WO2016146263A1 - Verfahren und vorrichtung zur quantitativen erfassung des leistungsanteils eines strahlungshintergrunds eines gepulsten lasers - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur quantitativen erfassung des leistungsanteils eines strahlungshintergrunds eines gepulsten lasers Download PDF

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    • H01S3/13—Stabilisation of laser output parameters, e.g. frequency or amplitude
    • H01S3/1305—Feedback control systems

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for the quantitative detection of the power component of a radiation background of a pulsed laser.
  • the invention relates to a use of a saturable element.
  • a quantification of the radiation background, in particular of the so-called continuous wave (cw) background, of a pulsed laser or laser system is of great interest both for material processors and for laser developers.
  • cw continuous wave
  • the quantitative portion of the radiation background is of great interest. So far, depending on the operating mode of the laser, it can only be concluded indirectly of the radiation background or cw background.
  • a passively mode-locked laser oscillator With a passively mode-locked laser oscillator, it is possible, for example, to qualitatively deduce the operating mode based on the spectrum, ie it can be determined whether there is pure pulse operation or whether there is additionally a cw background.
  • a quantitative statement about the power component of the cw background or the power ratio between pulsed component and cw component is thus only feasible and practicable with considerable restrictions.
  • a photodiode could be used for a quantitative measurement and thereby determining the power component both during the pulses and in the period between pulses by integrating the diode signal.
  • Another possible method for determining the radiation background of a pulsed laser or laser system is a frequency doubling whose efficiency depends on the proportion of the pulsed power in the total power.
  • the required components are expensive and the measurement is inaccurate as several unknown parameters are included in the conversion efficiency.
  • a first independent aspect for achieving the object relates to a method for the quantitative determination or measurement of the power component of a radiation background of a pulsed laser, comprising the steps:
  • the term "power component” can refer to the proportion of the average pulse power or to the component of the cw background in the total power. ⁇ br/> ⁇ br/> In particular, with the method according to the invention and the device according to the invention described below, the ratio of the power of the background radiation to the pulse power of the laser recorded or measured.
  • the term "laser” is understood to mean a laser source and / or a laser system. ⁇ br/> [0002]
  • an "oscillating background of a pulsed laser” becomes the so-called continuous wave (cw) background of the laser or the laser radiation, ie a continuous or permanent and substantially constant radiation of the laser, understood.
  • the radiation background may also contain other temporally non-constant signals, e.g. Secondary pulses, which can be caused by reflections in the beam guidance or instabilities in the pulsed laser.
  • a “saturable element” is an element which has, for example, a saturable absorption or a saturable reflectivity or a saturable transmission
  • a saturable element is characterized by an intensity-dependent or fluence-dependent reaction of the saturable element on an incident or incident light or laser beam
  • a saturable element is characterized or characterized by an intensity- or fluence-dependent transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering, wherein the saturable element is characterized, in particular, by a modulation depth AR and by non-saturable losses AR ns , which result from of the fluence-dependent transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering properties of a saturable element, ie in particular the fluence-dependent Transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering, or the modulation depth AR and the non-saturable losses ARns, can be known or specified, for example by the manufacturer, or can be
  • the saturable element has the highest possible modulation depth, for example a modulation depth greater than 0.05, preferably greater than 0.1 and most preferably greater than 0.3.
  • the saturable element has as low as possible non-saturable losses, for example less than 0.1, preferably less than 0.05 and most preferably less than 0.03.
  • a semiconductor absorber a graphene absorber or doped crystals may be used as a semiconductor absorber, a graphene absorber or doped crystals may be used as a transmissive element.
  • a semiconductor absorber can also be designed together with a Bragg reflector as a reflective element, in particular as a saturable mirror.
  • modulating a laser beam means transmitting, absorbing, reflecting, bending and / or scattering the laser beam the term "modulate” in particular a power modulation.
  • the modulation of a light or laser beam effected by the saturable element is dependent on the fluence of the laser beam which occurs when the laser beam impinges on the saturable element.
  • the modulation of a light or laser beam caused by the saturable element is dependent on the fluence of the laser beam incident on the saturable element. The modulation thus takes place as a function of the incident on the saturable element fluence of the measuring beam.
  • fluence is understood to mean the energy occurring per surface If a laser beam or laser pulse strikes a saturable element or precipitates on a saturable element, the fluence is the energy of the laser beam or laser pulse which acts on the saturable element per unit area ,
  • “measuring beam” is understood to be a laser beam or laser pulse which impinges on the saturable element, ie, which interacts with the saturable element and is thus modulated by the saturable element.
  • the power component of the radiation background of the pulsed laser is determined or calculated on the basis of the detected power of the measuring beam modulated by the saturable element.
  • the power component of the radiation background of the pulsed laser can be determined using the following equation:
  • P Cw is the power of the background radiation or the cw radiation and Ppuls the average pulse power of the laser beam or measuring beam.
  • AR represents the saturation element modulation depth and ⁇ R ns the saturable element saturable loss.
  • P Ref is the power of a reference beam of the laser and corresponds to the total power of the laser or laser beam. The total power of the laser and thus P Ref is known by the manufacturer of the laser or can be determined experimentally.
  • P Ref is the sum of P Cw and P Pulse .
  • Psat is the only unknown quantity on the right side of equation (1).
  • Psat denotes the power of the laser beam or measuring beam modulated by the saturable element.
  • the method according to the invention allows a very simple Quantitative detection or measurement of the power component of the radiation background both on newly developed pulsed laser systems and on pulsed laser systems in industrial use.
  • the method according to the invention comprises before the step of modulating the measuring beam
  • the method according to the invention comprises, before the step of determining the power proportion of the radiation background of the pulsed laser
  • the reference beam can also be referred to as the first partial beam of the laser beam emitted by the laser. Accordingly, the measuring beam can be referred to as a second partial beam of the laser beam emitted by the laser.
  • the beam splitter splits the laser beam emitted by the laser into the reference beam and the measuring beam at a specific or defined division ratio.
  • the division ratio of the beam splitter can be known or be determined experimentally or can be determined.
  • the power of the reference beam contained in equation (1) ie the total power of the laser beam emitted by the laser
  • the overall performance of the laser or laser beam to be analyzed need not be known.
  • the measurement can be independent of fluctuations in the total power of the laser.
  • the power content of the radiation background of the pulsed laser can be determined using the following equation:
  • S denotes the reflectivity of the beam splitter or the portion of the incident power reflected at the beam splitter.
  • the method according to the invention further comprises the following step before the step of detecting the power of the modulated measuring beam:
  • the fluence of the measurement beam occurring at the saturable element is adjusted by means of a flux adjustment element such that the saturable element is at a fluence resulting from the radiation background of the measurement beam, i. due to the impact of the radiation background of the laser or measuring beam on the saturable element, is unsaturated, and at a fluence resulting from a pulse of the measuring beam, i. due to the impingement of a pulse or the pulse radiation of the laser or measuring beam to the saturable element, is saturated.
  • An unsaturated state can be present, for example, if a degree of modulation effected by the saturable element, in particular a reflectivity or a transmissivity, of the laser beam or measuring beam is below or above (depending on the type of saturable element) a predetermined first threshold value. Accordingly, for example, a saturated state may be present if the degree of modulation of the saturable element is above or below a predetermined second threshold value.
  • the predetermined first and second threshold values may be from depend on the respective saturable element or on the nature of the respective saturable element.
  • the first threshold may be different from the second threshold. But it is also possible that the first and second thresholds are equal.
  • the first and second thresholds may correspond to a turning point of the fluence curve (ie, the curve representing the degree of modulation versus fluence).
  • the fluence of the measurement beam occurring at the saturable element is adjusted by means of a flux adjustment element such that the saturable element is at a fluence resulting from the radiation background of the measurement beam, i. is substantially completely unsaturated due to the impact of the radiation background of the laser or the measuring beam on the saturable element and at a fluence resulting from a pulse of the measuring beam, i. is substantially completely saturated due to the impingement of a pulse or the pulse radiation of the laser or measuring beam to the saturable element.
  • the saturable element may be completely saturated or in a fully saturated state if the fluence impinging or incident on the saturable element has a value at which the modulation effected by the saturable element, ie transmission, absorption, reflection, diffraction and / or or scattering of the laser beam or measuring beam has a saturation extreme value, that is to say a maximum or a minimum.
  • the saturable element may be completely unsaturated or in a fully unsaturated state if the fluence impinging or incident on the saturable element has a value at which the modulation effected by the saturable element, ie transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering of the laser beam or measuring beam has an extreme opposite to the saturation extreme value, ie a minimum or maximum.
  • the saturable element may be completely saturated or in a fully saturated state if the fluence impinging or incident on the saturable element has a value at which the fluence of the .
  • the saturable element caused modulation, ie transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering of the laser beam or measuring beam has a maximum. Accordingly, then the saturable element is completely unsaturated or is in a fully unsaturated state when the incident or incident on the saturable element fluence has a value at which caused by the saturable element modulation, ie transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering of the laser beam or measuring beam has a minimum. Depending on the nature of the saturable element, it is also possible that the maximum is a minimum and vice versa.
  • the fluence necessary for a saturated or completely saturated state of the saturable element is also referred to as saturation fluence in the sense of this description.
  • the float adjustment member may e.g. a lens, a polarizer and analyzer system or a density element.
  • the Fluenzeinstellelement can be arranged between the laser or the beam splitter and the saturable element.
