WO2018024268A1 - Strahlleistungsmessung mit aufweitung - Google Patents

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radiation sensor
sensor
expansion device
receiver surface
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Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Stefan Wolf
Roman Niedrig
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Primes Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to a method and a device for measuring the power or the energy of a laser beam.
  • the invention enables the direct measurement of laser radiation with very high power density, for example of focused laser beams in the field of laser beam focus.
  • Devices for measuring the energy or the power of a laser beam are known in large numbers and with different operating principles.
  • One way to measure the power or energy of a laser beam is to use a photodiode.
  • a photodiode By way of example, reference is made to US Pat. No. 3,687,558, which discloses a laser power-energy meter with a photodiode and an electronic circuit. Such devices are particularly suitable for measuring low radiation power. At higher power densities, a photodiode can quickly saturate or even be destroyed.
  • the attenuated beam power is predominantly converted to heat, which can affect accuracy, because the sensitivity of semiconductor sensors is generally temperature dependent, for example due to the temperature-dependent dark current.
  • Another common method for indirect measurement is the decoupling of a small beam component for the measurement.
  • a device of this type is shown in DE 43 36 589 C1.
  • a laser power meter is disclosed in which a high-transmission beam splitter reflects a fraction of the laser beam towards the sensor.
  • the problem here is the dependence of the reflectance of the polarization and the angle of incidence of the laser beam, so that a calibration and thus an accurate measurement are difficult.
  • Polarization dependence is proposed in a second embodiment of DE 43 36 589 C1, successively to arrange two beam splitters of the same specification, wherein the second deflection takes place in a plane perpendicular to the first deflection.
  • the problem of angular dependence remains, which is why the
  • Radiation measurement provided, i. for measuring intensity profiles and for determining beam parameters, and less suitable for determining the overall power of a beam.
  • a measurement of the total radiant power with devices in which the beam is greatly attenuated is always limited in accuracy.
  • a complex calibration is required, which limits the measurement accuracy, and on the other hand, even small parameter deviations in the elements involved can influence the attenuation factor and because of the high Attenuation factor to significant changes in the sensitivity of the
  • DE 10 2014 012 913 A1 discloses an energy beam power measurement in which the energy radiation is absorbed by an absorber and the absorber is cooled by means of a stationary fluid flow. From the increase in temperature in the cooling fluid in comparison to a temperature increase of the fluid by electrical heating, the beam power is determined. It can be very high performance measured, but the power in the absorber must be distributed so that there is no local overheating and possible damage to the absorber. A measurement in the range of a beam focus is therefore not possible.
  • US Pat. No. 5,678,924 An example of a laser power meter with an air cooled probe is shown in US Pat. No. 5,678,924.
  • the probe includes a collection disk in thermal contact with a heat sink. Upon irradiation of the collecting disc forms in the collecting disk, a temperature gradient, which with an array of
  • Thermocouples is determined.
  • the sensor head assembly is relatively large due to the heat sink and air cooling with fans, making it difficult to use in confined spaces.
  • the collection disc When used in the area of a beam focus, the collection disc can locally overheat and be damaged.
  • Calorimetric gauges can be made much more compact if they operate on the ballistic principle. Active cooling is dispensed with and the measurement is limited to a short period of time. From the increase in temperature of the collecting body or the absorber, the energy or the power can be determined.
  • DE 102 53 905 A1 and US Pat. No. 7,077,564 B2 show typical representatives of such a type of measuring device. Because the beam is there Directly hit the absorber, a measurement of high-power laser radiation is not possible in the range of a beam focus, as the absorber can be punctually damaged by overheating.
  • Power density is therefore basically the problem that the device or the sensor can be damaged.
  • care must therefore be taken that the laser beam on the detector does not exceed a certain power density.
  • the laser beam must have a certain minimum diameter whose size u.a. of the
  • Destruction threshold of the detector and the power of the laser beam is dependent.
  • the measuring device is usually arranged in a divergent beam at a sufficiently large distance from a beam focus. This is often possible with measurements on experimental setups in a laboratory or at least achievable by partial changes in the structure.
  • One important application of laser power meters is the establishment and regular testing or control of the power or energy of a laser beam in laser material processing equipment. The power or energy of the beam at the processing site is of interest, where the beam is usually focused and thus very high power densities occur. With commercially available measuring heads therefore no measurement is possible at this point; other measurement positions where the laser beam has grown to a sufficient diameter due to its divergence are often not in laser material processing equipment
  • a device for measuring the power and / or the energy of a laser beam which includes a radiation sensor, a widening device, and a holder. It has the
  • Radiation sensor on a receiver surface and is adapted to generate an electrical signal which is dependent on the power of the laser beam or the energy of the laser beam.
  • the widening device and the radiation sensor are arranged at a distance from one another on the holder, so that the laser beam propagates between the widening device and the radiation sensor.
  • the widening device is designed to increase the angular spectrum of the laser beam. Here is a diameter of propagated
  • Diameter of the laser beam in the area of the expansion device Diameter of the laser beam in the area of the expansion device. Furthermore, the receiver surface of the radiation sensor encloses at least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam.
  • Widening device is a diverging lens or a converging lens.
  • the expansion device may also be a lens array or a micro-lens array.
  • the expansion device has a light-scattering structure or a light-diffractive structure.
  • the expansion device may also be a convex mirror, a concave mirror, or a facet mirror.
  • the holder is designed as a
  • Housing enclosing the expansion device and the radiation sensor and having an opening towards the expansion device.
  • the radiation sensor can be designed to detect an intensity locally varying within a cross section of the laser beam as an integral value.
  • the radiation sensor can be a large-area photodiode, a large area
  • the radiation sensor comprises an absorption body and a temperature sensor. It is the
  • Temperature sensor thermally coupled to the absorption body.
  • the device includes a light sensor, which detects a small portion of the
  • a collimation device can be arranged between the widening device and the radiation sensor.
  • the collimation device may be a converging lens, an optic consisting of a plurality of lenses, a Fresnel lens, a gradient index lens, or a
  • Concave mirror include.
  • Beam guiding device may be arranged.
  • the beam guiding device can be a light-conducting prism
  • a method for measuring the power and / or the energy of a laser beam is proposed with the following method steps.
  • the angle spectrum of the laser beam is increased by means of a widening device.
  • the laser beam propagates from the expansion device to a
  • Radiation sensor having a receiver surface, wherein the expansion device and the radiation sensor are arranged at a distance from each other on a holder. At least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam is detected by means of the receiver surface of the radiation sensor, wherein a diameter of the propagated laser beam on the receiver surface is greater than one Diameter of the laser beam in the area of the expansion device. An electrical signal is generated by means of the radiation sensor as a function of the power of the laser beam or of the energy of the laser beam.
  • Lens arrays a microlens array, a light-scattering structure, a light-diffractive structure, a convex mirror, a concave mirror, or a facet mirror takes place.
  • the radiation sensor includes an absorption body and a temperature sensor.
  • Receiver surface of the radiation sensor is effected by absorbing the majority of the incident on the receiver surface laser beam by means of the absorption body. Generating the electrical signal in
  • Dependence on the power or the energy of the laser beam is effected by the temperature sensor, which is thermally coupled to the absorption body.
  • Laser beam and to determine before the beginning of the irradiation of the laser beam may also be provided an additional method step to detect a small proportion of the laser beam or a scattered light portion of the laser beam by means of a light sensor.
  • Light sensor determined. Finally, a power of the laser beam is determined by dividing energy and irradiation time.
  • the propagation of the laser beam from the expansion device to the radiation sensor can take place in two sections. Between the two sections, the angular spectrum of the propagating laser beam is reduced by means of a collimation device, which is arranged between the widening device and the radiation sensor.
  • Radiation sensor is arranged.
  • Figure 1 A schematic representation of a first embodiment of
  • Figure 2 A schematic representation of a second embodiment of the
  • Figure 4 A schematic representation of an embodiment of the second
  • Embodiment of the invention in which the expansion device as Diverging lens is formed, and the collimation device is designed as a converging lens.
  • Figure 5 An illustration of another embodiment of the first
  • the radiation sensor is exemplary as
  • FIG. 6 an illustration of a further exemplary embodiment of the second
  • Embodiment of the invention with a lens array as
  • Figure 7 An illustration of yet another embodiment of the second
  • Embodiment of the invention with a convex mirror as a widening device, with a concave mirror as
  • FIG. 8 shows a representation of an embodiment of the invention similar to that in FIG.
  • Expander is designed as a facet mirror.
  • Figure 9 A representation of an embodiment of the invention as
  • the holder is designed as a housing and an electronic processing unit and an interface is integrated in the housing.
  • Figure 10 A representation of another embodiment of the invention as a compact measuring device similar to the embodiment shown in Figure 9.
  • the collimation device is designed here as optics with several converging lenses.
  • the expansion device comprises a light-scattering structure to increase the angular spectrum of the radiation.
  • FIG. 11a a schematic representation of a third embodiment of the invention
  • FIG. 11b shows a representation of a third embodiment of the invention, as in FIG. 11a, with an obliquely incident laser beam emitted by the
  • Beam guiding device on the central region of
  • FIG. 12 a representation of a further exemplary embodiment of the third
  • Embodiment of the invention in which the beam guiding device reduces the angular spectrum of the radiation by deflecting partial regions of the propagating laser beam.
  • FIG. 13 shows a schematic illustration of a fourth embodiment of the invention
  • Beam guiding device and is designed as a collimation device.
  • FIG. 14 A representation of a further exemplary embodiment of the first
  • the radiation sensor is an absorption body in the form of a hollow body with a conical
  • Receiver surface comprises.
  • FIG. 15 an illustration of another embodiment of the first embodiment
  • FIG. 16 A representation of yet another example of the first
  • the radiation sensor includes an absorbent body in the form of a hollow cylinder, and wherein the radiation sensor is equipped with a cooling device.
  • FIG. 17 is an illustration of another embodiment of the second embodiment
  • Embodiment of the invention in which the radiation sensor is equipped with a cooling device.
  • FIG. 1 shows a first possible embodiment of the invention in one
  • a radiation sensor 40 with a receiver surface 41 For measuring the energy or the power of a laser beam 10, a radiation sensor 40 with a receiver surface 41
  • Expander 30 arranged.
  • the expansion device 30 and the radiation sensor 40 are fastened to a holder 20.
  • Widening device 30 increases the angular spectrum of the laser beam 10. After passing through the widening device 30, the laser beam 11 propagates with a growing beam cross-section and strikes with a diameter 14 on the
  • the receiver surface 41 captures at least 90% of the cross section of the propagated laser beam 11.
  • the diameter 14 of the laser beam 11 on the receiver surface 41 is greater than the diameter 13 of the laser beam 10 in the region of the expander 30. Without the expander 30th
  • the laser beam 16 would not grow in cross section and would therefore have a very small diameter 17 in the region of the radiation sensor 40.
  • the radiation sensor 40 generates
  • FIG. 2 shows a second possible embodiment of the invention is shown schematically. This embodiment comprises all elements and features of the first embodiment shown in FIG. In addition, in the second embodiment, a collimation device 36 is provided between the
  • Expander 30 and the radiation sensor 40 is arranged.
  • Collimation device 36 is also attached to the bracket 20.
  • Widening device 30 and the collimation device 36 have a distance 26 from each other.
  • the collimation device 36 and the radiation sensor 40 are arranged at a distance 27 from one another.
  • the collimation device 36 reduces the angular spectrum of the propagated laser beam 11.
  • the laser beam 12 propagates further and strikes the receiver surface 41 of the radiation sensor 40
  • FIG. 3 shows an exemplary embodiment of the first embodiment shown in FIG.
  • the expander 30 is implemented in this example as a converging lens with a very short focal length.
  • the laser beam 10 is focused by the converging lens and propagates strongly after focusing
  • the propagated laser beam 11 strikes the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 with a large diameter 14.
  • FIG. 4 shows an exemplary embodiment of the second one shown in FIG.
  • the expander 30 is implemented as a very short focal length diverging lens.
  • the collimating device 36 is implemented as a converging lens.
  • FIG. 5 shows a further exemplary embodiment of the first embodiment shown in FIG.
  • the expansion device 30 is designed in this example as a lens array.
  • the individual lenses of the lens array can, as shown in the drawing, have a convex shape.
  • FIG. 5 shows an example of the design of the radiation sensor 40.
  • the radiation sensor 40 here includes an absorption body 44 and a temperature sensor 46, which is thermally coupled to the absorption body 44.
  • the receiver surface 41 is a surface of the absorption body 44 and has the highest possible
  • Absorption body 44 increases.
