DE102016011568A1

DE102016011568A1 - Schnelle Strahlvermessung in mehreren Ebenen

Info

Publication number: DE102016011568A1
Application number: DE102016011568.8A
Authority: DE
Inventors: Reinhard Kramer; Otto Märten; Stefan Wolf; Andreas Koglbauer
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 2016-09-26
Filing date: 2016-09-26
Publication date: 2018-03-29
Anticipated expiration: 2036-09-27
Also published as: US20200025609A1; US10908018B2; WO2018054405A1; DE102016011568B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls mit hoher Genauigkeit und kurzer Messdauer, die auch zur Vermessung von Laserstrahlen mit hoher Leistung im Bereich des Strahlfokus geeignet sind. Dazu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Strahl-Abtaster (20), mindestens einen Lichtsensor (60), eine Bewegungseinrichtung (50) zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl (10) und dem Strahl-Abtaster (20), und eine Einrichtung (64) zur Signalaufzeichnung eines zeitlich veränderlichen Signals vom Lichtsensor (60) beinhaltet. Der Strahl-Abtaster (20) umfasst mindestens einen Abtastkörper (21) mit mindestens drei Sonden-Bereichen (22), die entlang von Sonden-Linien ausgedehnt sind. Die Sonden-Bereiche (22) sind ausgebildet zur Entnahme von linienförmigen oder streifenförmigen Licht-Proben aus einem Querschnitt (14) des Lichtstrahls (10). Mehrere Abtastflächen (25) sind definiert durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) jeweils aufgespannt mit einem Bewegungsvektor (55) der Relativbewegung. Dabei weisen mindestens drei Abtastflächen (25) in Richtung der Achse des Lichtstrahls einen von Null verschiedenen Abstand zueinander auf. Der Lichtsensor (60) ist ausgebildet zur Erfassung mindestens eines Teils des Proben-Lichts der von den Sonden-Bereichen (22) entnommenen Licht-Probe aus dem Querschnitt (14) des Lichtstrahls (10).

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls. Die Erfindung ist beispielsweise geeignet zur schnellen Vermessung der Strahl-Kaustik eines Laserstrahls. Dabei ermöglicht die Erfindung die Vermessung der Strahl-Kaustik auch im Fokus-Bereich von Laserstrahlen mit hoher Leistung.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Geometrische Parameter eines Lichtstrahls oder eines Laserstrahls sind wichtige Größen zur Beschreibung des Strahls. Solche Parameter können beispielsweise ein Strahldurchmesser, ein Strahlprofil, oder das Strahlparameterprodukt sein. Das Strahlparameterprodukt beschreibt das Produkt aus dem Radius der Strahl-Taille, also dem kleinsten Radius des Strahls, der zum Beispiel in einer Fokus-Ebene des Strahls vorliegen kann, und dem Öffnungswinkel des Strahls, und ist daher eine Kennzahl für die Fokussierbarkeit eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Andere Kennzahlen oder Bezeichnungen für den gleichen Sachverhalt sind die Strahlqualität, die Strahlqualitätskennzahl, der Strahlpropagationsfaktor, der Modenfaktor oder die Beugungsmaßzahl. In vielen Produktionsprozessen, bei denen mit Lichtstrahlen gearbeitet wird, wie beispielsweise bei der Lasermaterialbearbeitung, müssen Strahiparameter zur Qualitätskontrolle in regelmäßigen zeitlichen Abständen gemessen werden.