  • the fluence of the individual pulses of the laser incident on the saturable element has a value which leads to a substantially complete saturation of the saturable element
  • various methods can be used. For example, by a defined attenuation of the measuring beam by means of a polarizer / analyzer or a density filter, the power of the measuring beam and thus its fluence can be influenced. Another possibility is to vary the area irradiated by the laser on the saturable element.
  • the fluence necessary for complete saturation can also be determined on the measurement setup itself from the ratio P Cw / P pulse .
  • the Ratio P Cw / P pulse in the fluence region of the complete saturation or at the saturation fluence an extremum, ie a maximum or a minimum has, since here a maximum or minimum modulation of the laser beam or measuring beam is achieved by the saturable element. Whether a maximum or minimum is present depends on the type of saturable element used.
  • this lens can be displaced in the direction of the optical axis in such a way that the ratio P Cw / P pulse results in a minimum or maximum.
  • the desired fluence can be easily adjusted.
  • all steps up to and including the determination of the power component of the background radiation of the laser are repeated once or several times, each time using a different saturable element.
  • it is averaged over the individual determined power components of the radiation background of the pulsed laser.
  • the saturable element is replaced with another saturable element, and then the steps described above are repeated.
  • all saturable elements have known or experimentally determinable properties. More preferably, the properties of a saturable element are different from the properties of the previously used saturable element or saturable elements.
  • the method according to the invention further comprises the following step at the beginning of the method:
  • Calibrating the saturable element (s) by means of a combined beam source comprising a cw adjustable cw laser and a pulsed laser with adjustable pulse power.
  • the adjustable cw power and pulse power can be medium power in particular.
  • the saturable elements can be calibrated.
  • a calibration procedure may include one or more of the following steps:
  • Background radiation or cw radiation of the cw laser with a pulsed laser radiation of the pulsed laser can be done for example with a polarization beam splitter.
  • the measurement setup can be qualified.
  • the structure or the saturable element can be calibrated or characterized.
  • Another independent aspect for achieving the object relates to a device for the quantitative measurement or measurement of the power component of a radiation background of a pulsed laser, comprising:
  • a saturable element for modulating one on the saturable element incident or incident measuring beam of the laser, wherein the modulation of the measuring beam by the saturable element on the fluence of the measuring beam depends;
  • a modulation beam power detector for detecting the power of the measurement beam modulated by the saturable element
  • an evaluation device for determining or calculating the
  • modulation of a laser beam is understood as meaning transmission, absorption, reflection, diffraction and / or scattering of the laser beam the term “modulation” in particular a power modulation.
  • the modulation beam power detector may be e.g. a power sensor or photodiode, in particular a calibrated photodiode.
  • the evaluation device can be, for example, a computer or microprocessor with which the power component of the radiation background of the pulsed laser can be determined or calculated on the basis of the power detected by the modulation beam power detector of the measurement beam modulated by the saturable element.
  • the evaluation device also includes a display device such as a display or a screen and / or an output device such as a printer to the result, in particular the determined power component of the background radiation of the laser and / or other information such as the total power of the laser and / or the ratio of the power of the background radiation and the pulse power of the laser to display or output.
  • the device according to the invention or the measuring system according to the invention is advantageously very compact and enables a very simple quantitative detection or measurement of the power component of the radiation background both newly developed pulsed laser systems as well as pulsed laser systems in industrial applications.
  • the saturable element is designed in such a way that the saturable element is in an unsaturated state at a fluence resulting from the radiation background of the measuring beam and in a saturated state at a fluence resulting from a pulse of the measuring beam.
  • the saturable element is designed to assume the states described above for the corresponding fluence occurring at the saturable element.
  • the saturable element is designed such that the saturable element is in a substantially completely unsaturated state as a result of the radiation background of the measuring beam and in a substantially completely saturated state as a result of a pulse of the measuring beam.
  • a radiation background or a cw radiation of the laser or measuring beam is not limited in time. Nevertheless, the radiation background or the cw radiation produces no or only partial saturation of the saturable element. This is because with the continuous irradiation of the saturable element, relaxation also takes place from the partially saturated state of the saturable element. There is an equilibrium between the continuous absorption of the cw radiation and this relaxation. This equilibrium eventually determines the saturation of the saturable element. From the radiation background of Laser Inc. Measuring radiation thus results in a certain, finite fluence. The fluence resulting from the radiation background of the laser or measuring radiation is also referred to as cw equilibrium fluence in the sense of this description.
  • the fluence resulting from a pulse of the laser radiation is also referred to as pulse fluence in the sense of this description.
  • the saturable element is located that is, preferably at a fluence resulting from the radiation background of the measurement beam, ie the cw equilibrium fluence, in a substantially completely unsaturated state and at a fluence resulting from a pulse of the measurement beam, ie the pulse fluence, in a substantially completely saturated state.
  • the pulse fluence preferably corresponds to the saturation fluence. More preferably, the cw equilibrium fluence is less than the saturation fluence.
  • the device according to the invention further comprises:
  • a reference beam power detector for detecting the power of the reference beam
  • the beam splitter is arranged and / or aligned such that the reference beam is incident on the reference beam power detector and the measurement beam is incident on the saturable element.
  • the reference beam power detector may be e.g. a power sensor or a photodiode, in particular a calibrated photodiode include.
  • the beam splitter may have a known division ratio or an experimentally determinable division ratio. For example, the dividing ratio of the beam splitter is 50%. It is understood, however, that other values of the division ratio of the beam splitter are possible.
  • the saturable element is a saturable absorber and in particular a saturable absorber mirror.
  • the device according to the invention further comprises a Fluenzeinstellelement for adjusting the incident on the saturable element fluence of the measuring beam.
  • the Fluezeinstellelement may include, for example, a lens, a polarizer / analyzer and / or a density element.
  • a further independent aspect for achieving the object relates to a use of a saturable element, in particular a saturable absorber or a saturable absorber mirror, for the quantitative detection of the power component of a radiation background of a pulsed laser.
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of a device according to the invention
  • Figure 2 shows a schematic drawing of an inventive
  • FIG. 3 shows a typical course of the reflectivity of a saturable one
  • FIG. 4 shows a schematic drawing of a device according to the invention
  • FIG. 1 shows a schematic drawing of a device 100 according to the invention for the quantitative determination of the power component of a radiation background of a pulsed laser according to one exemplary embodiment.
  • the device comprises a saturable element 13, a modulation beam power detector 15 and an evaluation device (not shown in FIG. 1).
  • the saturable element is transmissive, i. it transmits an incident or incident laser beam 3, the power of the transmitted beam 5 being modulated in comparison to the incident beam 3 as a function of the fluence of the laser beam 3 impinging or incident on the saturable element.
  • the power of the transmitted beam 5 thus differs from the power of the incident beam 3, which is also referred to as a measuring beam.
  • the laser beam or the measuring beam 3 to be analyzed is propagated through the transmissive saturable element 13 and the beam 5 in the modulated or transmitted beam remaining power by means of the modulation beam power detector 15, which in particular comprises a photodiode or a power sensor measured.
  • FIG. 2 shows a schematic drawing of a device 100 according to the invention for the quantitative determination of the power component of a radiation background of a pulsed laser according to a further exemplary embodiment.
  • the saturable element is reflective, i. it reflects an incident or incident laser beam 3, the power of the reflected beam 5 being modulated in comparison to the incident beam 3 as a function of the fluence of the laser beam 3 impinging or incident on the saturable element. Depending on the fluence of the impinging or incident laser beam 3, the power of the reflected beam 5 thus differs from the power of the incident beam or measuring beam 3.
  • the laser beam or the measuring beam 3 to be analyzed is reflected by the reflective saturable element 13 and the in the modulated or reflected beam 5 remaining power measured by means of the modulation beam power detector 15.
  • the reflective saturable element may be e.g. be a saturable absorber mirror.
  • the modulation beam power detector 15 may be e.g. a photodiode or a power sensor.
  • FIG. 3 shows a typical course of the reflectivity of a saturable absorber mirror as a function of the incident fluence.
  • the curve 40 shown in the diagram represents an ideal curve
  • the curve 50 represents a real curve.
  • the degree of modulation or the reflectivity continuously increases with increasing fluence in the range of approximately 0.01 to 25 ⁇ / cm 2 .
  • the reflectivity increases in the ideal curve 40 even with a fluence increase in the range> 25 ⁇ / cm 2
  • the reflectivity decreases according to the real curve 50 from about 25 ⁇ / cm 2 again. In particular, this decrease result from a two-photon absorption.
  • the fluence region in which the degree of modulation or the reflectivity decreases again in the case of the real curve 50, is referred to as "roll-over" region
  • the saturable element or its fluence curve is, as shown in the diagram of FIG modulation depth AR and characterized by respect decisivtigbare losses ⁇ R ns. in order to obtain a high measurement accuracy, it is advantageous if the modulation depth is as large as possible and the non-saturable losses are as small as possible.
  • Fsat is in the Figure 3 is a saturation fluence of the saturable element, respectively.
  • the saturation fluence it is also possible to define the saturation fluence differently, for example as a fluence value between the inflection point and the maximum of the fluence curve shown in FIG Fluence value corresponding to the maximum of the fluence curve is greater than Fsat, the saturable element is substantially or completely saturated, ie, in a substantially or fully saturated state.
  • a complete saturation of the saturable element is present in particular at the maximum of the real curve 50, ie in the example of FIG. 3 at approximately 50 ⁇ J / cm 2 .
  • the transmissivity or reflectivity of the saturable element 13 of FIGS. 1 and 2 depends on the fluence, ie on the energy per area, of the laser pulse or laser beam 3.