  • the temperature of the absorption body 44 is detected by the temperature sensor 46.
  • the temperature sensor 46 generates the electrical signal 47.
  • FIG. 5 Another embodiment of the second embodiment of the invention is shown in FIG. Similar to FIG. 5, the expansion device 30 is designed as a lens array in this example.
  • the second embodiment also has a collimation device 36.
  • the collimation device 36 is implemented in this example as a concave mirror.
  • Fig. 7 shows another example of the second embodiment.
  • the collimation device 36 is designed as a concave mirror.
  • Expander 30 is a convex mirror in this example.
  • the holder 20 is formed as a housing, which the expansion device 30, the Collimating means 36 and the radiation sensor 40 encloses.
  • the housing has an opening toward the widening device 30, through which the laser beam 10 can strike the widening device 30.
  • FIG. 1 Yet another example of the second embodiment is shown in FIG. This example is similar to the example shown in FIG.
  • Expander 30 which in this example is not a convex mirror, but a facet mirror.
  • the individual facets of the facet mirror can have a convex shape.
  • Figure 9 shows schematically an embodiment of the second embodiment of the invention as a separate measuring device.
  • the expansion device 30 is designed in this example as a lens array.
  • the individual lenses of the lens array, as indicated in Figure 9, have a concave shape.
  • the collimating device 36 is implemented as a converging lens.
  • the radiation sensor 40 includes an absorbent body 44 and a
  • Temperature sensor 46 which is thermally coupled to the absorption body 44 for detecting the temperature of the radiation sensor 40. It is a second
  • Temperature sensor 48 is provided which detects a second temperature in the vicinity of the radiation sensor 40.
  • the second temperature sensor 48 may be thermally coupled to the housing.
  • a light sensor 56 is provided which registers a fraction of the laser beam 10, 11, 12 directed onto the radiation sensor 40.
  • the light sensor 56 is arranged laterally between the collimation device 36 and the radiation sensor 40, so that at least a part of the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 in
  • the light sensor 56 is thus able to detect scattered light, which is generated at the receiver surface 41 to a small extent.
  • the signals of the temperature sensor 46, the second temperature sensor 48 and the light sensor 56 are registered and processed by an electronic computing unit 60. The of the
  • the holder 20 is designed here as a housing, which the expansion device 30, the collimation device 36, the radiation sensor 40, the second
  • Temperature sensor 48, the light sensor 56, the electronic processing unit 60, and the interface 62 includes.
  • the housing has an opening through which the
  • Laser beam 10 may fall on the expansion device 30.
  • FIG. 10 shows a further exemplary embodiment as an independent measuring device.
  • the widening device 30 in this example has a light-scattering structure 31 for increasing the
  • the collimation device 36 is designed as an optical system consisting of two converging lenses 37.
  • FIGS. 11a and 11b show a third possible embodiment of the invention in a schematic representation. This embodiment comprises all elements of the first embodiment shown in FIG.
  • a beam guiding device 33 is provided in addition, which between the
  • Expander 30 and the radiation sensor 40 is arranged.
  • Beam guiding device 33 may be, for example, a prism, on the side surfaces of which portions of the propagating laser beam 11 can be deflected by total reflection. In the embodiment shown is the
  • Beam guiding device 33 dimensioned so that the beam guiding device 33 is ineffective when the laser beam 10 is axially aligned, as shown in Figure 11a. If the laser beam is irradiated obliquely, that is, the laser beam 10 has an angle to the optical axis 39 of the device, as shown in Figure 11 b, then a portion of the propagating laser beam 11 in
  • the beam guiding device 33 is dimensioned such that lateral regions of the propagating laser beam 11 with large angles to the beam axis by reflection at the side surfaces of the
  • FIG. 13 shows a fourth possible embodiment of the invention in a schematic representation. In this embodiment, the integrated
  • Expander 30 multiple functions in one component.
  • the expansion device 30 has a light-scattering structure 31 on the front surface or on the beam entry surface of the expansion device 30.
  • the light-scattering structure 31 causes the angular spectrum of the light source to increase
  • the side surfaces of the expansion device 30 have a slope and / or a curvature, so that the reflected radiation on the side surfaces of the propagating laser beam 11 to the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 are deflected and the angle of the deflected
  • Widening device 30 in this embodiment at the same time the function as a beam guiding device and at least partially as a collimation.
  • the mode of operation of the device corresponds to the first embodiment shown in FIG.
  • FIG. 14 schematically shows a further exemplary embodiment of the first embodiment.
  • the radiation sensor 40 includes an absorption body 44 and a temperature sensor 46 connected to the
  • Absorption body 44 is thermally coupled.
  • the absorption body 44 is designed as a cavity absorber, in this example as a hollow cone or inner cone, whereby the receiver surface 41 is enlarged and the cross section of the propagated laser beam 11 is distributed over a larger area.
  • a light sensor 56 is provided, which receives a portion of the at the receiver surface 41 partially scattered laser beam 11. The signals from temperature sensor 46 and from
  • FIG. 15 shows still another embodiment of the first embodiment. Similar to FIG. 14, the absorption body 44 is designed as a cavity absorber, in this example as a hollow cylinder. A subsection 42 of the
  • Receiver surface 41 here the base of the hollow cylinder, is formed reflecting or partially reflecting. This will affect the incident in this area
  • Hollow cylinder is provided for this purpose with a flat cone shape.
  • a display device 64 is provided in this example, by means of which the data determined by the electronic processing unit 60 can be displayed.
  • FIG. 16 The radiation sensor 40 is exemplified similarly as in the example shown in FIG.
  • a cooling device 70 is provided. About one
  • Coolant inlet 72 a coolant 77 is introduced into the cooling device 70, flows through the absorption body 44 of the radiation sensor 40, and is discharged via a coolant outlet 74.
  • the coolant 77 is passed through pipes,
  • Temperature sensor 46 is located downstream relative to the coolant flow direction where the heated coolant exits absorption body 44, thus registering the temperature of the heated coolant.
  • Temperature sensor 48 is located upstream before the coolant is passed into the absorption body 44, and thus registers the flow temperature of the coolant 77.
  • the flow rate of the coolant 77 can be determined by means of a flow sensor, not shown. From the difference between the temperature sensors 46 and 48 measured temperatures and the
  • the power of the laser beam 10 is determined.
  • FIG. 17 shows an embodiment for continuous measurement of the second embodiment.
  • the cooling device 70 corresponds to the example shown in FIG. 16.
  • a simple flat absorption body 44 is provided here.
  • the absorption body 44 thus has a low thermal mass, whereby the response time of the temperature change, ie the signal from the temperature sensor 46 is reduced.
  • the temperature sensor 46 of the radiation sensor 40 is downstream of the coolant outlet of the
  • Absorbent body 44 is disposed, and the second temperature sensor 48 is disposed upstream of the absorbent body. For optimal absorption of the radiation on the receiver surface 41 is in front of the radiation sensor 40 a
  • Collimation device 36 is provided, by means of which the angular spectrum of the propagated laser beam 11 is reduced.
  • the collimation device 36 is in In this example, a converging lens, which collimates the propagating laser beam 11, so that the further propagating laser beam 2 substantially substantially perpendicular to the receiver surface 41 strikes.
  • the angular spectrum of the laser beam 10 has previously been increased by means of the widening device 30.
  • the signals of the temperature sensors 46 and 48 are recorded and processed by the electronic processing unit 60.
  • the calculated data is transmitted via an interface 62 to an external device.
  • a solution to the problem is to provide a simple method and apparatus for directly and accurately measuring the power and / or energy of a laser beam, which enables measurement even in areas near the beam focus.
  • a device which includes a holder 20, a widening device 30 and a radiation sensor 40 with a receiver surface 41.
  • Radiation sensor 40 are arranged by means of the holder 20 at a distance 25 from each other.
  • the device is intended to catch a laser beam 10.
  • the laser beam 10 initially strikes the widening device 30.
  • the laser beam 10 has a diameter 13 in the region of the widening device 30
  • Widening device 30 increases the angular spectrum of the laser beam 10.
  • the term angular spectrum means the distribution width of the angles of all partial beams of the laser beam to the beam axis.
  • the propagated laser beam 11 strikes the receiver surface 41 of the radiation sensor 40.
  • the laser beam 11 has a diameter 14 on the receiver surface 41.
  • the diameter 14 on the receiver surface 41 is greater than the diameter 13 of the laser beam 10 in the region of the expansion device 30 of the radiation sensor 40 encloses at least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam 11. In a round Beam cross section of the laser beam 10, 11 is therefore the diameter of the
  • Receiver surface 41 is greater than or equal to 0.95 times the
  • the radiation sensor 40 generates an electrical signal 47, which is dependent on the power or the energy of the laser beam 10, 11. The power or energy value of the laser beam 10, 11 is determined from the electrical signal 47.
  • the laser beam 10 can be focused and the device according to the invention can be positioned in the region of the focus of the laser beam 10.
  • the laser beam 10 may have a very small diameter 17 in the region of the focus when the laser beam 10 propagates unhindered, that is to say without expansion device.
  • the virtual propagation of the laser beam 10 without expansion device 30 is shown for example in the figure 1 as dashed lines by the reference numeral 16.
  • the diameter 17 in the focus area can, for example, in the
  • Order of 0.1 mm and the power of the laser beam 10 may be for example 1 kW.
  • the power density is then on the order of about 10 MW / cm 2 .
  • the widening device 30 is arranged at a distance 25 in front of the radiation sensor 40.
  • the widening device 30 increases the angular spectrum of the laser beam 10, that is, the width of the distribution of the angles of all partial beams of the laser beam 11 to the beam axis is greater after passing through the widening device 30.
  • a collimated beam has an angle spectrum of almost zero, or well below 1 °.
  • a laser beam focused by means of a processing optics typically has an angle spectrum of a few degrees.
  • the expansion device 30 can
  • Expander 30 and the radiation sensor 40 may be 50 mm, for example. Then the beam diameter 14 on the receiver surface is just under 9 mm and the power density at 1 kW is less than 2 kW / cm 2 . in the Compared to the above example of the beam in the focus range without increasing the angular spectrum, the power density is thus reduced by almost 4 orders of magnitude. The reduced power density can be processed by many detectors at least for a short time without damage. It is provided in a possible embodiment that the distance 25 between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 is in a range of 10 mm to 200 mm. The distance 25 may be in particular 20 mm to 100 mm.
  • the increase of the angular spectrum by the expansion device 30 may be in a range of +/- 1 ° to +/- 50 0th
  • the increase in the angular spectrum can be in the range of +/- 2 ° to +/- 30 0 in particular.
  • the expansion device 30 can be configured in various ways.
  • the increase of the angle spectrum can be done by refraction, reflection, diffraction, or scattering. It is not necessary that an intensity distribution, a beam profile, or a beam parameter product of the laser beam 10 is maintained, only the integrated over the cross section of the beam total power or total energy must be maintained substantially. All embodiments of the expansion device 30 have in common that the laser beam 10, the
  • Absorbance of the expansion device 30 is less than one percent. If the expansion device 30 is a transmitting optical component, then the transmittance is greater than 90%, preferably greater than 99%. For this purpose, the jet entry and exit surfaces of the expansion device 30 may be provided with an anti-reflective coating. If the expander 30 is a reflective optical component, then the reflectance is greater than 99%.
  • the expansion device 30 may be, for example, an optical lens.
  • the focal length of the optical lens is a fraction of the distance 25 between the expander 30 and the radiation sensor 40. It is contemplated that the amount of the focal length of the optical lens is at most 1/3 of the distance 25.
  • the optical lens may be a concave lens or a convex lens, i. a diverging lens or a condenser lens. The advantage of a
  • Diverging lens is that with the same focal length of the lens the distance 25 can be selected to be somewhat shorter in order to achieve an equally enlarged beam diameter 14 on the receiver surface 41.
  • An example of an embodiment of the expansion device 30 as a converging lens is shown in FIG. 3, while FIG. 4 shows a diverging lens as a widening device 30.
  • the expander 30 may also be a lens array or a microlens array, i. the widening device 30 in this embodiment comprises a plurality of individual lens elements arranged next to one another.
  • the peculiarity of using a lens array as expansion device 30 is that it can be used to increase the angular spectrum whose angular distribution width does not depend on the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30, if the lateral dimensions of the individual lens elements of the lens array are chosen small enough.
  • the lateral dimension or the width of the individual lens elements can be selected to be smaller or at most equal to the diameter 13 of the laser beam 10 in the region of the expansion device 30.
