. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverarbeitungseinheit (8) integriert ist.
4. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) ein poröser Stoff, eine Keramikscheibe, eine Kohletablette und/oder eine geschwärzte Metallscheibe ist.
5. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Mikrofone (6) bei typischen Umgebungsgeräuschfrequenzen unempfindlich sind.
6. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in dem das Mikrofon sich befindet bzw. die Mikrofone sich befinden, mit einem schalldämpfenden Stoff (5) ausgekleidet ist.
7. Meßkopf nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der schalldämpfende Stoff (5) Schaumstoff ist.
8. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Korpus (7), der gegen Übertragung von Körperschall geschützt ist.
9. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf mit einer Hülle (9) verkleidet ist.
10. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einem Hohlraum zur Ausbildung der akustischen Schwingungen, gekennzeichnet durch ein veränderliches Hohlraumvolumen.
1 1 . Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Mikrofon bzw. zusätzliche Mikrofone zur Aufnahme von Störgeräuschen vorgesehen ist bzw. sind, um diese Störungen von dem erhaltenen Signal zu subtrahieren.
12. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leitungen durch eine geerdete Buchse geführt sind.
13. Meßkopf nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Kammer, in der sich die Signalverarbeitungseinheit (8) befindet, wobei die Kammer gegen externe elektrische Felder abgeschirmt ist.
14. Energiemeßinstrument für elektromagnetische Strahlung, gekennzeichnet durch einen photoakustischen Meßkopf nach einem der Ansprüche 1 bis 13.
PCT/EP1998/005369 1997-08-26 1998-08-25 Energiemessinstrument für gepulste laser WO1999010716A2 (de)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE19737914.1 1997-08-26
DE1997137914 DE19737914C1 (de) 1997-08-26 1997-08-26 Energiemeßinstrument für gepulste Laser

Publications (2)

Publication Number Publication Date
WO1999010716A2 true WO1999010716A2 (de) 1999-03-04
WO1999010716A3 WO1999010716A3 (de) 1999-05-06

Family

ID=7840691

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP1998/005369 WO1999010716A2 (de) 1997-08-26 1998-08-25 Energiemessinstrument für gepulste laser

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE19737914C1 (de)
WO (1) WO1999010716A2 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103631A1 (de) * 2001-01-27 2002-08-01 Roland Man Druckmasch Rollenrotationsdruckmaschine
CN111272275A (zh) * 2020-03-11 2020-06-12 西安应用光学研究所 体吸收式激光能量计

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20060062403A1 (en) * 2004-08-25 2006-03-23 Sharp Kabushiki Kaisha Substrate crack inspection apparatus and substrate crack inspecting method
JP2006090871A (ja) * 2004-09-24 2006-04-06 Sharp Corp 基板割れ検査方法、基板割れ検査装置

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4187026A (en) * 1977-09-29 1980-02-05 Phillips Petroleum Company Photoacoustic method and apparatus for measuring intensity of electromagnetic radiation
US4381148A (en) * 1981-03-23 1983-04-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Power meter for high energy lasers

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE19540236A1 (de) * 1995-10-19 1997-04-24 Juergen Dipl Phys Seydewitz Sensor für elektromagnetische Strahlung

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4187026A (en) * 1977-09-29 1980-02-05 Phillips Petroleum Company Photoacoustic method and apparatus for measuring intensity of electromagnetic radiation
US4381148A (en) * 1981-03-23 1983-04-26 The United States Of America As Represented By The Secretary Of The Navy Power meter for high energy lasers

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
ROBERT W. SHAW: "Measuring Pulse Energies Optoacoustically" LASER FOCUS, Bd. 17, Nr. 12, 1981, Seiten 69-72, XP002092326 Newton, Mass. USA *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10103631A1 (de) * 2001-01-27 2002-08-01 Roland Man Druckmasch Rollenrotationsdruckmaschine
CN111272275A (zh) * 2020-03-11 2020-06-12 西安应用光学研究所 体吸收式激光能量计
CN111272275B (zh) * 2020-03-11 2022-04-29 西安应用光学研究所 体吸收式激光能量计

Also Published As

Publication number Publication date
WO1999010716A3 (de) 1999-05-06
DE19737914C1 (de) 1998-11-26

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US4243327A (en) Double-beam optical method and apparatus for measuring thermal diffusivity and other molecular dynamic processes in utilizing the transient thermal lens effect
US8711342B2 (en) Photoacoustic joulemeter utilizing beam deflection technique
EP0032169A1 (de) Mit elektromagnetischer Strahlung arbeitende Meldeanlage
EP2706331B1 (de) Temperaturmessgerät, insbesondere handgehaltenes Infrarotmessgerät
US3657644A (en) Thermodielectric radiometer utilizing polymer film
Stenger et al. Thin film lithium tantalate (TFLT) pyroelectric detectors
EP3078952B1 (de) Pir-bewegungsmelder
EP0023354A1 (de) Pyrodetektor
DE19737914C1 (de) Energiemeßinstrument für gepulste Laser
US4372149A (en) Laser-excited spectrophone
DE3930828C3 (de) Verfahren zur Kompensation der Gehäusetemperatur im Meßsignal eines Pyrometers und Pyrometervorrichtung
US5497003A (en) Pyroelectric detector array with optical filter elements
Beeman et al. Ge: Ga photoconductor arrays: Design considerations and quantitative analysis of prototype single pixels
Whatmore Characterisation of pyroelectric materials
Venkataraman et al. Performance parameters for thermal imaging systems
Odon Voltage response of pyroelectric PVDF detector to pulse source of optical radiation
DD293890A5 (de) Strahlungssensor
Bento et al. Open photoacoustic cell X-ray detection
Tiffany Introduction and review of pyroelectric detectors
RU2265914C2 (ru) Система и способ регистрации электромагнитного излучения
Satapathy et al. Fabrication of pyroelectric laser-energy meters and their characterization using Nd: YAG laser of variable pulse-width
Yablonskii et al. Thermal photodetector using freely suspended liquid-crystal film
Hamid Polyconductor beam power sensor
Lang VII. Literature guide to pyroelectricity 1977-1978
Porumb et al. Infrared radiometer with digital signal processing for medical applications

Legal Events

Date Code Title Description
AK Designated states

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): CA IL JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A2

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

AK Designated states

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): CA IL JP US

AL Designated countries for regional patents

Kind code of ref document: A3

Designated state(s): AT BE CH CY DE DK ES FI FR GB GR IE IT LU MC NL PT SE

DFPE Request for preliminary examination filed prior to expiration of 19th month from priority date (pct application filed before 20040101)
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: CA

122 Ep: pct application non-entry in european phase