  • the incident measuring beam 3 has a power P ref , which is composed of the power of the radiation or cw background P Cw and the mean power of the laser pulses P pulse :
  • P ref the power of the radiation or cw background P Cw
  • the beam is transmitted through or reflected by the saturable element 13, whereby a portion AR ns of the beam is absorbed by non-saturable losses.
  • the saturable element has an increased by the modulation depth AR reflectivity or transmissivity. If the saturable element is substantially or completely saturated (see FIG. 3), the power in the modulated beam 5 results in accordance with:
  • FIG. 4 shows a schematic drawing of a device 100 according to the invention for quantitatively detecting the power component of a radiation background of a pulsed laser according to a further preferred exemplary embodiment.
  • the device according to the embodiment of FIG. 4 additionally has a beam splitter 20 and a flue adjustment element or a lens 30.
  • the beam splitter 20 divides the laser beam 1 emitted by a laser into a measuring beam 3 and a reference beam 7.
  • the measuring beam strikes the saturable element or the saturable absorber mirror 13 and is modulated or reflected by it.
  • the modulated or reflected beam 5 is finally redirected by means of the beam splitter 20 to a modulation beam power detector with which the power of the modulated beam 5 is measured.
  • a reference beam power detector 17 By means of a reference beam power detector 17, the power P Ref of the reference beam 7 is measured.
  • the beam splitter 20 may be a conventional beam splitter which splits the laser beam into power components.
  • the laser beam 1 to be analyzed is divided into the measuring beam 3 and the reference beam 7 by means of the beam splitter 20 with a known division ratio, e.g. with 50% power in each of the sub-beams.
  • the beam splitter 20 may be pre-measured, e.g. be calibrated by means of a highly reflective mirror, which is arranged at the location of the saturable element 13.
  • the reflectivity of the saturable absorber mirror depends on the fluence of the measuring beam 3. Since this fluence dependence of the reflectivity of the saturable absorber mirror is known, the power fraction of the laser pulses in relation to the cw background and / or other noise can be calculated back by measuring the average power Psat of the modulated or reflected laser beam.
  • the reflectivity of the beam splitter 20 is denoted by S, then the power PRet of the reference beam 7 is:
  • the power Psat of the modulated measuring beam 5 is:
  • equation (8A) yields for the average power P pulse of the pulse radiation:
  • the ratio of power can thus be calculated according to equation (12) by measuring the power Psat of the modulated measuring beam 5 and by measuring the power PRet of the reference beam 7 of the radiation background and the pulse power are determined.
  • the saturable element 13 has a fluence-dependent course of transmission / reflection (see FIG. 3).
  • the fluence of the pulses to be measured and the cw background can be adapted to the fluence curve of the saturable element 13. For this purpose, for example, as shown in FIG.
  • an axially displaceable lens or a lens 30 displaceable along the optical path can serve.
  • This lens 30 is disposed between the beam splitter 20 and the saturable element 13. If the saturable element 13 is, for example, a saturable absorber mirror, then it can be ensured that the pulses saturate the saturable absorber mirror to a maximum. Saturation is achieved in this case at a minimum of the ratio P Cw / P pulse .
  • the power of the radiation background, ie in particular the average cw power, of the laser to be analyzed is insufficient to saturate the saturable element.
  • the saturable element must be saturated for a pulse peak power, preferably completely saturated. This condition is usually easy to meet for common pulsed lasers. Because the peak power of a single laser pulse is generally much higher than the average power of the Background radiation or the cw background of the laser. For example, a laser with a pulse duration of 5 ps, a repetition rate of 1 MHz and a mean pulsed power of 50 W (average total power of 100 W) has a pulse peak power of 10 MW.
  • the cw background content is thus 50% of the average total power of the laser.
  • the peak power of a pulse is larger by a factor of 2-10 5 than the power of the cw background. Based on this high performance difference, the above-mentioned requirement can be easily met. For many pulsed laser systems to be measured, an even higher difference between pulse peak power and average power of the cw background can be expected, since the proportion of the cw background in the overall power is typically much lower.
  • the fluence impinging on the saturable element 13 may be adjusted by adjusting the fluence, ie, by appropriately displacing the lens along the optical path between the beam splitter 20 and the saturable element 13, on the one hand, it can be achieved that the saturable element 13 assumes an unsaturated state when the radiation background impinges, on the other hand it can be achieved that the saturable element 13 assumes a saturated state when a laser pulse strikes occupies without getting into the roll-over area.
  • the fluence necessary for a complete saturation can be determined with the measurement setup according to the invention or the device 100 itself from the ratio P Cw / P pulse . Due to the characteristic saturation behavior of the saturable element or saturable absorber mirror 13, it can be expected, for example according to the exemplary curve of FIG. 3, that the ratio P Cw / P pulse has a minimum in the fluence region of complete saturation (for the laser pulses), since here the maximum reflectivity of the saturable element or saturable absorber mirror 13 is achieved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers. Zudem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines sättigbaren Elements. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst die folgenden Schritte: Modulieren eines von dem Laser ausgesandten Messstrahls (3) mit Hilfe eines sättigbaren Elements (13) in Abhängigkeit von der Fluenz des Messstrahls (3); Detektieren der Leistung des von dem sättigbaren Element (13) modulierten Messstrahls (5) mit Hilfe eines Modulationsstrahl-Leistungsdetektors (15); und Ermitteln des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der detektierten Leistung des durch das sättigbare Element (13) modulierten Messstrahls (5).

Description

"Verfahren und Vorrichtung zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers"
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers. Zudem betrifft die Erfindung eine Verwendung eines sättigbaren Elements.
Eine Quantifizierung des Strahlungshintergrunds, insbesondere des sogenannten continuous wave (cw) Hintergrunds, eines gepulsten Lasers bzw. Lasersystems ist sowohl für Materialbearbeiter als auch für Laser-Entwickler von großem Interesse. Beispielsweise können bei einer genauen Kenntnis des Strahlungshintergrunds ungünstige Einflüsse des Strahlungshintergrunds auf Bearbeitungsprozesse gezielt untersucht werden. Auch bei der Entwicklung von gepulsten Lasersystemen, insbesondere bei ultrakurz-gepulsten Lasersystemen, ist der quantitative Anteil des Strahlungshintergrundes von großem Interesse. Bisher kann abhängig vom Betriebsmodus des Lasers nur indirekt auf den Strahlungshintergrund bzw. cw-Hintergrund geschlossen werden. Bei einem passiv modengekoppelten Laseroszillator ist es beispielsweise möglich, anhand des Spektrums qualitativ auf den Betriebsmodus zurückzuschließen, d.h. es kann festgestellt werden, ob ein reiner Pulsbetrieb vorliegt oder ob zusätzlich ein cw- Untergrund besteht. Eine quantitative Aussage über den Leistungsanteil des cw- Hintergrundes bzw. des Leistungsverhältnisses zwischen gepulstem Anteil und cw- Anteil ist damit allerdings nur mit starken Einschränkungen durchführbar und praktikabel. Für eine quantitative Messung könnte zwar z.B. eine Photodiode eingesetzt werden und damit der Leistungsanteil sowohl während der Pulse als auch in der Zeitspanne zwischen den Pulsen durch Integration des Diodensignals bestimmt werden. Dies verlangt aber durch die hohe Leistung der Laserstrahlung während der Pulse und die kurze Zeitdauer der Pulse einen enorm hohen Dynamikbereich der Photodiode, so dass sich diese Methode als nicht praktikabel erweist. Weiterhin würden eventuelle Offsets und externe Lichtquellen einen sehr großen Fehler erzeugen. Darüber hinaus kann dieses Verfahren nicht bei ultra-kurzen Pulsen eingesetzt werden, da durch die limitierte Ansprech- bzw. Abklingzeit der Dioden eine Auflösung der einzelnen Pulse nicht mehr möglich ist und somit durch Überlagerung mehrerer Pulse während der Messzeit ein Untergrund gemessen werden würde, der tatsächlich nicht vorhanden ist.
Ein weiteres mögliches Verfahren zur Ermittlung des Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers bzw. Lasersystems ist eine Frequenzverdoppelung, deren Effizienz von dem Anteil der gepulsten Leistung an der Gesamtleistung abhängig ist. Die benötigten Komponenten sind allerdings teuer und die Messung ist ungenau, da mehrere unbekannte Parameter in die Konversionseffizienz eingehen.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils des Strahlungshinter- grunds bzw. cw-Hintergrunds von gepulsten Lasern bzw. Lasersystemen bereitzustellen.
Diese Aufgabe wird durch die Gegenstände der nebengeordneten Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein erster unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft ein Verfahren zur quantitativen Erfassung bzw. Messung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers, umfassend die Schritte:
Modulieren eines von dem Laser ausgesandten Messstrahls mit Hilfe eines sättigbaren Elements in Abhängigkeit von der Fluenz des Messstrahls;
Detektieren bzw. Messen der Leistung des von dem sättigbaren Element modulierten Messstrahls mit Hilfe eines Modulationsstrahl-Leistungsdetektors; Ermitteln bzw. Berechnen des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der detektierten Leistung des durch das sättigbare Element modulierten Messstrahls. Der Begriff „Leistungsanteil" kann sich auf den Anteil der mittleren Pulsleistung oder auf den Anteil des cw-Hintergrunds an der Gesamtleistung beziehen. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Verfahren und der weiter unten beschriebenen erfindungsgemäßen Vorrichtung das Verhältnis der Leistung der Hintergrundstrahlung zu der Pulsleistung des Lasers erfasst bzw. gemessen werden.