  • the width of the individual lens elements may for example be in the range of 0.1 mm to 5 mm.
  • Focal length of the individual lens elements may be in the range of 0.3 mm to 20 mm.
  • the ratio of the amount of the focal length of the individual lens elements to the width of the individual lens elements may, for example, be in the range of 2 to 30.
  • Single lens elements of the lens array may have a positive or a negative refractive power, i. the surfaces of the individual lens elements may be convex or concave.
  • Embodiments for a convex lens array are shown in FIGS. 5 and 6, while the expansion device 30 in FIGS. 9 and 14 to 17 is designed as a concave lens array.
  • the expansion device 30 can also have a light-scattering structure 31.
  • the light-diffusing structure 31 scatters the radiation of the laser beam 10 in
  • the light-diffusing structure 31 may be made, for example, as an interface of an optically transparent material having a roughness or waviness. At the unevennesses of the rough or wavy boundary surface, the radiation is deflected by refraction into different angles.
  • the light-diffusing structure 31 may also be, for example, a locally varying refractive index structure. The enlargement of the angle spectrum by the expansion device 30 can also be achieved by means of diffraction.
  • the widening device 30 may have a light-diffractive structure.
  • the diffractive structure may, for example, be applied to an interface of the expander 30 by lithographic techniques.
  • the expansion device 30 may also be a diffuser.
  • diffusers usually optical components are referred to, which redirect the incident radiation into different statistically distributed angle. As already explained, this can be achieved, for example, by means of a light-scattering structure 31 or by means of a light-diffractive structure.
  • the widening device 30 can also be a concave mirror or a convex mirror.
  • the difference to using an optical lens is that the beam path is folded. It is provided that the amount of the radius of curvature of the concave or convex mirror is at most 2/3 of the distance 25 between the expansion device 30 and the radiation sensor 40.
  • FIG. 7 shows an exemplary embodiment of a convex mirror
  • the expander 30 may also be a facet mirror. At a
  • Facet mirrors are arranged several single facets next to each other.
  • Single facets of the facet mirror can be convex or concave.
  • Similar to a lens array can be with a faceted mirror as
  • Widening means 30 an increase in the angular spectrum can be achieved, the angular distribution width is not dependent on the diameter 13 of the laser beam 10 in the region of the expansion device 30 when the lateral
  • Figure 8 shows an embodiment in which a facet mirror as
  • Expander 30 is used.
  • the radiation sensor 40 various detectors can be used.
  • the radiation sensor 40 has a receiver surface 41.
  • the receiver surface 41 is sufficiently large so that the entire beam cross section of the laser beam 10, 11, 12 or at least 90% of the cross-sectional area of the laser beam from the
  • Receiver surface 41 is detected. Within the cross section of the laser beam is the Intensity of radiation usually location-dependent. Many laser beams have an approximately Gaussian intensity distribution. The intensity distribution in the
  • the radiation sensor 40 detects the entire or at least almost the entire cross section of the beam and therefore generates a signal value corresponding to the
  • Integral value of the intensity distribution corresponds.
  • the integral value of the intensity distribution corresponds.
  • Intensity distribution is the on-integrated over the receiver surface intensity of the laser beam 10, 11, 12.
  • the signal value is thus dependent on the total power or the total energy of the laser beam.
  • the signal value is output as electrical signal 47.
  • the radiation sensor 40 may be, for example, a large-area photodiode or a large-area semiconductor sensor.
  • the radiation sensor 40 may also be a pyroelectric detector or a pyrometer.
  • the radiation sensor 40 may also be a so-called thermopile, i. a thermopile or thermal chain coupled to an absorption layer.
  • the radiation sensor 40 can also be designed as a calorimetric sensor.
  • the radiation sensor 40 comprises an absorption body 44 and a temperature sensor 46.
  • the temperature sensor 46 is thermally coupled to the absorption body 44 in order to detect the temperature of the absorption body 44.
  • the receiver surface 41 is a surface of the absorption body 44.
  • the receiver surface 41 has a high degree of absorption. This can be the
  • Receiver surface be coated black or absorbent.
  • the receiver surface 41 may also have a structuring, for example a groove pattern.
  • the incident on the receiver surface 41 laser beam 10, 11, 12 is largely absorbed and converted into heat. This increases the temperature of the
  • Temperature sensor 46 generates the electrical signal 47.
  • the radiation sensor 40 or the absorption body 44 is thermally insulated on the holder 20 or in the housing 20 formed as a housing. These are the
  • Supporting elements which are connected to the radiation sensor 40 and the absorption body 44 for example, made of a thermally low conductive material. Due to the thermally insulated attachment become uncontrolled Heat flows from the absorbent body 44 into the environment, which can reduce the accuracy of the measurement, reduced.
  • the level of the generated signal is slightly dependent on the beam position on the detector and the angle of incidence of the beam on the detector. In order to achieve a high accuracy in the measurement, it must therefore be ensured that the beam impinges on the detector as axially symmetrically as possible or centrally, and that the angle of incidence deviates as little as possible from the perpendicular incidence.
  • a collimatlon device 36 is therefore arranged in a further possible embodiment of the invention between the widening device 30 and the radiation sensor 40, as shown schematically in FIG.
  • the collimation device 36 is arranged at a distance 26 from the expansion device 30.
  • the collimation device 36 reduces the angular spectrum of the propagating laser beam 11, which was previously increased by the expansion device 30. This ensures that the angles of all partial beams of the laser beam to the beam axis after passing through the collimation device 36 are as small as possible.
  • the propagating after the collimation 36 laser beam which is shown as shown in Figure 2 in this area by the reference numeral 12, thus retains its cross section or
  • the collimation device 36 may, for example, a converging lens or ,
  • the collimation device has a positive focal length f.
  • the focal length of the collimation device 36 may be greater than or equal to the distance 26 between the expansion device 30 and the collimation device 36, ie: ⁇ ⁇ d A K
  • f K is the focal length of the collimation device 36
  • d A « is the distance 26 between the expansion device 30 and the collimation device 36. It should be noted that the distance d A « 26 is defined by the expansion device 30 to the main plane (or main surface).
  • the focal length f K of the collimation device 36 may be less than or equal to the following value:
  • 0SA is the diameter 13 of the laser beam 10 in the region of
  • Widening device 30, and 0 S E is the diameter of the laser beam 11, 12 on the receiver surface 41 and in the region of the collimation 36th
  • Figures 4 and 9 show examples with a converging lens as
  • Collimation device 36 In Figure 10 is an optic consisting of two
  • FIGS. 6, 7 and 8 show an example of a concave mirror as collimation device 36.
  • a further possible embodiment of the invention a
  • Beam guiding device 33 is provided, which is arranged between the expansion device 30 and the radiation sensor 40.
  • Beam guiding device 33, the impact position of the beam spot on the receiver surface 41 can be optimized by the beam guiding device 33, the laser beam 11 within a desired cross-section holds.
  • the beam guiding device 33 can be designed, for example, as a light-conducting prism, that is to say as a prism made of a transparent material.
  • the prism has a beam entrance surface, a jet exit surface, and side surfaces.
  • Side surfaces of the prism are partial beams of the laser beam 11, which have a very large angle to the axis, reflected and thus deflected in the direction of the central region of the radiation sensor 40.
  • the reflection on the side surfaces of the prism can be done by total reflection.
  • the side surfaces of the prism can also be mirrored.
  • the beam guiding device 33 may also be a kaleidoscope-like arrangement of mirrors.
  • Figures 11a, 11b and 12 show embodiments of the invention with a beam guiding device 33.
  • the shape of the beam guiding device 33 may, for example, a cylindrical or a tapered bar, or a bar with a triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal, or octagonal cross-sectional area.
  • the side surfaces may be inclined to the axis, that is, the cross section of the beam exit surface may be greater than the cross section of the beam entry surface. Due to the inclination of the side surfaces of the angle to the axis of partial beams of the laser beam 11 is reduced, which are reflected at the side surfaces. This can be the
  • Angle spectrum through the beam guiding device can be optimized by the side surfaces are inclined and additionally have a curvature, as shown by way of example in Figure 13.
  • FIG. 13 shows yet another embodiment of the invention, in which the widening device 30 and the beam guiding device 33 are integrated into one component.
  • the entry surface of the beam guiding device 33 can be designed as a widening device 30.
  • the entrance surface may, for example, be concavely curved, have a surface with arrayed lens facets, or have a light-scattering structure 31.
  • the invention makes it possible to directly measure the power or energy of a laser beam without beam attenuation and can thus achieve a high level of efficiency
  • the invention allows measurements in the focus area of a focused laser beam and thus has a much wider range of applications than conventional measuring devices, because conventional measuring devices must be positioned far out of the focus area to avoid damage to the detector.
  • Radiation sensor can be kept almost constant and close to the vertical incidence irrespective of the entrance angle of the laser beam, whereby particularly accurate and reproducible measurements are possible.
  • Radiation sensor can be independent of the entrance angle and of the
  • the device of the invention can be constructed very compact.
  • the absorption body 44 can be designed in many different ways. Of the
  • Absorbent body may be, for example, a cavity absorber.
  • the cavity can be shaped differently.
  • the absorbent body 44 may be conical or tapered as shown in FIG.
  • the absorbent body 44 may also have a concave receiver surface.
  • the absorption body 44 may also be a hollow cylinder open on one side, as shown in FIGS. 15 and 16. It may be provided to absorb the radiation mainly on the cylindrical inner surfaces of a hollow cylinder.
  • a portion 42 of the receiver surface 41 may be reflective.
  • the reflective portion 42 may be in the region of the base surface or bottom surface of the hollow cylinder. The area of the base area or floor area of the
  • Hollow cylinder may have the shape of a flat cone around which there
  • the radiation sensor 40 designed as a calorimetric sensor can also be equipped with a cooling device 70.
  • a coolant 77 is supplied through a coolant inlet 72 and through a
  • Coolant outlet 74 discharged. Between coolant inlet 72 and coolant Outlet 74, the coolant 77 is passed through a system of pipes, bores, channels or other cavities, which are at least partially in thermal contact with the absorbent body 44, or through the
  • the coolant 77 thus absorbs the heat of the
  • the temperature sensor 46 is disposed at a position where the coolant 77 is discharged from the absorption body 44, and thus registers the temperature of the warmed-up coolant.
  • the invention may further include a second temperature sensor 48.
  • the second temperature sensor 48 is disposed in the vicinity of the radiation sensor 40 and is not thermally coupled to the absorption body 44. The second temperature sensor 48 thus detects a second temperature in the vicinity of the radiation sensor 40 or the absorption body 44.
  • temperature sensor 48 can be fastened to holder 20 or to or in holder 20 designed as a housing, as shown in FIG. By detecting the second temperature, the temperature increase of the
  • Absorbing body 44 from which the power or the energy of the laser beam is calculated, to be determined more accurately.
  • Absorbing body 44 are estimated in the environment and thus the
  • the second temperature sensor 48 may be disposed at a location in the coolant supply before the coolant is introduced into the absorption body 44. The second temperature sensor 48 thus detects the base temperature or
  • Temperature sensor 46 and second temperature sensor 48 thus the heat dissipated and thus the power of the laser beam 10, 11, 12 are determined.
  • the device according to the invention can furthermore be equipped with a light sensor 56.
  • the light sensor 56 is designed to detect a small amount of radiation formed by the laser beam 10, 11, 12.
  • At the low Radiation component may be, for example, scattered light 19, which is generated to a small extent on the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 when the laser beam 10, 11, 12 strikes the receiver surface 41.
  • Light sensor 56 may be arranged such that the receiver surface 41 lies at least partially in the geometrical-optical light detection region of the light sensor 56.
  • the light sensor 56 can, for example, on the holder 20 or in the housing in the region between the expansion device 30 and the
  • the signal of the light sensor 56 is approximately proportional to the power of the incident laser beam 10.
  • Photodiode can be used.
  • a photodiode has a very short signal rise time and thus provides signals with a very high temporal resolution. Based on the signal of the light sensor 56, the beginning and the end of a pulse or an irradiation period of the laser beam 10 can be registered very accurately. Thus, the power of the laser beam 10 can be determined with even higher accuracy.
  • the device may be equipped with an electronic computing unit 60.
  • the electronic processing unit 60 processes the electrical signal 47 of the
  • the electronic processing unit may optionally also the signals of the second temperature sensor 48 and the light sensor 56th
  • the processing of the signals may, for example, the A / D conversion and storage of the signals and / or the
  • Calculation of the power or the energy of the laser beam 10 include.