Der Trend in der Lasermaterialbearbeitung geht zum Einsatz von Laserstrahlen mit immer höherer Brillanz, das heißt, zu Laserstrahlen mit einem kleinen Modenfaktor und hoher Leistung. Beispielsweise hat ein Grundmode-Strahl eines Festkörperlasers mit einer Wellenlänge von 1 μm bei einer Rayleigh-Länge von 5 mm einen Taillen-Radius von nur 40 μm. Um einen solchen Strahl, insbesondere den Strahl-Fokus, mit hoher Genauigkeit zu vermessen, wird somit eine sehr hohe örtliche Auflösung benötigt. Andererseits hat ein solcher Strahl bei einer Leistung von beispielsweise 500 W eine mittlere Leistungsdichte im Fokus von etwa 10 MW/cm². Es ist kein Detektor bekannt, mit dem solche Leistungsdichten verarbeitet werden können. Eine direkte Messung ist daher problematisch.
Bei vielen Anwendungen wie der Lasermaterialbearbeitung ist es oftmals nicht ausreichend, einen Lichtstrahl oder Laserstrahl nur in einer Ebene, zum Beispiel in der Fokus-Ebene, zu analysieren und zu vermessen. Die geometrische Gestalt eines Strahls in der gesamten räumlichen Wechselwirkungszone hat Einfluss auf einen Bearbeitungs-Prozess, so dass genaue Informationen über den Strahl in mehreren Dimensionen wünschenswert sind.
Zur Beschreibung der räumlichen Ausbreitung eines Lichtstrahls oder Laserstrahls kann das Strahlparameterprodukt oder der Modenfaktor verwendet werden. Zur Bestimmung des Strahlparameterprodukts ist eine Vermessung des Strahls in mehreren Querschnitten entlang der Strahl-Achse erforderlich. Die Ausbreitung eines rotationssymmetrischen Laserstrahls entspricht der Ausbreitung eines sogenannten Gauß-Strahls, dessen Strahlradius entlang der Strahl-Achse mit folgender Formel beschrieben wird: w = w₀[1 + ((z – z₀)/z_R)²]^1/2 (Formel 1) Dabei ist w der Radius des Strahls an der Position z, wobei die z-Achse die Ausbreitungsrichtung des Strahls ist; w₀ ist der Radius der Strahl-Taille, also der kleinste Radius des Strahls; z₀ ist die z-Position der Strahl-Taille bzw. des kleinsten Strahlradius, auch als Fokus-Lage bezeichnet; und z_R ist die Rayleigh-Länge des Strahls. Die Rayleigh-Länge ist die Entfernung von der Strahl-Taille, an der sich die Querschnittsfläche des Strahls verdoppelt hat. Dieser typische Verlauf des Strahlradius entlang der Strahl-Achse wird auch als Strahl-Kaustik bezeichnet.
Ein Strahl kann somit durch die drei Größen Taillen-Radius w₀, Taillen-Position z₀, und Rayleigh-Länge z_R in seinem Ausbreitungsverhalten charakterisiert werden. Es ist ein übliches Messverfahren, diese drei Größen zu bestimmen durch Messung des Strahlradius in mehreren z-Positionen und einem Fit der Messpunkte an eine Hyperbel-Funktion. Das Messverfahren ist in der Norm ISO 11146 beschrieben.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Methoden zur Bestimmung des Durchmessers oder des Radius eines Strahls bekannt, auf die hier nicht im Einzelnen eingegangen werden kann. Viele der bekannten Methoden sind derart erweiterbar, dass auch Messungen in mehreren Positionen entlang der Strahlachse durchgeführt werden können.
Der Querschnitt eines Strahls kann beispielsweise durch Abbildung auf einen ortsauflösenden Detektor, wie eine Kamera, vermessen werden. Durch Verschiebung eines abbildenden Systems und/oder der Kamera können mehrere Querschnittsebenen eines Strahls nacheinander abgebildet werden und so ein Strahlparameterprodukt ermittelt werden.
Ein Beispiel für ein solches Verfahren zeigt die DE 198 22 924 A1 . Dort ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Verteilung der Energiefelddichte eines Laserstrahls angegeben. Hierbei werden einzelne Laserpulse aus dem Strahl ausgeblendet, örtlich voneinander getrennt und die Verteilung der Energiefelddichte mittels einem ortsauflösenden Messsensor wie einer CCD-Kamera gemessen. in einer Option der Vorrichtung ist vorgesehen, eine Abbildungslinse mittels einer z-Positionierung zu verschieben und dadurch die Strahlqualität zu vermessen.