Mit dem Begriff„Laser" wird im Sinne dieser Beschreibung eine Laserquelle und/oder ein Lasersystem verstanden. Eine Laserquelle umfasst insbesondere einen Oszillator und optional einen Verstärker. Unter „Strahlungshintergrund eines gepulsten Lasers" wird insbesondere der sogenannte continuous wave (cw) Hintergrund des Lasers bzw. der Laserstrahlung, d.h. eine kontinuierliche bzw. dauerhafte und im Wesentlichen konstante Strahlung des Lasers, verstanden. Der Strahlungshintergrund kann aber auch andere zeitlich nicht konstante Signale enthalten, wie z.B. Nebenpulse, welche durch Reflexionen in der Strahlführung oder Instabilitäten im gepulsten Laser entstehen können.
Ein„sättigbares Element" ist ein Element, welches z.B. eine sättigbare Absorption oder eine sättigbare Reflektivität oder eine sättigbare Transmission aufweist. Ein sättigbares Element ist durch eine intensitätsabhängige bzw. fluenzabhängige Rückwirkung des sättigbaren Elements auf einen einfallenden bzw. auftreffenden Licht- bzw. Laserstrahl gekennzeichnet. Beispielsweise ist ein sättigbares Element durch eine intensitäts- bzw. fluenzabhängige Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung gekennzeichnet bzw. charakterisiert. Dabei ist das sättigbare Element insbesondere durch eine Modulationstiefe AR und durch nichtsättigbare Verluste ARns charakterisiert, welche sich aus der fluenzabhängigen Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung ergeben. Die Eigenschaften eines sättigbaren Elements, d.h. insbesondere die fluenzabhängige Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung, bzw. die Modulationstiefe AR und die nichtsättigbaren Verluste ARns, können, z.B. vom Hersteller, bekannt bzw. spezifiziert sein oder durch eine Kalibrierung bzw. Charakterisierung experimentell ermittelbar sein. Vorteilhafterweise weist das sättigbare Element eine möglichst hohe Modulationstiefe, beispielsweise eine Modulationstiefe größer als 0,05, vorzugsweise größer als 0,1 und am bevorzugtesten größer als 0,3 auf. Vorteilhafterweise weist das sättigbare Element möglichst geringe nichtsättigbare Verluste, beispielsweise kleiner als 0,1 , vorzugsweise kleiner als 0,05 und am bevorzugtesten kleiner als 0,03 auf. Beispielsweise können als sättigbares Element ein Halbleiter-Absorber, ein Graphen-Absorber oder dotierte Kristalle verwendet werden. Halbleiter-Absorber, Graphen-Absorber oder dotierte Kristalle können als transmittives Element fungieren. Ein Halbleiter-Absorber kann aber auch zusammen mit einem Bragg-Reflektor als reflektives Element, insbesondere als sättigbarer Spiegel, ausgeführt werden.
Unter einem„Modulieren eines Laserstrahls" wird im Sinne dieser Beschreibung ein Transmittieren, Absorbieren, Reflektieren, Beugen und/oder Streuen des Laserstrahls verstanden. Durch die Wechselwirkung eines Laserstrahls mit dem sättigbaren Element wird insbesondere die Leistung des Laserstrahls verändert bzw. moduliert. Somit umfasst der Begriff „Modulieren" insbesondere ein Leistungsmodulieren. Die von dem sättigbaren Element bewirkte Modulation eines Licht- bzw. Laserstrahls ist von der Fluenz des Laserstrahls abhängig, die beim Auftreffen des Laserstrahls auf das sättigbare Element auftritt bzw. vorliegt. Mit anderen Worten ist die von dem sättigbaren Element bewirkte Modulation eines Licht- bzw. Laserstrahls von der auf das sättigbare Element einfallenden bzw. auftreffenden Fluenz des Laserstrahls abhängig. Das Modulieren erfolgt somit in Abhängigkeit von der auf das sättigbare Element auftreffenden Fluenz des Messstrahls.
Unter „Fluenz" ist die pro Fläche auftretende Energie zu verstehen. Trifft ein Laserstrahl oder Laserpuls auf ein sättigbares Element bzw. fällt auf ein sättigbares Element ein, so ist die Fluenz die Energie des Laserstrahls oder Laserpulses, die pro Flächeneinheit auf das sättigbare Element einwirkt. Als„Messstrahl" wird im Sinne dieser Beschreibung ein Laserstrahl bzw. Laserpuls verstanden, der auf das sättigbare Element auftrifft bzw. einfällt, d.h. der mit dem sättigbaren Element in Wechselwirkung tritt und somit durch das sättigbare Element moduliert wird.
Der Leistungsanteil des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers wird auf Basis der detektierten Leistung des durch das sättigbare Element modulierten Messstrahls ermittelt bzw. berechnet. Insbesondere kann der Leistungsanteil des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers mit folgender Gleichung bestimmt werden:
Figure imgf000007_0001
wobei PCw die Leistung der Hintergrundstrahlung bzw. der cw-Strahlung und Ppuls die mittlere Pulsleistung des Laserstrahls bzw. Messstrahls ist. Wie bereits oben erwähnt repräsentiert AR die Modulationstiefe des sättigbaren Elements und ΔRns die nichtsättigbaren Verluste des sättigbaren Elements. PRef ist die Leistung eines Referenzstrahls des Lasers und entspricht der Gesamtleistung des Lasers bzw. Laserstrahls. Die Gesamtleistung des Lasers und damit PRef ist vom Hersteller des Lasers bekannt bzw. kann experimentell ermittelt werden. PRef ist die Summe aus PCw und PPuls. Bei bekannten Eigenschaften des sättigbaren Elements, d.h. bei bekannter Modulationstiefe und bekannten nichtsättigbaren Verlusten des sättigbaren Elements, ist somit Psat die einzige unbekannte Größe auf der rechten Seite der Gleichung (1 ). Psat bezeichnet die Leistung des von dem sättigbaren Element modulierten Laserstrahls bzw. Messstrahls. Durch die Detektion bzw. Messung dieser Leistung Psat kann folglich das Verhältnis von PCw und PPuls und damit der Leistungsanteil der Hintergrundstrahlung des Lasers ermittelt bzw. berechnet werden.
Vorteilhafterweise ermöglicht das erfindungsgemäße Verfahren eine sehr einfache quantitative Erfassung bzw. Messung des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds sowohl an neu zu entwickelnden gepulsten Lasersystemen als auch an gepulsten Lasersystemen im industriellen Einsatz. In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Schritt des Modulierens des Messstrahls ein
Aufteilen eines von dem Laser ausgesandten Laserstrahls in einen Referenzstrahl und den Messstrahl mit Hilfe eines Strahlteilers.
Ferner umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Schritt des Ermitteins des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers ein
Detektieren bzw. Messen der Leistung des Referenzstrahls mit Hilfe eines Referenzstrahl-Leistungsdetektors.
Der Referenzstrahl kann auch als erster Teilstrahl des vom Laser ausgesandten Laserstrahls bezeichnet werden. Entsprechend kann der Messstrahl als zweiter Teilstrahl des vom Laser ausgesandten Laserstrahls bezeichnet werden.
Der Strahlteiler teilt den vom Laser ausgesandten Laserstrahl mit einem bestimmten bzw. definierten Teilungsverhältnis in den Referenzstrahl und den Messstrahl auf. Das Teilungsverhältnis des Strahlteilers kann bekannt sein oder experimentell ermittelbar sein bzw. ermittelt werden.
Mit Hilfe des Strahlteilers kann die in Gleichung (1) enthaltene Leistung des Referenzstrahls, d.h. die Gesamtleistung des von dem Laser ausgesandten Laserstrahls, experimentell bestimmt werden. Somit muss vorteilhafterweise die Gesamtleistung des zu analysierenden Lasers bzw. Laserstrahls nicht bekannt sein. Zudem kann die Messung unabhängig von Schwankungen der Gesamtleistung des Lasers erfolgen. Unter Verwendung des Strahlteilers kann der Leistungsanteil des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers mit folgender Gleichung bestimmt werden:
Figure imgf000009_0001
Dabei bezeichnet S die Reflektivität des Strahlteilers bzw. den am Strahlteiler reflektierten Anteil der einfallenden Leistung.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren vor dem Schritt des Detektierens der Leistung des modulierten Messstrahls ferner folgenden Schritt:
- Einstellen der am sättigbaren Element auftretenden Fluenz des Messstrahls mit Hilfe eines Fluenzeinstellelement.es derart, dass sich das sättigbare Element in Folge des Strahlungshintergrunds des Messstrahls in einem ungesättigten Zustand und in Folge eines Pulses des Messstrahls in einem gesättigten Zustand befindet. Mit anderen Worten wird die am sättigbaren Element auftretende bzw. vorliegende Fluenz des Messstrahls mit Hilfe eines Fluenzeinstellelement.es derart eingestellt, dass das sättigbare Element bei einer von dem Strahlungshintergrund des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. in Folge des Auftreffens des Strahlungshintergrundes des Lasers bzw. des Messstrahls auf das sättigbare Element, ungesättigt ist, und bei einer von einem Puls des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. in Folge des Auftreffens eines Pulses bzw. der Pulsstrahlung des Lasers bzw. Messstrahls auf das sättigbare Element, gesättigt ist.