  • the device may further be equipped with a display device 64.
  • the display device By means of the display device, the calculated data, ie the power or the energy of the laser beam 10 can be displayed.
  • the device may also be equipped with an interface 62.
  • the interface 62 By means of the interface 62, the calculated data, for example the power or the energy of the laser beam, or the recorded signals can be transmitted to an external device. Via the interface 62 also control commands between the device and an external device can be exchanged.
  • the interface 62 may be an electrical interface with a connector, such as a USB interface.
  • the interface 62 may also be a wireless interface, which allows data transmission by means of radio signals, for example a so-called Bluetooth interface.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten und präzisen Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls, welche eine Messung auch in Bereichen nahe des Fokus eines Laserstrahls ermöglichen. Es wird dazu eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Strahlungssensor, eine Aufweitungseinrichtung, und eine Halterung beinhaltet. Der Strahlungssensor hat eine Empfängerfläche und ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals ausgebildet, welches von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls abhängig ist. Die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor sind mit einem Abstand zueinander an der Halterung angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, das Winkelspektrum des Laserstrahls zu erhöhen. Der Laserstrahl propagiert mit erhöhtem Winkelspektrum zum Strahlungssensor. Ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche ist größer als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Die Empfängerfläche des Strahlungssensors umschließt wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls.

Description

Strahlleistungsmessung mit Aufweitung
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls. Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistungsdichte, beispielsweise von fokussierten Laserstrahlen im Bereich des Laserstrahl-Fokus.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Vorrichtungen zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls sind in großer Zahl und mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien bekannt. Eine Möglichkeit zur Messung der Leistung oder Energie eines Laserstrahls ist die Verwendung einer Fotodiode. Beispielhaft wird auf das Patent US 3 687 558 verwiesen, in dem ein Laser-Leistungs-Energie-Messgerät mit einer Fotodiode und einer elektronischen Schaltung offenbart wird. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere zur Messung geringer Strahlungsleistungen geeignet. Bei höheren Leistungsdichten kann eine Fotodiode rasch in Sättigung geraten oder sogar zerstört werden.
Bei höheren Strahlleistungen wird daher üblicherweise indirekt gemessen, d.h. der Strahl trifft nicht direkt oder nicht mit seinem ganzen Querschnitt auf den Detektor. Eine Möglichkeit der indirekten Messung besteht darin, den Laserstrahl zunächst abzuschwächen, wie dies beispielsweise in der DE 100 12 536 A1 gezeigt wird. In der dort vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Lichtstrahls ist ein lichtaufnehmendes Fenster und eine Einrichtung zum Streuen und
Abschwächen des Lichts vor dem Detektor vorgesehen. Da der Detektor hierbei nur einen kleinen Teil des eingestrahlten Lichts erfasst, muss ein hoher Aufwand getrieben werden, um die Empfindlichkeit des erfassten Wertes von der Lage und dem Winkel des Lichtstrahls auf dem lichtaufnehmenden Fenster gering zu halten.
Bestätigungskopiel Zudem wird die abgeschwächte Strahlleistung überwiegend in Wärme umgewandelt, was die Genauigkeit beeinträchtigen kann, da die Empfindlichkeit von Halbleiter- Sensoren im Allgemeinen temperaturabhängig ist, zum Beispiel aufgrund des temperaturabhängigen Dunkelstroms. Eine weitere übliche Methode zur indirekten Messung ist das Auskoppeln eines kleinen Strahl-Anteils für die Messung. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DE 43 36 589 C1 dargestellt. Dort wird ein Laserleistungsmessgerät offenbart, bei dem ein hoch transmittierender Strahlteiler einen Bruchteil des Laserstrahls zum Sensor hin reflektiert. Problematisch ist hierbei die Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Polarisation und vom Einfallswinkel des Laserstrahls, so dass eine Kalibration und damit eine genaue Messung schwierig sind. Zur Lösung des Problems der
Polarisations-Abhängigkeit wird in einer zweiten Ausführungsform der DE 43 36 589 C1 vorgeschlagen, nacheinander zwei Strahlteiler gleicher Spezifikation anzuordnen, wobei die zweite Ablenkung in einer Ebene senkrecht zur ersten Ablenkung erfolgt. Das Problem der Winkelabhängigkeit bleibt jedoch bestehen, weshalb die
Vorrichtung nur für kollimierte Strahlung geeignet ist und exakt ausgerichtet werden muss.
Eine weiterentwickelte Vorrichtung ähnlicher Art mit mehreren Reflexionen in verschiedenen Ebenen zeigt die DE 10 2012 106 779 B4. In der dort offenbarten Optik für Strahlvermessung werden drei teilreflektierende Spiegel verwendet, um die Polarisationsabhängigkeit und zusätzlich die Winkelabhängigkeit der Reflexion zu kompensieren, so dass eine Messung auch an divergenter Strahlung möglich ist. Die dort offenbarte Vorrichtung ist jedoch in erster Linie für die geometrische
Strahlvermessung vorgesehen, d.h. zur Messung von Intensitätsprofilen und zur Bestimmung von Strahlparametern, und weniger geeignet zur Bestimmung der Gesamtleistung eines Strahls.
Eine Messung der Gesamt-Strahlungsleistung mit Vorrichtungen, bei denen der Strahl stark abgeschwächt wird, ist immer in der Genauigkeit begrenzt. Zum einen ist eine aufwändige Kalibration erforderlich, welche die Messgenauigkeit beschränkt, und zum anderen können bereits kleine Parameter-Abweichungen bei den beteiligten Elementen den Abschwächungsfaktor beeinflussen und wegen des hohen Abschwächungsfaktors zu deutlichen Änderungen der Empfindlichkeit der
Messvorrichtung führen.
Bezüglich der erreichbaren Genauigkeit können daher direkte Messverfahren im Vorteil sein. Hohe Genauigkeiten sind mit kalorimetrischen Verfahren erreichbar, bei denen die auf einen Detektor auftreffende Laserstrahlung im Wesentlichen in Wärme umgesetzt wird und die Temperaturänderungen, die sich ausbildenden
Temperaturgradienten, oder die abgeführten Wärmeströme gemessen werden.
Damit können prinzipiell auch sehr hohe Leistungen gemessen werden, wenn für eine ausreichende Kühlung des Detektors gesorgt ist. So ist beispielsweise in der DE 10 2014 012 913 A1 eine Energiestrahl-Leistungsmessung offenbart, bei der die Energiestrahlung von einem Absorber aufgefangen wird und der Absorber mittels eines stationären Fluid-Durchflusses gekühlt wird. Aus der Temperaturerhöhung im Kühlfluid im Vergleich zu einer Temperaturerhöhung des Fluides durch elektrische Heizung wird die Strahlleistung bestimmt. Es können damit sehr hohe Leistungen gemessen werden, jedoch muss die Leistung im Absorber verteilt werden, damit keine lokale Überhitzung und eventuelle Beschädigung des Absorbers stattfindet. Eine Messung im Bereich eines Strahlfokus ist daher nicht möglich.
Ein Beispiel für ein Laserleistungsmessgerät mit einem luftgekühlten Messkopf zeigt das Patent US 5 678 924. Der Messkopf enthält eine Auffangscheibe in thermischem Kontakt zu einer Wärmesenke. Bei Bestrahlung der Auffangscheibe bildet sich in der Auffangscheibe ein Temperaturgradient aus, der mit einer Anordnung von
Thermoelementen ermittelt wird. Die Messkopf-Anordnung baut aufgrund der Wärmesenke und der Luftkühlung mit Ventilatoren relativ groß auf, so dass eine Anwendung bei begrenzten Platzverhältnissen schwierig ist. Bei einer Anwendung im Bereich eines Strahlfokus kann die Auffangscheibe lokal überhitzen und beschädigt werden.
Kalorimetrische Messgeräte können wesentlich kompakter gebaut werden, wenn sie nach dem ballistischen Prinzip arbeiten. Auf eine aktive Kühlung wird dabei verzichtet und die Messung wird auf einen kurzen Zeitraum begrenzt. Aus der Temperaturerhöhung des Auffangkörpers bzw. des Absorbers kann die Energie oder die Leistung ermittelt werden. Die DE 102 53 905 A1 und die US 7 077 564 B2 zeigen typische Vertreter einer solchen Messgeräte-Gattung. Da der Strahl dabei direkt auf den Absorber trifft, ist eine Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung nicht im Bereich eines Strahlfokus möglich, da der Absorber durch Überhitzung punktuell beschädigt werden kann.
Bei der direkten Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung oder hoher
Leistungsdichte besteht also grundsätzlich das Problem, dass die Vorrichtung oder der Sensor beschädigt werden kann. Bei praktisch allen bekannten Messgeräten muss deshalb darauf geachtet werden, dass der Laserstrahl auf dem Detektor eine bestimmte Leistungsdichte nicht überschreitet. Dazu muss der Laserstrahl einen gewissen Mindest-Durchmesser aufweisen, dessen Größe u.a. von der
Zerstörschwelle des Detektors und von der Leistung des Laserstrahls abhängig ist. Dazu wird das Messgerät üblicherweise im divergenten Strahl in einem ausreichend großen Abstand von einem Strahl-Fokus angeordnet. Dies ist bei Messungen an experimentellen Aufbauten in einem Labor oftmals möglich oder zumindest durch partielle Änderungen im Aufbau erreichbar. Eine wichtige Anwendung von Laserleistungs-Messgeräten ist die Einrichtung und regelmäßige Prüfung oder Kontrolle der Leistung oder Energie eines Laserstrahls in Lasermaterialbearbeitungsanlagen. Dabei ist die Leistung oder Energie des Strahls am Bearbeitungsort von Interesse, wo der Strahl meist fokussiert ist und somit besonders hohe Leistungsdichten auftreten. Mit handelsüblichen Messköpfen ist an dieser Stelle daher keine Messung möglich; andere Messpositionen, an denen der Laserstrahl aufgrund seiner Divergenz auf einen ausreichenden Durchmesser angewachsen ist, sind in Lasermaterialbearbeitungsanlagen oftmals nicht
zugänglich.
Es besteht somit Bedarf an einem einfachen, kompakten Laserleistungs-Messgerät, welches die direkte und präzise Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls auch in Bereichen nahe des Strahlfokus ermöglicht.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, welche für direkte und genaue Messungen auch im Fokus-Bereich eines Laserstrahls geeignet sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls vorgeschlagen, die einen Strahlungssensor, eine Aufweitungseinrichtung, und eine Halterung beinhaltet. Dabei weist der
Strahlungssensor eine Empfängerfläche auf und ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals ausgebildet, welches von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls abhängig ist. Die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor sind mit einem Abstand zueinander an der Halterung angeordnet, so dass der Laserstrahl zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor propagiert. Die Aufweitungseinrichtung ist dazu ausgebildet, das Winkelspektrum des Laserstrahls zu erhöhen. Dabei ist ein Durchmesser des propagierten
Laserstrahls auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors größer als ein
Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Weiterhin umschließt die Empfängerfläche des Strahlungssensors wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls.
Es ist eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der die
Aufweitungseinrichtung eine Zerstreuungslinse oder eine Sammellinse ist.
Die Aufweitungseinrichtung kann auch ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array sein.
In einer möglichen Ausführungsform weist die Aufweitungseinrichtung eine lichtstreuende Struktur oder eine lichtbeugende Struktur auf.
Die Aufweitungseinrichtung kann auch ein Konvexspiegel, ein Hohlspiegel, oder ein Facettenspiegel sein. In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Halterung ausgebildet als ein
Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung und den Strahlungssensor umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung aufweist.
Der Strahlungssensor kann dazu ausgebildet sein, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen. Der Strahlungssensor kann eine großflächige Fotodiode, ein großflächiger
Halbleitersensor, ein pyroelektrischer Detektor, ein Thermopile, oder ein Pyrometer sein.
In einer möglichen Ausführungsform der Vorrichtung umfasst der Strahlungssensor einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor. Dabei ist der
Temperatursensor mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt.
Es ist auch eine mögliche Ausführungsform vorgesehen, bei der die Vorrichtung einen Lichtsensor beinhaltet, der zur Erfassung eines geringen Anteils des
Laserstrahls oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls ausgebildet ist. In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine Kollimationseinrichtung angeordnet sein.
Die Kollimationseinrichtung kann eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, oder einen
Hohlspiegel umfassen.
In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine
Strahlführungseinrichtung angeordnet sein.