Ein anderes Beispiel für ein derartiges Verfahren offenbart die WO 2010/125344 A1 . Dort sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Ausbreitungs-Eigenschaften eines Lichtstrahls gezeigt. Das Besondere an der vorgeschlagenen Vorrichtung ist, dass das abbildende Element und die Kamera feststehend angeordnet sind. Zum Durchfahren der Strahl-Kaustik entlang der Strahl-Achse wird die Brennweite des abbildenden Elements verändert. Dies wird erreicht durch Verwendung einer variabel fokussierbaren Linse, wie beispielsweise einer steuerbaren Flüssig-Linse.
Aus der DE 10 2006 056 217 A1 sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Charakterisierung eines Laserstrahls bekannt, bei denen ein kleinster Durchmesser des Laserstrahls gemessen wird und ein Divergenz-Winkel des mit einer Linse fokussierten Laserstrahls bestimmt wird. Dazu wird der Strahl auf unendlich fokussiert, in zwei Strahlen aufgeteilt, und es wird mittels zweier Kameras zum einen der Durchmesser des auf unendlich fokussierten Strahls und zum anderen der Durchmesser des von einer Linse fokussierten Strahl bestimmt. Aus den beiden Durchmessern und der Kenntnis der Brennweite der Linse kann das Strahlparameterprodukt berechnet werden. Das Verfahren setzt jedoch voraus, dass der Strahl zuvor korrekt auf unendlich fokussiert wurde. Somit funktioniert das Verfahren nur für speziell präparierte Strahlen und ist nicht geeignet für die automatisierte Messung eines beliebigen fokussierten Strahls wie in der Bearbeitungszone bei einer Lasermaterialbearbeitungs-Anwendung.
In der WO 2011/127400 A2 wird eine Vorrichtung zur Analyse von Laserstrahlen vorgeschlagen, die eine Echtzeit-Messung des örtlichen Strahlprofils, der Rundheit, des Schwerpunkts, des Astigmatismus und des Propagationsfaktors eines Hochleistungslaserstrahls ermöglicht. Die Vorrichtung umfasst zwei parallel angeordnete hochreflektierende Spiegel, die schräg im Laserstrahl positioniert sind. Ein Teil des Strahls wird somit zwischen den Spiegeln vielfach reflektiert. Ein Bruchteil jedes Teilstrahls transmittiert den zweiten Spiegel und wird von einer Kamera erfasst. Durch die Schrägstellung des Spiegel-Paares sind die Teilstrahlen auf der Kamera seitlich separiert und haben unterschiedliche Weglängen zurückgelegt. Somit werden mehrere Strahlquerschnitte an unterschiedlichen Positionen entlang der Strahlachse gleichzeitig von der Kamera erfasst. Nachteilig ist, dass alle Querschnitte vom selben Detektor erfasst werden und sich deshalb die Detektorfläche teilen müssen. Für die Vermessung eines einzelnen Strahlquerschnitts steht somit nur noch ein Bruchteil der örtlichen Auflösung des Detektors zur Verfügung, so dass die Messgenauigkeit stark eingeschränkt ist.
Sämtliche Vorrichtungen und Verfahren, die zur Vermessung einer Strahl-Kaustik ein abbildendes System oder andere optische Komponenten benötigen, die vom Strahl durchstrahlt werden, weisen verschiedene Nachteile auf. Zum einen werden die geometrischen Parameter des Strahls durch eine Abbildung verändert, so dass es nicht möglich ist, die Strahl-Eigenschaften direkt in dem Bereich des Strahls zu messen, der zur Bearbeitung verwendet wird. Es muss dann auf die eigentlich interessierenden Größen wie Fokus-Durchmesser oder Strahlprofil zurückgerechnet werden. Zum anderen kann durch die Verwendung von Linsen und/oder anderen Komponenten wie Abschwächern die Messgenauigkeit infolge thermischer Effekte in den optischen Elementen reduziert sein, insbesondere bei der Vermessung der Strahlung von Hochleistungslasern. Durch thermische Effekte wie beispielsweise dem Fokus-Shift werden die Strahlparameter verändert, was zu zeitlich variablen systematischen Messfehlern führt.