Ein ungesättigter Zustand kann z.B. vorliegen, wenn ein von dem sättigbaren Element bewirkter Modulationsgrad, insbesondere eine Reflektivität oder eine Transmissivität, des Laserstrahls bzw. Messstrahls unterhalb bzw. oberhalb (je nach Art des sättigbaren Elements) eines vorbestimmten ersten Schwellenwerts liegt. Entsprechend kann z.B. ein gesättigter Zustand vorliegen, wenn der Modulationsgrad des sättigbaren Elements oberhalb bzw. unterhalb eines vorbestimmten zweiten Schwellenwerts liegt. Der vorbestimmte erste und zweite Schwellenwert können von dem jeweiligen sättigbaren Element bzw. von der Art des jeweiligen sättigbaren Elements abhängen. Der erste Schwellenwert kann sich vom zweiten Schwellenwert unterscheiden. Es ist aber auch möglich, dass der erste und zweite Schwellenwert gleich groß sind. Beispielsweise können der erste und der zweite Schwellenwert einem Wendepunkt der Fluenzkurve (d.h. der Kurve, die den Modulationsgrad in Abhängigkeit der Fluenz wiedergibt), entsprechen.
Vorzugsweise wird die am sättigbaren Element auftretende bzw. vorliegende Fluenz des Messstrahls mit Hilfe eines Fluenzeinstellelement.es derart eingestellt, dass das sättigbare Element bei einer von dem Strahlungshintergrund des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. in Folge des Auftreffens des Strahlungshintergrundes des Lasers bzw. des Messstrahls auf das sättigbare Element im Wesentlichen vollständig ungesättigt ist und bei einer von einem Puls des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. in Folge des Auftreffens eines Pulses bzw. der Pulsstrahlung des Lasers bzw. Messstrahls auf das sättigbare Element im Wesentlichen vollständig gesättigt ist.
Das sättigbare Element kann vollständig gesättigt sein bzw. sich in einem vollständig gesättigten Zustand befinden, wenn die auf das sättigbare Element auftreffende oder einfallende Fluenz einen Wert aufweist, bei dem die vom sättigbaren Element bewirkte Modulation, d.h. Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung des Laserstrahls bzw. Messstrahls einen Sättigungsextremwert, also ein Maximum oder ein Minimum, aufweist. Entsprechend kann das sättigbare Element vollständig ungesättigt sein bzw. sich in einem vollständig ungesättigten Zustand befinden, wenn die auf das sättigbare Element auftreffende oder einfallende Fluenz einen Wert aufweist, bei dem die vom sättigbaren Element bewirkte Modulation, d.h. Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung des Laserstrahls bzw. Messstrahls ein zum Sättigungsextremwert gegenteiliges Extremum, also ein Minimum oder Maximum, aufweist. Beispielsweise kann das sättigbare Element vollständig gesättigt sein bzw. sich in einem vollständig gesättigten Zustand befinden, wenn die auf das sättigbare Element auftreffende oder einfallende Fluenz einen Wert aufweist, bei dem die vom. sättigbaren Element bewirkte Modulation, d.h. Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung des Laserstrahls bzw. Messstrahls ein Maximum aufweist. Entsprechend ist dann das sättigbare Element vollständig ungesättigt bzw. befindet sich in einem vollständig ungesättigten Zustand, wenn die auf das sättigbare Element auftreffende oder einfallende Fluenz einen Wert aufweist, bei dem die vom sättigbaren Element bewirkte Modulation, d.h. Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung des Laserstrahls bzw. Messstrahls ein Minimum aufweist. Je nach Art des sättigbaren Elements ist es auch möglich, dass das Maximum ein Minimum und umgekehrt ist.
Die zu einem gesättigten bzw. vollständig gesättigten Zustand des sättigbaren Elements notwendige Fluenz wird im Sinne dieser Beschreibung auch als Sättigungsfluenz bezeichnet.
Das Fluenzeinstellelement kann z.B. eine Linse, ein System aus einem Polarisator und Analysator oder ein Dichteelement sein. Das Fluenzeinstellelement kann zwischen dem Laser bzw. dem Strahlteiler und dem sättigbaren Element angeordnet sein.
Um sicherzustellen, dass die auf das sättigbare Element einfallende Fluenz der einzelnen Pulse des Lasers einen Wert aufweist, der zu einer im Wesentlichen vollständigen Sättigung des sättigbaren Elements führt, können verschiedene Verfahren angewendet werden. Beispielsweise kann durch eine definierte Abschwächung des Messstrahls mittels eines Polarisators/Analysators oder eines Dichtefilters die Leistung des Messstrahls und somit dessen Fluenz beeinflusst werden. Eine weitere Möglichkeit besteht in der Variation der vom Laser auf dem sättigbaren Element bestrahlten Fläche. Diese kann z.B. dadurch variiert werden, dass entweder das sättigbare Element entlang der Strahlkaustik bzw. entlang des optischen Pfads des Laserstrahls verschoben wird, oder die Strahlkaustik bzw. der Strahlquerschnitt des Messstrahls am Ort des sättigbaren Elements mittels eines fokussierenden Elements wie z.B. einer Linse oder einem Spiegel derart angepasst wird, dass die gewünschte Fluenz, z.B. die Sättigungsfluenz erreicht wird. Die zur vollständigen Sättigung notwendige Fluenz kann auch am Messaufbau selbst aus dem Verhältnis PCw/PPuls ermittelt werden. Auf Grund des charakteristischen Sättigungsverhaltens des sättigbaren Elements ist z.B. zu erwarten, dass das Verhältnis PCw/PPuls im Fluenzbereich der vollständigen Sättigung bzw. bei der Sättigungsfluenz ein Extremum, d.h. ein Maxima oder ein Minima, aufweist, da hier eine maximale oder minimale Modulation des Laserstrahls bzw. Messstrahls durch das sättigbare Element erreicht wird. Ob ein Maximum oder Minimum vorliegt hängt von der Art des verwendeten sättigbaren Elements ab.
Wird als Fluenzeinstellelement z.B. eine Linse verwendet, welche zwischen dem Laser bzw. dem Strahlteiler und dem sättigbaren Element angeordnet ist, so kann diese Linse in Richtung der optischen Achse derart verschoben werden, dass das Verhältnis PCw/PPuls ein Minimum oder Maximum ergibt. Somit kann die gewünschte Fluenz in einfacher Weise eingestellt werden.
Durch das Einstellen der Fluenz kann vorteilhafterweise ein systematischer Messfehler durch ungenügende Sättigung des sättigbaren Elements vermieden werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden sämtliche Schritte bis einschließlich des Ermitteins des Leistungsanteils der Hintergrundstrahlung des Lasers einmal oder mehrmals mit jeweils einem anderen sättigbaren Element wiederholt. Zur Ermittlung des Gesamtergebnisses wird über die einzelnen ermittelten Leistungsanteile des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers gemittelt. Mit anderen Worten wird nach dem Ermitteln des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers das sättigbare Element durch ein anderes sättigbares Element ausgetauscht und anschließend werden die oben beschriebenen Schritte wiederholt. Vorzugsweise haben sämtliche sättigbaren Elemente bekannte oder experimentell ermittelbare Eigenschaften. Weiter vorzugsweise unterscheiden sich die Eigenschaften eines sättigbaren Elements von den Eigenschaften des vorher verwendeten sättigbaren Elements oder der vorher verwendeten sättigbaren Elemente. Auf diese Weise, d.h. durch die Verwendung von verschiedenen sättigbaren Elementen mit unterschiedlichen Verläufen der Sättigung als Funktion der Fluenz bzw. mit unterschiedlichen Modulationstiefen und/oder unterschiedlichen nichtsättigbaren Verlusten sowie durch Mehrfachmessung und Mittelwertbildung, kann die Messgenauigkeit weiter erhöht werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst das erfindungsgemäße Verfahren ferner den folgenden Schritt zu Beginn des Verfahrens:
Kalibrieren bzw. Charakterisieren des sättigbaren Elements bzw. der sättigbaren Elemente mit Hilfe einer kombinierten Strahlquelle, wobei die kombinierte Strahlquelle einen cw-Laser mit einstellbarer cw-Leistung und einen gepulsten Laser mit einstellbarer Pulsleistung umfasst.
Die einstellbare cw-Leistung und Pulsleistung können insbesondere mittlere Leistungen sein. Durch Verwendung einer bekannten cw- und einer gepulsten Quelle können die sättigbaren Elemente kalibriert werden. Ein Kalibriervorgang kann beispielsweise einen oder mehrere der folgenden Schritte umfassen:
- Überlagern, insbesondere koaxiales Überlagern, einer
Hintergrundstrahlung bzw. cw-Strahlung des cw-Lasers mit einer gepulsten Laserstrahlung des gepulsten Lasers. Die Überlagerung kann beispielsweise mit einem Polarisationsstrahlteiler erfolgen.
Festlegen des Leistungsanteils der von dem cw-Laser ausgesandten Hintergrundstrahlung bzw. cw-Strahlung und/oder des Leistungsanteils der von dem gepulsten Laser ausgesandten gepulsten Laserstrahlung durch Einstellen der Leistungen des cw-Lasers und/oder der Leistung des gepulsten Lasers.