Die Strahlführungseinrichtung kann ein lichtleitendes Prisma, ein
Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel, oder eine Kaleidoskop-artige
Spiegelanordnung sein.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Das Winkelspektrum des Laserstrahls wird mittels einer Aufweitungseinrichtung erhöht. Der Laserstrahl propagiert von der Aufweitungseinrichtung zu einem
Strahlungssensor mit einer Empfängerfläche, wobei die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor mit einem Abstand zueinander an einer Halterung angeordnet sind. Wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls werden mittels der Empfängerfläche des Strahlungssensors erfasst, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Es wird ein elektrisches Signal mittels des Strahlungssensors in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls erzeugt.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem das Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls mittels einer Zerstreuungslinse, einer Sammellinse, eines
Linsenarrays, eines Mikrolinsenarrays, einer lichtstreuenden Struktur, einer lichtbeugenden Struktur, eines Konvexspiegels, eines Hohlspiegels, oder eines Facettenspiegels erfolgt.
In einem möglichen Verfahren wird eine innerhalb eines Querschnitts des
Laserstrahls örtlich variierende Intensität durch den Strahlungssensor als
Integralwert erfasst.
Es ist weiterhin ein Verfahren vorgesehen, bei dem der Strahlungssensor einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor beinhaltet. Das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls mittels der
Empfängerfläche des Strahlungssensors erfolgt dabei durch Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche auftreffenden Laserstrahls mittels des Absorptionskörpers. Das Erzeugen des elektrischen Signals in
Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls erfolgt dabei durch den Temperatursensor, der mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt ist.
In einem weiteren möglichen Verfahren ist vorgesehen, in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine Energie oder eine Leistung des Laserstrahls aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des
Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls zu bestimmen. Es kann auch ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein, einen geringen Anteil des Laserstrahls oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls mittels eines Lichtsensors zu erfassen.
Es ist auch ein mögliches Verfahren vorgesehen, welches die folgenden weiteren Verfahrensschritte beinhaltet. Es wird eine Energie des Laserstrahls aus der
Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls bestimmt. Es wird eine Bestrahlungsdauer des Laserstrahls aus dem Verlauf des Signals des
Lichtsensors bestimmt. Es wird schließlich eine Leistung des Laserstrahls durch Division von Energie und Bestrahlungsdauer bestimmt.
In einem weiteren möglichen Verfahren kann das Propagieren des Laserstrahls von der Aufweitungseinrichtung zum Strahlungssensor in zwei Abschnitten erfolgen. Zwischen den beiden Abschnitten wird das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls verringert mittels einer Kollimationseinrichtung, welche zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor angeordnet ist.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der propagierte Laserstrahl auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors mittels einer Strahlführungseinrichtung zentriert wird, welches zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem
Strahlungssensor angeordnet ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen mehrere in verschiedenen Figuren gezeigten Merkmale kombiniert sein können. Es zeigt:
Figur 1 : Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der
Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung und einem Strahlungssensor.
Figur 2: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der
Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung, einer Kollimationseinrichtung und einem Strahlungssensor.
Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Aufweitungseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
Figur 4: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der zweiten
Ausführungsform der Erfindung, bei der die Aufweitungseinrichtung als Zerstreuungslinse ausgebildet ist, und die Kollimationseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
Figur 5: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der ersten
Ausführungsform der Erfindung mit einem Linsenarray als
Aufweitungseinrichtung. Der Strahlungssensor ist beispielhaft als
Absorptionskörper mit einem Temperatursensor ausgeführt.
Figur 6: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der zweiten
Ausführungsform der Erfindung, mit einem Linsenarray als
Aufweitungseinrichtung und mit einem Hohlspiegel als
Kollimationseinrichtung.
Figur 7: Eine Darstellung noch eines weiteren Ausführungsbeispiels der zweiten
Ausführungsform der Erfindung, mit einem Konvexspiegel als Aufweitungseinrichtung, mit einem Hohlspiegel als
Kollimationseinrichtung, und mit einer als Gehäuse ausgebildeten Halterung.
Figur 8: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ähnlich der in
Figur 7 gezeigten Ausführungsform, wobei hier die
Aufweitungseinrichtung als Facettenspiegel ausgebildet ist.
Figur 9: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als
kompaktes Messgerät, bei dem die Halterung als Gehäuse ausgebildet ist und eine elektronische Recheneinheit sowie eine Schnittstelle in das Gehäuse integriert ist.
Figur 10: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung als kompaktes Messgerät ähnlich der in Figur 9 gezeigten Ausführungsform. Die Kollimationseinrichtung ist hier als Optik mit mehreren Sammellinsen ausgeführt. Die Aufweitungseinrichtung umfasst zur Erhöhung des Winkelspektrums der Strahlung eine lichtstreuende Struktur.
Figur 11a: Eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der
Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung, einer
Strahlführungseinrichtung und einem Strahlungssensor. Figur 11b: Eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung wie in Figur 11a, mit einem schräg einfallenden Laserstrahl, der von der
Strahlführungseinrichtung auf den zentralen Bereich der
Empfängerfläche des Strahlungssensors gelenkt wird. Figur 12: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der dritten
Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strahlführungseinrichtung durch Umlenkung von Teilbereichen des propagierenden Laserstrahls das Winkelspektrum der Strahlung verringert.
Figur 13: Eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der
Erfindung, bei der die Aufweitungseinrichtung gleichzeitig als
Strahlführungseinrichtung und als Kollimationseinrichtung ausgebildet ist.
Figur 14: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der ersten
Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlkörpers mit einer konischen
Empfängerfläche umfasst.
Figur 15: Eine Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der ersten
Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet und ein Teil der Empfängerfläche reflektierend ausgestaltet ist. Figur 16: Eine Darstellung noch eines weiteren Beispiels der ersten
Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet, und bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist.
Figur 17: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der zweiten
Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist. AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
Figur 1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer
schematischen Darstellung. Zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls 10 ist ein Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41
vorgesehen. In einem Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 ist eine
Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der Strahlungssensor 40 sind an einer Halterung 20 befestigt. Die
Aufweitungseinrichtung 30 erhöht das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 11 mit einem wachsenden Strahlquerschnitt und trifft mit einem Durchmesser 14 auf die
Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Empfängerfläche 41 erfasst mindestens 90% des Querschnitts des propagierten Laserstrahls 11. Dabei ist der Durchmesser 14 des Laserstrahls 11 auf der Empfängerfläche 41 größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Ohne die Aufweitungseinrichtung 30 würde der Laserstrahl 16 nicht im Querschnitt anwachsen und würde daher im Bereich des Strahlungssensors 40 einen sehr geringen Durchmesser 17 aufweisen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein
elektrisches Signal 47, das von der Energie oder der Leistung des Laserstrahls 10 bzw. des propagierten Laserstrahls 11 abhängig ist. In Figur 2 ist eine zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente und Merkmale der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich eine Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, die zwischen der
Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die
Kollimationseinrichtung 36 ist ebenfalls an der Halterung 20 befestigt. Die
Aufweitungseinrichtung 30 und die Kollimationseinrichtung 36 haben einen Abstand 26 zueinander. Die Kollimationseinrichtung 36 und der Strahlungssensor 40 sind mit einem Abstand 27 zueinander angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11. Der Laserstrahl 12 propagiert weiter und trifft die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die
Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ausgeführt als eine Sammellinse mit sehr kurzer Brennweite. Der Laserstrahl 10 wird durch die Sammellinse fokussiert und propagiert nach der Fokussierung mit stark
anwachsendem Querschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft mit einem großen Durchmesser 14 auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40.
Figur 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der in Figur 2 gezeigten zweiten
Ausführungsform. In diesem Beispiel ist die Aufweitungseinrichtung 30 ausgeführt als eine Zerstreuungslinse mit sehr kurzer Brennweite. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse.
In Figur 5 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform dargestellt. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in der Zeichnung dargestellt, eine konvexe Form aufweisen. Weiterhin zeigt die Figur 5 ein Beispiel für die Ausführung des Strahlungssensors 40. Der Strahlungssensor 40 beinhaltet hier einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Die Empfängerfläche 41 ist eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44 und weist einen möglichst hohen
Absorptionsgrad auf. Beim Auftreffen des Laserstrahls 10, 11 wird die Strahlleistung im Wesentlichen in Wärme umgewandelt, so dass die Temperatur des
Absorptionskörpers 44 ansteigt. Die Temperatur des Absorptionskörpers 44 wird vom Temperatursensor 46 erfasst. Der Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 6 gezeigt. Ähnlich wie in Figur 5 ist die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel als Linsenarray ausgeführt. Die zweite Ausführungsform weist außerdem eine Kollimationseinrichtung 36 auf. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel ausgeführt als ein Hohlspiegel.
Die Figur 7 zeigt ein anderes Beispiel der zweiten Ausführungsform. Wie in Figur 6 ist die Kollimationseinrichtung 36 als Hohlspiegel ausgeführt. Die
Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ein Konvexspiegel. Die Halterung 20 ist ausgebildet als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36 und den Strahlungssensor 40 umschließt. Das Gehäuse weist zur Aufweitungseinrichtung 30 hin eine Öffnung auf, durch die der Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 treffen kann.
Noch ein weiteres Beispiel der zweiten Ausführungsform ist in Figur 8 dargestellt. Dieses Beispiel gleicht dem in Figur 7 gezeigten Beispiel bis auf die
Aufweitungseinrichtung 30, welche in diesem Beispiel kein Konvexspiegel ist, sondern ein Facettenspiegel. Die Einzelfacetten des Facettenspiegels können eine konvexe Form aufweisen.
Figur 9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung als eigenständiges Messgerät. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in Figur 9 angedeutet, eine konkave Form aufweisen. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse. Wie im Ausführungsbeispiel von Figur 5 beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen
Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist zur Erfassung der Temperatur des Strahlungssensors 40. Es ist ein zweiter
Temperatursensor 48 vorgesehen, der eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 erfasst. Der zweite Temperatursensor 48 kann dazu mit dem Gehäuse thermisch gekoppelt sein. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Bruchteil des auf den Strahlungssensor 40 gerichteten Laserstrahls 10, 11 , 12 registriert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtsensor 56 seitlich zwischen der Kollimationseinrichtung 36 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet, so dass wenigstens ein Teil der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 im
geometrisch-optischen Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 ist somit in der Lage, Streulicht zu erfassen, welches an der Empfängerfläche 41 zu einem geringen Anteil erzeugt wird. Die Signale des Temperatursensors 46, des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56 werden von einer elektronischen Recheneinheit 60 registriert und verarbeitet. Die von der
elektronischen Recheneinheit 60 berechneten Daten wie die Leistung und/oder die Energie des Laserstrahls 10 werden mittels einer Schnittstelle 62 bereitgestellt. Die Halterung 20 ist hier als Gehäuse ausgeführt, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36, den Strahlungssensor 40, den zweiten
Temperatursensor 48, den Lichtsensor 56, die elektronische Recheneinheit 60, und die Schnittstelle 62 beinhaltet. Das Gehäuse hat eine Öffnung, durch die der
Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 fallen kann.
In Figur 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als eigenständiges Messgerät dargestellt. Im Unterschied zum Beispiel aus Figur 9 hat die Aufweitungseinrichtung 30 in diesem Beispiel eine lichtstreuende Struktur 31 zur Erhöhung des
Winkelspektrums des Laserstrahls 10. Die Kollimationseinrichtung 36 ist als eine Optik bestehend aus zwei Sammellinsen 37 ausgeführt.
Die Figuren 11a und 11b zeigen eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform ist zusätzlich eine Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der
Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die
Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein Prisma sein, an dessen Seitenflächen Anteile des propagierenden Laserstrahls 11 durch Totalreflexion umgelenkt werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die
Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass die Strahlführungseinrichtung 33 ohne Wirkung ist, wenn der Laserstrahl 10 axial ausgerichtet ist, wie in Figur 11a dargestellt. Wenn der Laserstrahl schräg eingestrahlt wird, also der Laserstrahl 10 einen Winkel zur optischen Achse 39 der Vorrichtung aufweist, wie in Figur 11 b dargestellt, dann wird ein Teilbereich des propagierenden Laserstrahls 11 in
Richtung zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Mittels der Strahlführungseinrichtung 33 wird somit der Laserstrahl 11 auf der Empfängerfläche 41 zentriert. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In Figur 12 ist ein weiteres Beispiel der dritten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass seitliche Bereiche des propagierenden Laserstrahls 11 mit großen Winkeln zur Strahlachse durch Reflexion an den Seitenflächen der
Strahlführungseinrichtung 33 umgelenkt werden. Figur 13 zeigt eine vierte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. In dieser Ausführungsform integriert die
Aufweitungseinrichtung 30 mehrere Funktionen in einem Bauteil. Im gezeigten Beispiel hat die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtstreuende Struktur 31 an der vorderen Fläche bzw. an der Strahleintrittsfläche der Aufweitungseinrichtung 30. Die lichtstreuende Struktur 31 bewirkt die Erhöhung des Winkelspektrums des
Laserstrahls 0. Die Seitenflächen der Aufweitungseinrichtung 30 weisen eine Neigung und/oder eine Krümmung auf, so dass die an den Seitenflächen reflektierten Strahlungsanteile des propagierenden Laserstrahls 11 zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt werden und der Winkel der umgelenkten
Strahlungsanteile zur Strahlachse verringert wird. Somit erfüllt die
Aufweitungseinrichtung 30 in dieser Ausführungsform gleichzeitig die Funktion als Strahlführungseinrichtung und zumindest teilweise als Kollimationseinrichtung. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in Figur 1 gezeigten ersten Ausführungsform.