Weiterhin kann die Verwendung von Kameras oder anderen ortsauflösenden Detektoren nachteilig sein aufgrund der begrenzten Signal-Dynamik solcher Detektoren oder deren Digitalisierungs-Schaltkreise. Wenn Bereiche des Strahlungsfeldes mit geringer Intensität, die weit außerhalb der Fokus-Position oder weit außerhalb der Strahl-Achse liegen, wegen eines nicht ausreichenden Signal-Rausch-Abstandes nicht mehr richtig erfasst werden können, hat das einen deutlichen Einfluss auf die ermittelten Strahlabmessungen und die Messgenauigkeit ist somit verringert.
Eine räumliche Vermessung eines Strahls direkt in der interessierenden Bearbeitungszone, also im Bereich des Fokus oder der Strahl-Taille, ohne Veränderung und Beeinflussung des Strahls durch Linsen oder abschwächende Elemente stößt bei hochbrillanter Strahlung auf große Schwierigkeiten. Die auftretenden Leistungsdichten sind zu groß für praktisch jede Art von Detektor, so dass Messungen an solcher Strahlung üblicherweise mit Mitteln zur Entnahme von Proben aus dem Strahl erfolgen. Aber auch die Mittel zur Proben-Entnahme müssen die hohen Leistungsdichten unbeschadet überstehen können.
Beispielsweise offenbart die WO 98/50196 eine Vorrichtung zum Detektieren und Berechnen einer Fokuslagen-Position, einer Gestalt und einer Leistungsverteilung eines Laserstrahls nach einem Fokussier-Objektiv. Die Vorrichtung umfasst einen Licht-beeinflussenden Körper und einen Licht-Sensor. Der Laserstrahl und der Licht-beeinflussende Körper sind relativ zueinander bewegbar, um Abtast-Bewegungen durch den Laserstrahl auszuführen. Die Licht-beeinflussenden Körper können beispielsweise optische Fasern sein; als weitere Alternativen werden reflektierende, beispielsweise silberhaltige Körper, oder absorbierende Körper vorgeschlagen. Die Veröffentlichung gibt keinen genauen Aufschluss über die Wechselwirkungs-Geometrie an oder in den Licht-beeinflussenden Körpern zur Proben-Entnahme aus dem Strahl, so dass unklar ist, ob zur Vermessung hochbrillanter Strahlung eine ausreichend hohe örtliche Auflösung erreicht werden kann. Die Verwendung reflektierender oder absorbierender Körper ist ungeeignet zur Vermessung von Strahlung hoher Leistung im Fokus-Bereich. Zur Bestimmung eines Strahlpropagationsfaktors müsste der Strahl sukzessiv in mehreren Ebenen abgetastet werden, was zeitaufwändig ist und eine komplexe Führungseinrichtung mit Bewegung in mindestens zwei Achsenrichtungen erfordert.
Die DE 199 09 595 A1 offenbart eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Vermessung der räumlichen Leistungsdichteverteilung von Strahlung hoher Divergenz und hoher Leistung. Dazu wird ein Pinhole eingesetzt, mit welchem die Strahlung punktweise in mehreren Querschnitten abgetastet wird. Durch die Verwendung eines Streukörpers hinter dem Pinhole ist die offenbarte Vorrichtung für die präzise Vermessung von Strahlung mit hoher Divergenz geeignet. Nachteilig ist, dass zur punktweisen, räumlichen Abtastung eine komplexe Antriebseinrichtung zur Führung des Pinhole in drei Achsenrichtungen benötigt wird und dass eine vollständige Abtastung einer Strahl-Kaustik relativ lange dauert.