Mit Hilfe der kombinierten Strahlquelle kann somit der Messaufbau qualifiziert werden. Insbesondere kann bei nicht genauer Kenntnis der Sättigungseigenschaften des sättigbaren Elementes der Aufbau bzw. das sättigbare Element kalibriert bzw. charakterisiert werden.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Vorrichtung zur quantitativen Erfassung bzw. Messung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers, aufweisend:
ein sättigbares Element zur Modulation eines auf das sättigbare Element auftreffenden bzw. einfallenden Messstrahls des Lasers, wobei die Modulation des Messstrahls durch das sättigbare Element von der Fluenz des Messstrahls abhängt;
einen Modulationsstrahl-Leistungsdetektor zum Detektieren bzw. Messen der Leistung des von dem sättigbaren Element modulierten Messstrahls; und
- eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln bzw. Berechnen des
Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der von dem Modulationsstrahl-Leistungsdetektor detektierten Leistung des durch das sättigbare Element modulierten Messstrahls. Unter einer„Modulation eines Laserstrahls" wird im Sinne dieser Beschreibung eine Transmission, Absorption, Reflexion, Beugung und/oder Streuung des Laserstrahls verstanden. Durch die Wechselwirkung eines Laserstrahls mit dem sättigbaren Element wird insbesondere die Leistung des Laserstrahls verändert bzw. moduliert. Somit umfasst der Begriff„Modulation" insbesondere eine Leistungsmodulation.
Der Modulationsstrahl-Leistungsdetektor kann z.B. ein Leistungsmesskopf oder eine Photodiode, insbesondere eine kalibrierte Photodiode, sein.
Die Auswerteeinrichtung kann z.B. ein Computer bzw. Mikroprozessor sein, mit dem der Leistungsanteil des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der von dem Modulationsstrahl-Leistungsdetektor detektieren Leistung des durch das sättigbare Element modulierten Messstrahls ermittelt bzw. berechnet werden kann. Vorzugsweise umfasst die Auswerteeinrichtung auch ein Anzeigegerät wie z.B. ein Display oder einen Bildschirm und/oder ein Ausgabegerät wie z.B. einen Drucker, um das Ergebnis, insbesondere den ermittelten Leistungsanteil der Hintergrundstrahlung des Lasers und/oder weitere Informationen wie z.B. die Gesamtleistung des Lasers und/oder das Verhältnis der Leistung der Hintergrundstrahlung und der Pulsleistung des Lasers, anzuzeigen bzw. auszugeben. Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das erfindungsgemäße Messsystem ist vorteilhafterweise sehr kompakt und ermöglicht eine sehr einfache quantitative Erfassung bzw. Messung des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds sowohl an neu zu entwickelnden gepulsten Lasersystemen als auch an gepulsten Lasersystemen im industriellen Einsatz.
In einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das sättigbare Element dergestalt ausgelegt, dass sich das sättigbare Element bei einer von dem Strahlungshintergrund des Messstrahls resultierenden Fluenz in einem ungesättigten Zustand und bei einer von einem Puls des Messstrahls resultierenden Fluenz in einem gesättigten Zustand befindet. Mit anderen Worten ist das sättigbare Element ausgelegt, die oben beschriebenen Zustände bei der entsprechenden, am sättigbaren Element auftretenden bzw. einfallenden, Fluenz einzunehmen.
Vorzugsweise ist das sättigbare Element derart ausgelegt, dass sich das sättigbare Element in Folge des Strahlungshintergrunds des Messstrahls in einem im Wesentlichen vollständig ungesättigten Zustand und in Folge eines Pulses des Messstrahls in einem im Wesentlichen vollständig gesättigten Zustand befindet.
Im Gegensatz zu einem Puls des Laser- bzw. Messstrahls ist ein Strahlungshintergrund bzw. eine cw-Strahlung des Laser- bzw. Messstrahls zeitlich nicht begrenzt. Dennoch erzeugt der Strahlungshintergrund bzw. die cw-Strahlung keine oder eine nur teilweise Sättigung des sättigbaren Elements. Dies liegt daran, dass bei der kontinuierlichen Bestrahlung des sättigbaren Elements auch eine Relaxation aus dem teilweise gesättigten Zustand des sättigbaren Elements stattfindet. Zwischen der kontinuierlichen Absorption der cw-Strahlung und dieser Relaxation stellt sich ein Gleichgewicht ein. Dieses Gleichgewicht bestimmt schließlich die Sättigung des sättigbaren Elements. Aus dem Strahlungshintergrund der Laserbzw. Messstrahlung resultiert somit auch eine bestimmte, endliche Fluenz. Die von dem Strahlungshintergrund der Laser- bzw. Messstrahlung resultierende Fluenz wird im Sinne dieser Beschreibung auch als cw-Gleichgewichtsfluenz bezeichnet. Die von einem Puls der Laserstrahlung resultierende Fluenz wird im Sinne dieser Beschreibung auch als Puls-Fluenz bezeichnet. Das sättigbare Element befindet sich also vorzugsweise bei einer von dem Strahlungshintergrund des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. der cw-Gleichgewichtsfluenz, in einem im Wesentlichen vollständig ungesättigten Zustand und bei einer von einem Puls des Messstrahls resultierenden Fluenz, d.h. der Puls-Fluenz, in einem im Wesentlichen vollständig gesättigten Zustand. Vorzugsweise entspricht die Puls-Fluenz der Sättigungsfluenz. Weiter vorzugsweise ist die cw-Gleichgewichtsfluenz kleiner als die Sättigungsfluenz.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner auf:
- einen Strahlteiler zum Aufteilen des von dem Laser ausgesandten
Laserstrahls in einen Referenzstrahl und den Messstrahl;
einen Referenzstrahl-Leistungsdetektor zum Detektieren bzw. Messen der Leistung des Referenzstrahls;
wobei der Strahlteiler derart angeordnet und/oder ausgerichtet ist, dass der Referenzstrahl auf den Referenzstrahl-Leistungsdetektor trifft und der Messstrahl auf das sättigbare Element trifft.
Der Referenzstrahl-Leistungsdetektor kann z.B. einen Leistungsmesskopf oder eine Photodiode, insbesondere eine kalibrierte Photodiode, umfassen. Der Strahlteiler kann ein bekanntes Teilungsverhältnis oder ein experimentell ermittelbares Teilungsverhältnis aufweisen. Beispielsweise beträgt das Teilungsverhältnis des Strahlteilers 50%. Es versteht sich, dass aber auch andere Werte des Teilungsverhältnisses des Strahlteilers möglich sind. In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist das sättigbare Element ein sättigbarer Absorber und insbesondere ein sättigbarer Absorberspiegel.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform weist die erfindungsgemäße Vorrichtung ferner ein Fluenzeinstellelement zum Einstellen der auf das sättigbare Element auftreffenden Fluenz des Messstrahls auf. Wie bereits oben beschrieben kann das Fluenzeinstellelement z.B. eine Linse, einen Polarisator/Analysator und/oder ein Dichteelement umfassen.
Ein weiterer unabhängiger Aspekt zur Lösung der Aufgabe betrifft eine Verwendung eines sättigbaren Elements, insbesondere eines sättigbaren Absorbers bzw. eines sättigbaren Absorberspiegels, zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers.
Für die oben genannten weiteren unabhängigen Aspekte und insbesondere für diesbezügliche bevorzugte Ausführungsformen gelten auch die vor- oder nachstehend gemachten Ausführungen zu den Ausführungsformen des ersten Aspekts.
Im Folgenden werden einzelne Ausführungsformen zur Lösung der Aufgabe anhand der Figuren beispielhaft beschrieben. Dabei weisen die einzelnen beschriebenen Ausführungsformen zum Teil Merkmale auf, die nicht zwingend erforderlich sind, um den beanspruchten Gegenstand auszuführen, die aber in bestimmten Anwendungsfällen gewünschte Eigenschaften bereit stellen. So sollen auch Ausführungsformen als unter die beschriebene technische Lehre fallend offenbart angesehen werden, die nicht alle Merkmale der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen aufweisen. Ferner werden, um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, bestimmte Merkmale nur in Bezug auf einzelne der im Folgenden beschriebenen Ausführungsformen erwähnt. Es wird darauf hingewiesen, dass die einzelnen Ausführungsformen daher nicht nur für sich genommen sondern auch in einer Zusammenschau betrachtet werden sollen. Anhand dieser Zusammenschau wird der Fachmann erkennen, dass einzelne Ausführungsformen auch durch Einbeziehung von einzelnen oder mehreren Merkmalen anderer Ausführungsformen modifiziert werden können. Es wird darauf hingewiesen, dass eine systematische Kombination der einzelnen Ausführungsformen mit einzelnen oder mehreren Merkmalen, die in Bezug auf andere Ausführungsformen beschrieben werden, wünschenswert und sinnvoll sein kann, und daher in Erwägung gezogen und auch als von der Beschreibung umfasst angesehen werden soll. Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Figur 1 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel;
Figur 2 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel;
Figur 3 zeigt einen typischen Verlauf der Reflektivität eines sättigbaren
Absorberspiegels in Abhängigkeit der einfallenden Fluenz;
Figur 4 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
Die Figur 1 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers gemäß einem Ausführungsbeispiel. Die Vorrichtung umfasst ein sättigbares Element 13, einen Modulationsstrahl-Leistungsdetektor 15 und eine Auswerteeinrichtung (in der Figur 1 nicht gezeigt). Im Ausführungsbeispiel der Figur 1 ist das sättigbare Element transmittiv, d.h. es transmittiert einen auftreffenden bzw. einfallenden Laserstrahl 3, wobei die Leistung des transmittierten Strahls 5 im Vergleich zum einfallenden Strahl 3 in Abhängigkeit der auf das sättigbare Element auftreffenden bzw. einfallenden Fluenz des Laserstrahls 3 moduliert wird. Abhängig von der Fluenz des auftreffenden bzw. einfallenden Laserstrahls 3 unterscheidet sich somit die Leistung des transmittierten Strahls 5 von der Leistung des einfallenden Strahls 3, der auch als Messstrahl bezeichnet wird.