In Figur 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Beispiel beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem
Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Der Absorptionskörper 44 ist als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlkegel oder Innenkonus, womit die Empfängerfläche 41 vergrößert wird und der Querschnitt des propagierten Laserstrahls 11 auf eine größere Fläche verteilt wird. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Anteil des an der Empfängerfläche 41 teilweise gestreuten Laserstrahls 11 empfängt. Die Signale vom Temperatursensor 46 und vom
Lichtsensor 56 werden in der elektronischen Recheneinheit aufgezeichnet und verarbeitet. Eine Schnittstelle 62 ist vorgesehen zum Austausch von Daten mit einer externen Anzeigeeinheit oder einem externen Gerät. Figur 15 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform. Ähnlich wie in Figur 14 ist der Absorptionskörper 44 als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlzylinder. Ein Teilbereich 42 der
Empfängerfläche 41 , hier die Grundfläche des Hohlzylinders, ist reflektierend oder teilreflektierend ausgebildet. Dadurch wird die in diesem Bereich auftreffende
Strahlung zu den zylindrischen Seitenflächen geleitet. Die Grundfläche des
Hohlzylinders ist zu diesem Zweck mit einer flachen Konus-Form versehen. Statt einer Schnittstelle ist in diesem Beispiel eine Anzeigeeinrichtung 64 vorgesehen, mittels der die von der elektronischen Recheneinheit 60 ermittelten Daten angezeigt werden können.
Ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform, welches auch zur
kontinuierlichen Messung der Leistung des Laserstrahls 10 geeignet ist, ist in Figur 16 dargestellt. Der Strahlungssensor 40 ist beispielhaft ähnlich aufgebaut wie in dem in Figur 15 gezeigten Beispiel. Zur Abführung der vom Absorptionskörper 44 aufgenommenen Wärme ist eine Kühleinrichtung 70 vorgesehen. Über einen
Kühlmittel-Einlass 72 wird ein Kühlmittel 77 in die Kühleinrichtung 70 eingeführt, durchströmt den Absorptionskörper 44 des Strahlungssensors 40, und wird über einen Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Das Kühlmittel 77 wird durch Rohre,
Bohrungen oder Kanäle im Absorptionskörper 44 geleitet und nimmt die Wärme des Absorptionskörpers 44 auf. Der mit dem Absorptionskörper 44 gekoppelte
Temperatursensor 46 ist bezüglich der Kühlmitteldurchflussrichtung stromabwärts angeordnet, wo das aufgeheizte Kühlmittel den Absorptionskörper 44 verlässt und registriert so die Temperatur des aufgeheizten Kühlmittels. Der zweite
Temperatursensor 48 ist stromaufwärts angeordnet, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 geleitet wird, und registriert so die Vorlauf-Temperatur des Kühlmittels 77. Die Durchflussmenge des Kühlmittels 77 kann mittels eines nicht dargestellten Durchflusssensors ermittelt werden. Aus der Differenz der von den Temperatursensoren 46 und 48 gemessenen Temperaturen und der
Durchflussmenge wird die Leistung des Laserstrahls 10 bestimmt.
Figur 17 zeigt ein Ausführungsbeispiel für kontinuierliche Messung der zweiten Ausführungsform. Die Kühleinrichtung 70 entspricht dem in der Figur 16 gezeigten Beispiel. Statt eines Hohlraum-Absorbers wie in der Figur 6 ist hier ein einfacher flacher Absorptionskörper 44 vorgesehen. Der Absorptionskörper 44 hat dadurch eine geringe thermische Masse, wodurch die Ansprechzeit der Temperaturänderung, also des Signals vom Temperatursensor 46 verringert wird. Der Temperatursensor 46 des Strahlungssensors 40 ist stromabwärts am Kühlmittel-Ausgang des
Absorptionskörpers 44 angeordnet, und der zweite Temperatursensor 48 ist stromaufwärts vor dem Absorptionskörper angeordnet. Zur optimalen Absorption der Strahlung auf der Empfängerfläche 41 ist vor dem Strahlungssensor 40 eine
Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, mittels der das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11 verringert wird. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel eine Sammellinse, die den propagierenden Laserstrahl 11 kollimiert, so dass der weiter propagierende Laserstrahl 2 im Wesentlichen ungefähr senkrecht auf die Empfängerfläche 41 trifft. Zur Aufweitung des Laserstrahls 10 ist zuvor das Winkelspektrum des Laserstrahls 10 mittels der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert worden. Die Signale der Temperatursensoren 46 und 48 werden von der elektronischen Recheneinheit 60 aufgezeichnet und verarbeitet. Die berechneten Daten werden mittels einer Schnittstelle 62 an ein externes Gerät übermittelt.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, ein einfaches Verfahren und eine kompakte Vorrichtung zur direkten und präzisen Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls bereitzustellen, welche eine Messung auch in Bereichen nahe des Strahlfokus ermöglichen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Halterung 20, eine Aufweitungseinrichtung 30 und einen Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41 beinhaltet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der
Strahlungssensor 40 sind mittels der Halterung 20 in einem Abstand 25 zueinander angeordnet. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, einen Laserstrahl 10 aufzufangen. Der Laserstrahl 10 trifft zunächst auf die Aufweitungseinrichtung 30. Der Laserstrahl 10 hat im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 einen Durchmesser 13. Die
Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Dabei ist mit dem Begriff Winkelspektrum die Verteilungsbreite der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse gemeint. Nach der Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 10 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40, in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 11 dargestellt, mit einem wachsenden
Strahlquerschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Der Laserstrahl 11 hat auf der Empfängerfläche 41 einen Durchmesser 14. Der Durchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 ist größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umschließt mindestens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls 11. Bei einem runden Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11 ist demnach der Durchmesser der
Empfängerfläche 41 größer oder mindestens gleich dem 0,95-fachen des
Durchmessers 14 des propagierten Laserstrahls 11. Weiterhin ist der propagierte Laserstrahl 11 demnach so auf der Empfängerfläche 41 zentriert, dass höchstens 10% der Querschnittsfläche des Laserstrahls 11 außerhalb der Empfängerfläche 41 liegen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein elektrisches Signal 47, welches von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls 10, 11 abhängig ist. Aus dem elektrischen Signal 47 wird der Leistungs- oder Energie-Wert des Laserstrahls 10, 11 bestimmt. Der Laserstrahl 10 kann fokussiert sein und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Bereich des Fokus des Laserstrahls 10 positioniert werden. Der Laserstrahl 10 kann im Bereich des Fokus einen sehr kleinen Durchmesser 17 aufweisen, wenn sich der Laserstrahl 10 ungehindert, also ohne Aufweitungseinrichtung, ausbreitet. Die virtuelle Ausbreitung des Laserstrahls 10 ohne Aufweitungseinrichtung 30 ist beispielsweise in der Figur 1 als gestrichelte Linien mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt. Der Durchmesser 17 im Fokusbereich kann beispielsweise in der
Größenordnung von 0,1 mm sein und die Leistung des Laserstrahls 10 kann beispielsweise 1 kW betragen. Die Leistungsdichte liegt dann in der Größenordnung von etwa 10 MW/cm2. Bei solchen Leistungsdichten werden praktisch alle nicht- transparenten Materialien unmittelbar aufgeschmolzen bzw. durchbohrt. Ein Detektor gleich welcher Art kann solchen Leistungsdichten nicht standhalten. Daher ist im Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 die Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10, das heißt, die Breite der Verteilung der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls 11 zur Strahlachse ist nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 größer. Ein kollimierter Strahl zum Beispiel hat ein Winkelspektrum von fast Null bzw. weit unter 1 °. Ein mittels einer Bearbeitungsoptik fokussierter Laserstrahl hat typischerweise ein Winkelspektrum von wenigen Grad. Die Aufweitungseinrichtung 30 kann
beispielsweise dazu ausgebildet sein, das Winkelspektrum um +/-5° zu erhöhen, also auf eine Breite der Verteilung von 10°, und der Abstand 25 zwischen der
Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 kann beispielsweise 50 mm betragen. Dann ist der Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche knapp 9 mm groß und die Leistungsdichte bei 1 kW beträgt weniger als 2 kW/cm2. Im Vergleich zum obigen Beispiel des Strahls im Fokus-Bereich ohne Erhöhung des Winkelspektrums ist die Leistungsdichte demnach um fast 4 Zehnerpotenzen verringert. Die verringerte Leistungsdichte kann von vielen Detektoren zumindest kurzzeitig ohne Beschädigung verarbeitet werden. Es ist in einer möglichen Ausführungsform vorgesehen, dass der Abstand 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm liegt. Der Abstand 25 kann insbesondere 20 mm bis 100 mm betragen.
Die Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einem Bereich von +/-1° bis +/-500 liegen. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann insbesondere im Bereich von +/-2° bis +/-300 liegen.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in verschiedener Art ausgestaltet sein. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann durch Brechung, Reflexion, Beugung, oder Streuung erfolgen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass eine Intensitätsverteilung, ein Strahlprofil, oder ein Strahlparameterprodukt des Laserstrahls 10 erhalten bleibt, nur die über den Querschnitt des Strahls integrierte Gesamt-Leistung oder Gesamt- Energie muss im Wesentlichen erhalten bleiben. Allen Ausführungsformen der Aufweitungseinrichtung 30 ist gemeinsam, dass der Laserstrahl 10 die
Aufweitungseinrichtung 30 nahezu ohne Abschwächung passiert. Der
Absorptionsgrad der Aufweitungseinrichtung 30 liegt unter einem Prozent. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein transmittierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Transmissionsgrad größer 90%, vorzugsweise größer als 99%. Dazu können die Strahl-Eintritts- und Austritt-Flächen der Aufweitungseinrichtung 30 mit einer entspiegelnden Beschichtung versehen sein. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein reflektierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Reflexionsgrad größer als 99%.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann beispielsweise eine optische Linse sein. Die Brennweite der optischen Linse ist ein Bruchteil des Abstandes 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40. Es ist vorgesehen, dass der Betrag der Brennweite der optischen Linse höchstens 1/3 des Abstandes 25 beträgt. Die optische Linse kann eine Konkav-Linse oder eine Konvex-Linse sein, d.h. eine Zerstreuungslinse oder eine Sammellinse. Der Vorteil einer
Zerstreuungslinse besteht darin, dass bei gleichem Brennweiten-Betrag der Linse der Abstand 25 etwas kürzer gewählt werden kann, um einen gleich vergrößerten Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 zu erreichen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Aufweitungseinrichtung 30 als Sammellinse zeigt die Figur 3, während in Figur 4 eine Zerstreuungslinse als Aufweitungseinrichtung 30 dargestellt ist.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch ein Linsen-Array oder ein Mikrolinsen- Array sein, d.h. die Aufweitungseinrichtung 30 umfasst in dieser Ausführungsform mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente. Die Besonderheit bei der Verwendung eines Linsen-Arrays als Aufweitungseinrichtung 30 besteht darin, dass damit eine Erhöhung des Winkelspektrums erzielt werden kann, deren Winkel- Verteilungsbreite nicht vom Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 abhängig ist, wenn die seitlichen Abmessungen der Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays klein genug gewählt werden. Um dies zu erreichen, kann die seitliche Abmessung bzw. die Breite der Einzellinsenelemente kleiner oder höchstens gleich dem Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 gewählt werden. Die Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegen. Der Betrag der
Brennweite der Einzellinsenelemente kann im Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegen. Das Verhältnis von Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente zur Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 30 liegen. Die
Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays können eine positive oder eine negative Brechkraft haben, d.h. die Flächen der Einzellinsenelemente können konvex oder konkav gewölbt sein. Ausführungsbeispiele für ein konvexes Linsen-Array sind in den Figuren 5 und 6 gezeigt, während die Aufweitungseinrichtung 30 in den Figuren 9 und 14 bis 17 als konkaves Linsen-Array ausgeführt ist.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen. Die lichtstreuende Struktur 31 streut die Strahlung des Laserstrahls 10 in
Vorwärtsrichtung und in einen begrenzten Winkelbereich. Die lichtstreuende Struktur 31 kann beispielsweise als Grenzfläche eines optisch transparenten Materials mit einer Rauigkeit oder Welligkeit ausgeführt sein. An den Unebenheiten der rauen oder welligen Grenzfläche wird die Strahlung durch Brechung in verschiedene Winkel umgelenkt. Die lichtstreuende Struktur 31 kann auch beispielsweise eine Struktur mit örtlich variierender Brechzahl sein. Die Vergrößerung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch mittels Beugung erzielt werden. Dazu kann die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtbeugende Struktur aufweisen. Die lichtbeugende Struktur kann zum Beispiel durch lithografische Verfahren auf eine Grenzfläche der Aufweitungseinrichtung 30 aufgebracht sein.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch ein Diffusor sein. Als Diffuseren werden üblicherweise optische Bauelemente bezeichnet, welche die auftreffende Strahlung in verschiedene statistisch verteilte Winkel umlenken. Dies kann, wie bereits erläutert, beispielsweise mittels einer lichtstreuenden Struktur 31 oder mittels einer lichtbeugenden Struktur erzielt werden.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch ein Hohlspiegel bzw. Konkavspiegel oder ein Konvexspiegel sein. Der Unterschied zur Verwendung einer optischen Linse besteht darin, dass der Strahlweg gefaltet ist. Es ist vorgesehen, dass der Betrag des Krümmungsradius des Konkav- oder Konvexspiegels höchstens 2/3 des Abstandes 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 beträgt. In Figur 7 ist ein Ausführungsbeispiel für einen Konvexspiegel als
Aufweitungseinrichtung 30 dargestellt.
Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch ein Facettenspiegel sein. Bei einem
Facettenspiegel sind mehrere Einzelfacetten nebeneinander angeordnet. Die
Einzelfacetten des Facettenspiegels können konvex oder konkav gewölbt sein.
Ähnlich wie bei einem Linsen-Array kann mit einem Facettenspiegel als
Aufweitungseinrichtung 30 eine Erhöhung des Winkelspektrums erzielt werden, deren Winkel-Verteilungsbreite nicht vom Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 abhängig ist, wenn die seitlichen
Abmessungen der Einzelfacetten des Facettenspiegels klein genug gewählt werden. Figur 8 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem ein Facettenspiegel als
Aufweitungseinrichtung 30 eingesetzt ist.
Als Strahlungssensor 40 können verschiedene Detektoren eingesetzt werden. Der Strahlungssensor 40 hat eine Empfängerfläche 41. Die Empfängerfläche 41 ist ausreichend groß, so dass der gesamte Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11 , 12 oder wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls von der
Empfängerfläche 41 erfasst wird. Innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls ist die Intensität der Strahlung üblicherweise ortsabhängig. Viele Laserstrahlen haben eine ungefähr Gauß-förmige Intensitätsverteilung. Die Intensitätsverteilung im
propagierenden Laserstrahl 11 kann durch die Aufweitungseinrichtung 30 verändert sein. Der Strahlungssensor 40 erfasst den gesamten oder zumindest fast den gesamten Querschnitt des Strahls und erzeugt daher ein Signalwert, der dem
Integralwert der Intensitätsverteilung entspricht. Der Integralwert der
Intensitätsverteilung ist die über die Empfängerfläche auf-integrierte Intensität des Laserstrahls 10, 11 , 12. Der Signalwert ist somit von der Gesamt-Leistung oder von der Gesamt-Energie des Laserstrahls abhängig. Der Signalwert wird als elektrisches Signal 47 ausgegeben.
Der Strahlungssensor 40 kann beispielsweise eine großflächige Fotodiode oder ein großflächiger Halbleitersensor sein. Der Strahlungssensor 40 kann auch ein pyroelektrischer Detektor oder ein Pyrometer sein. Der Strahlungssensor 40 kann auch ein sogenanntes Thermopile sein, d.h. eine mit einer Absorptionsschicht gekoppelte Thermosäule oder Thermokette.
Der Strahlungssensor 40 kann auch als kalorimetrischer Sensor ausgebildet sein. Dazu umfasst der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46. Der Temperatursensor 46 ist mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt, um die Temperatur des Absorptionskörpers 44 zu erfassen. Die Empfängerfläche 41 ist hierbei eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44. Die Empfängerfläche 41 weist einen hohen Absorptionsgrad auf. Dazu kann die
Empfängerfläche schwarz oder absorbierend beschichtet sein. Die Empfängerfläche 41 kann auch eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise ein Rillenmuster. Der auf die Empfängerfläche 41 auftreffende Laserstrahl 10, 11 , 12 wird zum größten Teil absorbiert und in Wärme umgesetzt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des
Absorptionskörpers 44, was vom Temperatursensor 46 registriert wird. Der
Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47. Der Strahlungssensor 40 bzw. der Absorptionskörper 44 ist thermisch isoliert an der Halterung 20 bzw. in der als Gehäuse ausgebildeten Halterung 20 befestigt. Dazu sind die
Halterungselemente, die mit dem Strahlungssensor 40 bzw. dem Absorptionskörper 44 verbunden sind, beispielsweise aus einem thermisch gering leitfähigen Material gefertigt. Durch die thermisch isolierte Befestigung werden unkontrollierte Wärmeströme vom Absorptionskörper 44 in die Umgebung, die die Genauigkeit der Messung verringern können, reduziert.
Bei vielen Detektoren ist die Höhe des erzeugten Signals in geringem Maße von der Strahlposition auf dem Detektor und vom Auftreffwinkel des Strahls auf dem Detektor abhängig. Um eine hohe Genauigkeit bei der Messung zu erreichen, ist deshalb darauf zu achten, dass der Strahl möglichst axialsymmetrisch oder zentral auf dem Detektor auftrifft, und dass der Einfallswinkel möglichst wenig vom senkrechten Einfall abweicht.
Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist daher in einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 eine Kollimatlonseinrichtung 36 angeordnet, wie in Figur 2 schematisch dargestellt. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in einem Abstand 26 zur Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls 11 , welches zuvor von der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert wurde. Dadurch wird erreicht, dass die Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse nach Passieren der Kollimationseinrichtung 36 möglichst klein sind. Der nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierende Laserstrahl, der wie in der Figur 2 gezeigt in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist, behält also seinen Querschnitt bzw.
Durchmesser ungefähr bei, das heißt, der Durchmesser des Laserstrahls 11 im
Bereich der Kollimationseinrichtung 36 ist ungefähr gleich dem Durchmesser 14 des Laserstrahls 11 , 12 auf der Empfängerfläche 41. Die Teilstrahlen des nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierenden Laserstrahls 12 treffen also annähernd senkrecht auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Kollimationseinrichtung 36 kann beispielsweise eine Sammellinse bzw.
Konvexlinse, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, oder ein Hohlspiegel sein. Die Kollimationseinrichtung hat eine positive Brennweite f«. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36 größer oder gleich dem Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36 sein, also: ίκ ^ dAK Dabei ist fK die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36, und dA« ist der Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36. Zu beachten ist dabei, dass der Abstand dA« 26 definiert ist von der Aufweitungseinrichtung 30 zur Hauptebene (bzw. Hauptfläche) der Kollimationseinrichtung 36. Weiterhin kann die Brennweite fK der Kollimationseinrichtung 36 kleiner oder gleich dem folgenden Wert sein:
Figure imgf000026_0001
Dabei ist 0SA der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der
Aufweitungseinrichtung 30, und 0SE ist der Durchmesser des Laserstrahls 11 , 12 auf der Empfängerfläche 41 bzw. im Bereich der Kollimationseinrichtung 36.
Die Figuren 4 und 9 zeigen Beispiele mit einer Sammellinse als
Kollimationseinrichtung 36. In Figur 10 ist eine Optik bestehend aus zwei
Sammellinsen 37 als Kollimationseinrichtung 36 dargestellt. Die Figuren 6, 7 und 8 zeigen Beispiel für einen Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung 36. In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist eine
Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Mittels der
Strahlführungseinrichtung 33 kann die Auftreff-Position des Strahlflecks auf der Empfängerfläche 41 optimiert werden, indem die Strahlführungseinrichtung 33 den Laserstrahl 11 innerhalb eines gewünschten Querschnitts hält.
Die Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise als lichtleitendes Prisma, also als Prisma aus einem transparenten Material ausgebildet sein. Das Prisma hat eine Strahl-Eintrittsfläche, eine Strahl-Austrittsfläche, und Seitenflächen. An den
Seitenflächen des Prismas werden Teilstrahlen des Laserstrahls 11 , die einen sehr großen Winkel zur Achse haben, reflektiert und so in Richtung auf den zentralen Bereich des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Die Reflexion an den Seitenflächen des Prismas kann durch Totalreflexion erfolgen. Die Seitenflächen des Prismas können auch verspiegelt sein. Die Strahlführungseinrichtung 33 kann auch eine Kaleidoskop-ähnliche Anordnung von Spiegeln sein. Die Figuren 11a, 11b und 12 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einer Strahlführungseinrichtung 33. Die Form der Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein zylindrischer oder konischer Stab, oder ein Stab mit einer dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen oder achteckigen Querschnittsfläche sein. Die Seitenflächen können zur Achse geneigt sein, das heißt, der Querschnitt der Strahl-Austrittsfläche kann größer sein als der Querschnitt der Strahl-Eintrittsfläche. Durch die Neigung der Seitenflächen wird der Winkel zur Achse von Teilstrahlen des Laserstrahls 11 reduziert, die an den Seitenflächen reflektiert werden. Damit kann die
Strahlführungseinrichtung 33 eine Reduktion des Winkelspektrums des Laserstrahls 11 bewirken ähnlich wie die Kollimationseinrichtung 36. Die Reduktion des
Winkelspektrums durch die Strahlführungseinrichtung kann optimiert werden, indem die Seitenflächen geneigt sind und zusätzlich eine Krümmung aufweisen, wie dies beispielhaft in Figur 13 gezeigt ist.
In Figur 13 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Aufweitungseinrichtung 30 und die Strahlführungseinrichtung 33 in ein Bauteil integriert sind. Dazu kann die Eintrittsfläche der Strahlführungseinrichtung 33 als Aufweitungseinrichtung 30 ausgebildet sein. Die Eintrittsfläche kann beispielsweise konkav gekrümmt sein, eine Oberfläche mit als Array angeordneten Linsen-Facetten haben, oder eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen.
Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf:
- Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls ohne Strahl-Abschwächung und kann dadurch eine hohe
Genauigkeit erreichen.
- Die Leistungs- und/oder Energie-Dichte der Strahlung auf dem
Strahlungssensor ist wesentlich reduziert.
- Die Erfindung ermöglicht Messungen im Fokus-Bereich eines fokussierten Laserstrahls und hat dadurch einen wesentlich größeren Anwendungsbereich als konventionelle Messgeräte, weil konventionelle Messgeräte weit außerhalb des Fokus-Bereichs positioniert werden müssen, um Beschädigungen des Detektors zu vermeiden.
- Der Auftreffwinkel der Strahlung auf der Empfängerfläche des
Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel des Laserstrahls annähernd konstant und nahe am senkrechten Einfall gehalten werden, wodurch besonders genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht werden.
- Die Auftreffposition des Strahlquerschnitts auf der Empfängerfläche des
Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel und von der
Eintrittsposition des Laserstrahls in einem engen Bereich und nahe am
Zentrum des Strahlungssensors gehalten werden, wodurch Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen weiter gesteigert werden können.
- Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr kompakt aufgebaut werden.
Die Erfindung kann entsprechend der weiter aufgeführten Ausführungsformen und den weiteren aufgeführten Merkmalen auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Durch unterschiedliche Kombinationen der beschriebenen Merkmale sind weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, auch wenn nicht jede mögliche Ausführungsform beschrieben oder in Figuren dargestellt ist.