Der zu analysierende Laserstrahl bzw. der Messstrahl 3 wird durch das transmittive sättigbare Element 13 propagiert und die im modulierten bzw. transmittierten Strahl 5 verbleibende Leistung mittels des Modulationsstrahl-Leistungsdetektors 15, der insbesondere eine Photodiode oder einen Leistungsmesskopf umfasst, gemessen.
Die Figur 2 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel. Im Ausführungsbeispiel der Figur 2 ist das sättigbare Element reflektiv, d.h. es reflektiert einen auftreffenden bzw. einfallenden Laserstrahl 3, wobei die Leistung des reflektierten Strahls 5 im Vergleich zum einfallenden Strahl 3 in Abhängigkeit der auf das sättigbare Element auftreffenden bzw. einfallenden Fluenz des Laserstrahls 3 moduliert wird. Abhängig von der Fluenz des auftreffenden bzw. einfallenden Laserstrahls 3 unterscheidet sich somit die Leistung des reflektierten Strahls 5 von der Leistung des einfallenden Strahls bzw. Messstrahls 3. Der zu analysierende Laserstrahl bzw. der Messstrahl 3 wird durch das reflektive sättigbare Element 13 reflektiert und die im modulierten bzw. reflektierten Strahl 5 verbleibende Leistung mittels des Modulationsstrahl-Leistungsdetektors 15 gemessen. Das reflektive sättigbare Element kann z.B. ein sättigbarer Absorberspiegel sein. Der Modulationsstrahl-Leistungsdetektor 15 kann z.B. eine Photodiode oder einen Leistungsmesskopf umfassen.
Die Figur 3 zeigt einen typischen Verlauf der Reflektivität eines sättigbaren Absorberspiegels in Abhängigkeit der einfallenden Fluenz. Dabei stellt die in dem Diagramm gezeigte Kurve 40 einen idealen Verlauf dar, während die Kurve 50 einen realen Verlauf repräsentiert. Bei der in der Figur 3 gezeigten Fluenzkurve des beispielhaften sättigbaren Elements nimmt der Modulationsgrad bzw. die Reflektivität mit zunehmender Fluenz im Bereich von etwa 0,01 bis 25 μϋ/cm2 kontinuierlich zu. Während die Reflektivität bei der idealen Kurve 40 auch noch bei einer Fluenzerhöhung im Bereich > 25 μϋ/cm2 ansteigt, nimmt die Reflektivität gemäß der realen Kurve 50 ab etwa 25 μϋ/cm2 wieder ab. Diese Abnahme kann insbesondere durch eine zwei-Photonen Absorption resultieren. Der Fluenzbereich, in dem der Modulationsgrad bzw. die Reflektivität bei der realen Kurve 50 wieder abnimmt, wird als„Roll-over"-Bereich bezeichnet. Das sättigbare Element bzw. dessen Fluenzkurve ist, wie in dem Diagramm der Figur 3 dargestellt, durch die Modulationstiefe AR und durch nichtsättigbare Verluste ÄRns charakterisiert. Um eine hohe Messgenauigkeit zu erzielen ist es vorteilhaft, wenn die Modulationstiefe möglichst groß und die nichtsättigbaren Verluste möglichst klein sind. Mit Fsat ist in der Figur 3 eine Sättigungsfluenz des sättigbaren Elements bezeichnet. Wie in der Figur 3 dargestellt, kann z.B. diese Sättigungsfluenz durch den Wendepunkt der Fluenzkurve bestimmt bzw. festgelegt sein. Es ist aber auch möglich, die Sättigungsfluenz anders zu definieren, beispielsweise als einen Fluenzwert zwischen dem Wendepunkt und dem Maximum der in der Figur 3 gezeigten Fluenzkurve oder als Fluenzwert, der dem Maximum der Fluenzkurve entspricht. Bei einer Fluenz, die größer als Fsat ist, ist das sättigbare Element im Wesentlichen oder vollständig gesättigt, d.h. in einem im Wesentlichen oder vollständig gesättigten Zustand. Eine vollständige Sättigung des sättigbaren Elements liegt insbesondere bei dem Maximum der realen Kurve 50, d.h. in dem Beispiel der Figur 3 bei etwa 50 μJ/cm2 vor. Die Transmissivität bzw. Reflektivität des sättigbaren Elements 13 der Figuren 1 und 2 hängt von der Fluenz, d.h. von der Energie pro Fläche, des Laserpulses bzw. des Laserstrahls 3 ab. Da die Fluenzabhängigkeit der Transmissivität bzw. Reflektivität des sättigbaren Elements 13 bekannt ist oder experimentell bestimmt werden kann, kann durch Messung der mittleren Leistung Psat des transmittierten bzw. reflektierten Laserstrahls 5 auf den Leistungsanteil der Laserpulse im Verhältnis zum cw- Hintergrund und/oder zu sonstigem Rauschen zurückgerechnet werden. Der einfallende Messstrahl 3 weist eine Leistung PRef auf, welche sich aus der Leistung des Strahlungs- bzw. cw-Hintergrundes PCw und der mittleren Leistung der Laserpulse PPuls zusammensetzt:
Figure imgf000020_0001
Der Strahl wird durch das sättigbare Element 13 transmittiert oder daran reflektiert, wobei ein Anteil ARns des Strahls durch nichtsättigbare Verluste absorbiert wird. Im komplett gesättigten Zustand hat das sättigbare Element eine um die Modulationstiefe AR erhöhte Reflektivität bzw. Transmissivität. Wird das sättigbare Element im Wesentlichen bzw. vollständig gesättigt (siehe Figur 3), ergibt sich dadurch die Leistung im modulierten Strahl 5 entsprechend zu:
Figure imgf000021_0002
Ein Einsetzen der Gleichung (3A) in die Gleichung (4) ergibt PPuls:
Figure imgf000021_0001
Ein Einsetzen der Gleichung (5) in die Gleichung (3A) ergibt Pcw:
Figure imgf000021_0003
Somit ergibt sich das Verhältnis aus der Leistung des Strahlungshintergrunds und der Pulsleistung zu:
Figure imgf000021_0004
Bei einer bekannten Gesamtleistung des zu analysierenden Lasers PRef und bei bekannten Werten AR und ARns des verwendeten sättigbaren Elements 13 kann somit gemäß Gleichung (7) durch Messung der Leistung Psat des modulierten Messstrahls 5 das Verhältnis aus der Leistung des Strahlungshintergrunds und der Pulsleistung ermittelt werden. Die Figur 4 zeigt eine schematische Zeichnung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 100 zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers gemäß einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel. Im Vergleich zu den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 und 2 weist die Vorrichtung gemäß der Ausführungsform der Figur 4 zusätzlich einen Strahlteiler 20 und ein Fluenzeinstellelement bzw. eine Linse 30 auf. Der Strahlteiler 20 teilt den von einem Laser ausgesandten Laserstrahl 1 in einen Messstrahl 3 und einen Referenzstrahl 7 auf. Der Messstrahl trifft auf das sättigbare Element bzw. den sättigbaren Absorberspiegel 13 und wird von diesem moduliert bzw. reflektiert. Der modulierte bzw. reflektierte Strahl 5 wird schließlich wieder mittels des Strahlteilers 20 auf einen Modulationsstrahl-Leistungsdetektor gelenkt, mit dem die Leistung des modulierten Strahls 5 gemessen wird. Mit Hilfe eines Referenzstrahl-Leistungsdetektors 17 wird die Leistung PRef des Referenzstrahls 7 gemessen. Der Strahlteiler 20 kann, wie in der Figur 4 gezeigt, ein konventioneller Strahlteiler, der eine Aufteilung des Laserstrahls in Leistungsanteile vornimmt, sein.
Gemäß der Figur 4 wird der zu analysierende Laserstrahl 1 mittels des Strahlteilers 20 mit bekanntem Teilungsverhältnis in den Messstrahl 3 und den Referenzstrahl 7 aufgeteilt, z.B. mit 50% Leistung in jedem der Teilstrahlen. Alternativ oder zusätzlich kann der Strahlteileiler 20 vor der Messung z.B. mittels eines hochreflektierenden Spiegels, welcher an der Stelle des sättigbaren Elements 13 angeordnet ist, kalibriert werden.
Die Reflektivität des sättigbaren Absorberspiegels hängt von der Fluenz des Messstrahls 3 ab. Da diese Fluenzabhängigkeit der Reflektivität des sättigbaren Absorberspiegels bekannt ist, kann durch Messung der mittleren Leistung Psat des modulierten bzw. reflektierten Laserstrahls auf den Leistungsanteil der Laserpulse im Verhältnis zum cw-Hintergrund und/oder zu anderem Rauschen zurückgerechnet werden.