Bei einer Ausführung des Strahlungssensors 40 als kalorimetrischer Sensor kann der Absorptionskörper 44 auf verschiedenste Art ausgebildet sein. Der
Absorptionskörper kann beispielsweise ein Hohlraum-Absorber sein. Der Hohlraum kann unterschiedlich geformt sein. Der Absorptionskörper 44 kann konisch oder kegelförmig gestaltet sein, wie in Figur 14 dargestellt. Der Absorptionskörper 44 kann auch eine konkav gewölbte Empfängerfläche aufweisen.
Der Absorptionskörper 44 kann auch ein einseitig geöffneter Hohlzylinder sein, wie in den Figuren 15 und 16 gezeigt. Es kann dabei vorgesehen sein, die Strahlung hauptsächlich an den zylindrischen Innenflächen eines Hohlzylinders zu absorbieren. Dazu kann ein Teilbereich 42 der Empfängerfläche 41 reflektierend ausgebildet sein. Der reflektierende Teilbereich 42 kann im Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des Hohlzylinders sein. Der Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des
Hohlzylinders kann die Form eines flachen Kegels aufweisen, um die dort
auftreffende Strahlung zur zylindrischen Innenfläche zu reflektieren.
Der als kalorimetrischer Sensor ausgeführte Strahlungssensor 40 kann auch mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet sein. Bei der Kühleinrichtung 70 wird ein Kühlmittel 77 durch einen Kühlmittel-Einlass 72 zugeführt und durch einen
Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Zwischen Kühlmittel-Einlass 72 und Kühlmittel- Auslass 74 wird das Kühlmittel 77 durch ein System aus Rohren, Bohrungen, Kanälen oder sonstigen Hohlräumen geleitet, welche zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Absorptionskörper 44 stehen, oder durch den
Absorptionskörper 44 führen. Das Kühlmittel 77 nimmt somit die Wärme des
Absorptionskörpers 44 auf und führt sie ab. Der Temperatursensor 46 ist angeordnet an einer Stelle, an der das Kühlmittel 77 aus dem Absorptionskörper 44 ausgeleitet wird, und registriert somit die Temperatur des aufgewärmten Kühlmittels.
Die Erfindung kann kann weiterhin einen zweiten Temperatursensor 48 beinhalten. Der zweite Temperatursensor 48 ist in der Umgebung des Strahlungssensors 40 angeordnet und ist nicht mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 bzw. des Absorptionskörpers 44. Der zweite
Temperatursensor 48 kann dazu an der Halterung 20 bzw. an der oder in der als Gehäuse ausgeführten Halterung 20 befestigt sein, wie in der Figur 9 dargestellt. Durch Erfassung der zweiten Temperatur kann die Temperaturerhöhung des
Absorptionskörpers 44, aus der die Leistung oder die Energie des Laserstrahls berechnet wird, genauer bestimmt werden. Außerdem kann durch Erfassung der zweiten Temperatur die Größe der unkontrollierten Wärmeströme des
Absorptionskörpers 44 in die Umgebung abgeschätzt werden und damit die
Genauigkeit der Berechnung der Leistung oder der Energie des Laserstrahls verbessert werden.
Wenn der Strahlungssensor 40 mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet ist, dann kann der zweite Temperatursensor 48 an einer Stelle in der Kühlmittelzuführung angeordnet sein, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 eingeleitet wird. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit die Basistemperatur bzw.
Vorlauftemperatur des Kühlmittels 77. Aus der Temperaturdifferenz von
Temperatursensor 46 und zweitem Temperatursensor 48 kann somit die abgeführte Wärme und damit die Leistung des Laserstrahls 10, 11 , 12 bestimmt werden.
Entsprechende Ausführungsbeispiele zeigen die Figuren 16 und 17. Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit einem Lichtsensor 56 ausgestattet sein. Der Lichtsensor 56 ist ausgebildet zur Erfassung eines geringen, aus dem Laserstrahl 10, 11 , 12 gebildeten Strahlungs-Anteils. Bei dem geringen Strahlungs-Anteil kann es sich beispielsweise um Streulicht 19 handeln, das zu einem kleinen Anteil an der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 erzeugt wird, wenn der Laserstrahl 10, 11 , 12 auf die Empfängerfläche 41 trifft. Der
Lichtsensor 56 kann so angeordnet sein, dass die Empfängerfläche 41 wenigstens teilweise im geometrisch-optischen Licht-Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 kann dazu beispielsweise an der Halterung 20 oder im Gehäuse im Bereich zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem
Strahlungssensor 40 befestigt sein.
Das Signal des Lichtsensors 56 ist näherungsweise proportional zur Leistung des eingestrahlten Laserstrahls 10. Als Lichtsensor 56 kann beispielsweise eine
Fotodiode verwendet werden. Eine Fotodiode hat eine sehr kurze Signal-Anstiegszeit und liefert somit Signale mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung. Anhand des Signals des Lichtsensors 56 können der Beginn und das Ende eines Pulses oder eines Bestrahlungszeitraumes des Laserstrahls 10 sehr genau registriert werden. Damit kann die Leistung des Laserstrahls 10 mit noch höherer Genauigkeit bestimmt werden.
Die Vorrichtung kann mit einer elektronischen Recheneinheit 60 ausgestattet sein. Die elektronische Recheneinheit 60 verarbeitet das elektrische Signal 47 des
Strahlungssensors 40. Die elektronische Recheneinheit kann gegebenenfalls auch die Signale des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56
verarbeiten, wenn diese vorgesehen sind. Die Verarbeitung der Signale kann beispielsweise die A/D-Wandlung und Speicherung der Signale und/oder die
Berechnung der Leistung bzw. der Energie des Laserstrahls 10 einschließen.
Die Vorrichtung kann weiterhin mit einer Anzeigeeinrichtung 64 ausgestattet sein. Mittels der Anzeigeeinrichtung können die berechneten Daten, also die Leistung oder die Energie des Laserstrahls 10 angezeigt werden.
Die Vorrichtung kann auch mit einer Schnittstelle 62 ausgestattet sein. Mittels der Schnittstelle 62 können die berechneten Daten, also beispielsweise die Leistung oder die Energie des Laserstrahls, oder die aufgezeichneten Signale an ein externes Gerät übermittelt werden. Über die Schnittstelle 62 können auch Steuerbefehle zwischen der Vorrichtung und einem externen Gerät ausgetauscht werden. Die Schnittstelle 62 kann eine elektrische Schnittstelle mit einem Steckverbinder sein, wie beispielsweise eine USB-Schnittstelle. Die Schnittstelle 62 kann auch eine drahtlose Schnittstelle sein, die eine Datenübertragung mittels Funksignale ermöglicht, zum Beispiel eine sogenannte Bluetooth-Schnittstelle.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Laserstrahl
11 propagierender Laserstrahl mit erhöhtem Winkelspektrum
12 propagierender Laserstrahl mit verringertem Winkelspektrum
13 Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung
14 Durchmesser des Laserstrahls auf der Empfängerfläche
16 virtueller Verlauf des Laserstrahls ohne Aufweitungseinrichtung
17 Durchmesser des virtuellen Laserstrahls ohne Aufweitungseinrichtung
19 Streulicht
20 Halterung
25 Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und Strahlungssensor
26 Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und Kollimationseinnchtung
27 Abstand zwischen Kollimationseinnchtung und Strahlungssensor
30 Aufweitungseinrichtung
31 lichtstreuende Struktur
33 Strahlführungseinrichtung
36 Kollimationseinnchtung
37 Sammellinse
39 Optische Achse von Aufweitungseinrichtung und Strahlungssensor
40 Strahlungssensor
1 Empfängerfläche
42 Teil der Empfängerfläche
4 Absorptionskörper
6 Temperatursensor
7 elektrisches Signal
8 zweiter Temperatursensor
56 Lichtsensor
60 elektronische Recheneinheit
62 Schnittstelle
64 Anzeigeeinrichtung
70 Kühleinrichtung
72 Kühlmittel-Einlass
74 Kühlmittel-Auslass
77 Kühlmittel

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines
Laserstrahls (10), umfassend einen Strahlungssensor (40), eine
Aufweitungseinrichtung (30), und eine Halterung (20), wobei der Strahlungssensor (40) eine Empfängerfläche (41 ) aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (47) ausgebildet ist, welches von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10) abhängig ist, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) zueinander an der Halterung (20) angeordnet sind zur Ausbildung eines propagierenden Laserstrahls (11 ) zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, das Winkelspektrum des Laserstrahls (10) zu erhöhen, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11 , 12) auf der Empfängerfläche (41 ) größer ist als ein Durchmesser des
Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), und wobei die
Empfängerfläche (41 ) des Strahlungssensors (40) wenigstens 90% der
Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11 , 12) umschließt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Aufweitungseinrichtung (30) eine Zerstreuungslinse oder eine Sammellinse ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array oder ein Mikro-Linsen-Array ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Aufweitungseinrichtung (30) eine lichtstreuende Struktur (31 ) oder eine lichtbeugende Struktur aufweist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 , wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Konvexspiegel, ein Hohlspiegel, oder ein Facettenspiegel ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Halterung (20) ausgebildet ist als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung (30) und den Strahlungssensor (40) umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung (30) aufweist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Strahlungssensor (40) dazu ausgebildet ist, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Strahlungssensor (40) eine großflächige Fotodiode, ein großflächiger Halbleitersensor, ein
pyroelektrischer Detektor, ein Thermopile, oder ein Pyrometer ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, und wobei der Temperatursensor (46) mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend einen Lichtsensor (56), der ausgebildet ist, einen geringen Anteil des Laserstrahls (10, 11 , 12) oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls (10, 11 , 12) zu erfassen.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine
Kollimationseinrichtung (36) angeordnet ist.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11 , wobei die Kollimationseinrichtung (36) eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, oder einen Hohlspiegel umfasst.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine
Strahlführungseinrichtung (33) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei die Strahlführungseinrichtung (33) ein lichtleitendes Prisma, ein Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel, oder eine Kaleidoskop-artige Spiegelanordnung ist.
15. Verfahren zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls (10), umfassend die folgenden Verfahrensschritte:
- Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls (10) mittels einer
Aufweitungseinrichtung (30),
- Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zu einem Strahlungssensor (40) mit einer Empfängerfläche (41 ), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) zueinander an einer Halterung (20) angeordnet sind,
- Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten
Laserstrahls (11 , 12) mittels der Empfängerfläche (41 ) des
Strahlungssensors (40), wobei ein Durchmesser des propagierten
Laserstrahls (11 , 12) auf der Empfängerfläche (41 ) größer ist als ein
Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30),
- Erzeugen eines elektrischen Signals (47) mittels des Strahlungssensors (40) in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10).
16. Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls (10) mittels einer Zerstreuungslinse, einer Sammellinse, eines
Linsenarrays, eines Mikrolinsenarrays, einer lichtstreuenden Struktur (31 ), einer lichtbeugenden Struktur, eines Konvexspiegels, eines Hohlspiegels, oder eines Facettenspiegels erfolgt.
17. Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei eine innerhalb eines
Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität durch den
Strahlungssensor (40) als Integralwert erfasst wird.
18. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, wobei das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls (11 , 12) mittels der Empfängerfläche (41 ) des Strahlungssensors (40) erfolgt durch
Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche (41) auftreffenden Laserstrahls (11 , 12) mittels des Absorptionskörpers (44), und wobei das Erzeugen des elektrischen Signals (47) in Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls (10) durch den Temperatursensor (46) erfolgt, der mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist.
19. Verfahren nach Anspruch 18, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt:
- Bestimmen einer Energie oder einer Leistung des Laserstrahls (10) aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10).
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 19, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt:
- Erfassen eines geringen Anteils des Laserstrahls (10, 11 , 12) oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls (10, 11 , 12) mittels eines Lichtsensors (56).
21. Verfahren nach Anspruch 20, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte:
- Bestimmen einer Energie des Laserstrahls (10) aus der Differenz der
Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10),
- Bestimmen einer Bestrahlungsdauer des Laserstrahls (10) aus dem Verlauf des Signals des Lichtsensors (56),
- Bestimmen einer Leistung des Laserstrahls (10) durch Division von Energie und Bestrahlungsdauer.
22. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 21 , wobei das Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zum Strahlungssensor (40) in zwei Abschnitten erfolgt und zwischen den beiden Abschnitten das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls (11 ) verringert wird mittels einer
Kollimationseinrichtung (36), welche zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) angeordnet ist.
23. Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 22, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Zentrieren des propagierten Laserstrahls (11 , 12) auf der Empfängerfläche (41 ) des Strahlungssensors (40) mittels einer Strahlführungseinrichtung (33), welches zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem
Strahlungssensor (40) angeordnet ist.
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