Wird die Reflektivität des Strahlteilers 20 mit S bezeichnet, so ist die Leistung PRet des Referenzstrahls 7:
Figure imgf000023_0001
Daraus folgt für die Leistung PCw der Hintergrundstrahlung:
Figure imgf000023_0002
Die Leistung Psat des modulierten Messstrahls 5 ist:
Figure imgf000023_0003
Ein Einsetzen der Gleichung (8A) in die Gleichung (9) ergibt für die mittlere Leistung PPuls der Pulsstrahlung:
Figure imgf000023_0004
Somit ergibt sich das Verhältnis aus der Leistung des Strahlungshintergrunds und der Pulsleistung zu :
Figure imgf000024_0001
Bei bekannter Reflektivität S des verwendeten Strahlungsteilers 20 und bei bekannten Werten AR und ARns des verwendeten sättigbaren Elements 13 kann somit gemäß Gleichung (12) durch Messung der Leistung Psat des modulierten Messstrahls 5 und durch Messung der Leistung PRet des Referenzstrahls 7 das Verhältnis aus der Leistung des Strahlungshintergrunds und der Pulsleistung ermittelt werden. Das sättigbare Element 13 hat einen von der Fluenz abhängigen Verlauf der Transmission/Reflektion (siehe Figur 3). Um einen systematischen Messfehler durch ungenügende Sättigung des sättigbaren Elements 13 zu vermeiden, kann die Fluenz der zu messenden Pulse und des cw-Hintergrunds an die Fluenzkurve des sättigbaren Elements 13 angepasst werden. Dazu kann beispielsweise, wie in der Figur 4 gezeigt, eine axial verschiebbare bzw. eine entlang des optischen Pfads verschiebbare Linse 30 dienen. Diese Linse 30 ist zwischen dem Strahlteiler 20 und dem sättigbaren Element 13 angeordnet. Ist das sättigbare Element 13 z.B. ein sättigbarer Absorberspiegel, so kann dadurch gewährleistet werden, dass die Pulse den sättigbaren Absorberspiegel maximal sättigen. Eine Sättigung ist in diesem Fall bei einem Minimum des Verhältnisses PCw/PPuls erreicht.
Für die oben beschriebenen Messungen muss vorausgesetzt werden können, dass die Leistung des Strahlungshintergrunds, d.h. insbesondere die mittlere cw-Leistung, des zu analysierenden Lasers nicht ausreicht, um das sättigbare Element zu sättigen. Dagegen muss das sättigbare Element für eine Pulsspitzenleistung gesättigt, vorzugsweise vollständig gesättigt, werden. Diese Bedingung ist für gängige gepulste Laser in der Regel leicht zu erfüllen. Denn die Spitzenleistung eines einzelnen Laserpulses ist im Allgemeinen deutlich höher als die mittlere Leistung der Hintergrundstrahlung bzw. des cw-Hintergrundes des Lasers. So hat z.B. ein Laser mit einer Pulsdauer von 5 ps, einer Repetitionsrate von 1 MHz und einer mittleren gepulsten Leistung von 50 W (mittlere Gesamtleistung von 100 W) eine Pulsspitzenleistung von 10 MW. Der cw-Hintergrundanteil beträgt also 50% der mittleren Gesamtleistung des Lasers. Somit ist die Spitzenleistung eines Pulses um einen Faktor 2-105 größer als die Leistung des cw-Hintergrunds. Auf Basis dieses hohen Leistungsunterschieds kann die oben erwähnte Voraussetzung leicht erfüllt werden. Für viele zu vermessende gepulste Lasersysteme kann zudem ein noch höherer Unterschied zwischen Pulsspitzenleistung und mittlerer Leistung des cw- Hintergrunds erwartet werden, da der Anteil des cw-Hintergrunds an der Gesamtleistung typischerweise deutlich geringer ist.
Bei sättigbaren Elementen, welche in der Fluenzkurve einen „Roll-over"-Bereich aufweisen (siehe Figur 3) ist es für die Messgenauigkeit ferner entscheidend, dass das sättigbare Element beim Auftreffen eines Laserpulses nicht in den Roll-over- Bereich gelangt. Um dies zu vermeiden, kann mit Hilfe des in der Figur 4 gezeigten Fluenzeinstellelementes bzw. der Linse 30 die auf das sättigbare Element 13 auftreffende Fluenz angepasst bzw. eingestellt werden. Durch ein geeignetes Einstellen der Fluenz, d.h. durch ein geeignetes Verschieben der Linse entlang des optischen Pfads zwischen dem Strahlteiler 20 und dem sättigbaren Element 13, kann zum einen erreicht werden, dass das sättigbare Element 13 bei einem Auftreffen des Strahlungshintergrunds einen ungesättigten Zustand einnimmt. Zum anderen kann erreicht werden, dass das sättigbare Element 13 bei einem Auftreffen eines Laserpulses einen gesättigten Zustand einnimmt, ohne dabei in den Roll-over-Bereich zu gelangen.
Die zu einer vollständigen Sättigung notwendige Fluenz kann mit dem erfindungsgemäßen Messaufbau bzw. der Vorrichtung 100 selbst aus dem Verhältnis PCw/PPuls ermittelt werden. Auf Grund des charakteristischen Sättigungsverhaltens des sättigbaren Elements bzw. sättigbaren Absorberspiegels 13 ist z.B. gemäß dem beispielhaften Kurvenverlauf der Figur 3 zu erwarten, dass das Verhältnis PCw/PPuls im Fluenzbereich der vollständigen Sättigung (für die Laserpulse) ein Minimum aufweist, da hier die maximale Refiektivität des sättigbaren Elements bzw. sättigbaren Absorberspiegels 13 erreicht wird.
Bezugszeichenliste
1 Laserstrahl
3 Messstrahl
5 Modulierter Laserstrahl / Modulationsstrahl
7 Referenzstrahl
13 Sättigbares Element / sättigbarer Absorber
15 Modulationsstrahl-Leistungsdetektor
17 Referenzstrahl-Leistungsdetektor
20 Strahlteiler
30 Fluenzeinstellelement
40 Ideale Fluenzkurve
50 Reale Fluenzkurve

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers, umfassend die Schritte:
Modulieren eines von dem Laser ausgesandten Messstrahls (3) mit Hilfe eines sättigbaren Elements (13) in Abhängigkeit von der Fluenz des Messstrahls (3);
Detektieren der Leistung des von dem sättigbaren Element (13) modulierten Messstrahls (5) mit Hilfe eines Modulationsstrahl-Leistungsdetektors (15); und
Ermitteln des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der detektierten Leistung des durch das sättigbare Element (13) modulierten Messstrahls (5).
2. Verfahren nach Anspruch 1 , wobei das Verfahren vor dem Schritt des Modulierens des Messstrahls (3) ein
- Aufteilen eines von dem Laser ausgesandten Laserstrahls (1 ) in einen
Referenzstrahl (7) und den Messstrahl (3) mit Hilfe eines Strahlteilers (20) umfasst, und wobei das Verfahren vor dem Schritt des Ermitteins des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers ferner ein
Detektieren der Leistung des Referenzstrahls (7) mit Hilfe eines Referenzstrahl-Leistungsdetektors (17) umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verfahren vor dem Schritt des Detektierens der Leistung des modulierten Messstrahls (5) ferner den folgenden Schritt umfasst:
- Einstellen der am sättigbaren Element (13) auftretenden Fluenz des
Messstrahls (3) mit Hilfe eines Fluenzeinstellelementes (30) derart, dass sich das sättigbare Element (13) in Folge des Strahlungshintergrunds des Messstrahls (3) in einem ungesättigten Zustand und in Folge eines Pulses des Messstrahls (3) in einem gesättigten Zustand befindet.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei sämtliche Schritte zumindest einmal mit jeweils einem anderen sättigbaren Element (13) wiederholt werden und wobei über die ermittelten Leistungsanteile des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers gemittelt wird.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, ferner umfassend den folgenden Schritt zu Beginn des Verfahrens:
Kalibrieren des sättigbaren Elements bzw. der sättigbaren Elemente ( 3) mit Hilfe einer kombinierten Strahlquelle, wobei die kombinierte Strahlquelle einen cw-Laser mit einstellbarer cw-Leistung und einen gepulsten Laser mit einstellbarer Pulsleistung umfasst.
6. Vorrichtung (100) zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers, aufweisend:
ein sättigbares Element (13) zur Modulation eines auf das sättigbare Element einfallenden Messstrahls (3) des Lasers, wobei die Modulation des Messstrahls (3) durch das sättigbare Element ( 3) von der Fluenz des Messstrahls (3) abhängt;
einen Modulationsstrahl-Leistungsdetektor (15) zum Detektieren der Leistung des von dem sättigbaren Element (13) modulierten Messstrahls (5); und eine Auswerteeinrichtung zum Ermitteln des Leistungsanteils des Strahlungshintergrunds des gepulsten Lasers auf Basis der von dem Modulationsstrahl-Leistungsdetektor (15) detektierten Leistung des durch das sättigbare Element (13) modulierten Messstrahls (5).
7. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6, wobei das sättigbare Element (13) derart ausgelegt ist, dass sich das sättigbare Element (13) in Folge des
Strahlungshintergrunds des Messstrahls (3) in einem ungesättigten Zustand und in Folge eines Pulses des Messstrahls (3) in einem gesättigten Zustand befindet.
8. Vorrichtung (100) nach Anspruch 6 oder 7, ferner aufweisend: einen Strahlteiler (20) zum Aufteilen eines von dem Laser ausgesandten Laserstrahls (1 ) in einen Referenzstrahl (7) und den Messstrahl (3);
einen Referenzstrahl-Leistungsdetektor (17) zum Detektieren der Leistung des Referenzstrahls (7);
wobei der Strahlteiler (20) derart angeordnet und/oder ausgerichtet ist, dass der Referenzstrahl (7) auf den Referenzstrahl-Leistungsdetektor (17) trifft und der Messstrahl (3) auf das sättigbare Element ( 3) trifft.
9. Vorrichtung (100) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, wobei das sättigbare Element (13) ein sättigbarer Absorber ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, ferner aufweisend:
ein Fluenzeinstellelement (30) zum Einstellen der auf das sättigbare Element (13) auftreffenden Fluenz des Messstrahls (3).
11. Verwendung eines sättigbaren Elements (13) zur quantitativen Erfassung des Leistungsanteils eines Strahlungshintergrunds eines gepulsten Lasers.
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