Aus der DE 35 10 937 A1 ist eine Laserstrahlmessvorrichtung mit einem rotierenden Nadelträger und mehreren Detektoren bekannt. Durch die Rotation des Nadelträgers werden mehrere auf dem Träger angeordnete reflektierende Nadeln durch einen Laserstrahl geführt. Durch Reflexion des Lichts an den Nadeln auf die Detektoren werden Proben aus dem Laserstrahl entnommen. Die Nadeln durchqueren den Strahl an zwei verschiedenen Stellen entlang der Strahlachse. Es werden also zwei Querschnitte des Strahls abgetastet, wodurch unter gewissen Voraussetzungen eine Strahldivergenz in grober Näherung ermittelt werden kann. Eine vollständige Abtastung der Strahl-Kaustik ist mit der gezeigten Vorrichtung nicht vorgesehen, so dass das Strahlparameterprodukt nicht bestimmt werden kann. Die offenbarte Vorrichtung ist vorgesehen für Hochleistungslaser. Um eine hohe örtliche Auflösung zu erreichen, müssten die Nadeln sehr dünn konstruiert werden, wodurch die Anordnung sehr fragil würde und die Nadeln bei der Rotation verbiegen oder sogar abbrechen könnten, oder bei hohen Strahl-Leistungsdichten beschädigt werden könnten. Die Vorrichtung ist daher nicht zur Vermessung im Fokus-Bereich eines modernen, hochbrillanten Laserstrahls mit entsprechend kleinen Taillen-Durchmessern geeignet.
Eine weitere Möglichkeit zur Strahl-Abtastung an zwei Stellen eines Strahls ist im Patent US 5 064 284 dargestellt. Dort wird eine Vorrichtung zur Messung der Moden-Qualität vorgeschlagen, die eine Linse, eine rotierende Trommel mit Aperturen (Blenden-Öffnungen), und einen Detektor aufweist. Die Kanten der Blenden-Öffnungen tasten den Strahl ab. Durch unterschiedliche Schrägstellungen der Blenden-Kanten zur Drehachse der Trommel kann ein Strahlquerschnitt in zwei Richtungen abgetastet werden, so dass auch astigmatische Strahlen vermessen werden können. Eine Strahl-Kaustik kann abgetastet werden durch Änderung des Abstandes der Linse zur rotierenden Trommel. Um einen Laserstrahl mit hoher Leistung und hoher Brillanz zu vermessen, müsste der Strahl abgeschwächt werden, um die Kanten der Blenden-Öffnungen vor den hohen Leistungsdichten im Strahl-Fokus zu schützen. Die Verwendung von Linsen und Abschwächungseinrichtungen bei Laserstrahlen mit hoher Leistung ist jedoch nachteilig, weil thermische Effekte in den optischen Elementen zu Zeit-abhängigen Veränderungen im zu vermessenden Strahl führen und so die Messgenauigkeit eingeschränkt wird.
Um das Problem langer Abtast-Zeiten zu überwinden, sind aus dem Stand der Technik auch Vorrichtungen bekannt, bei denen gewissermaßen eine vollständige räumliche Strahl-Probe entnommen wird. Dazu wird der Strahl durch ein streuendes, fluoreszierendes oder lumineszierendes Medium geleitet und senkrecht zur Strahlachse das gestreute Licht oder das Lumineszenz-Licht beobachtet und vermessen.
Ein Beispiel dafür zeigt die EP 2 952 861 A1 . Dort werden eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Einzelschuss-Messung des Strahlpropagationsfaktors eines Laserstrahls vorgeschlagen, bei denen der Strahl in einen Körper eintritt, dessen Material eine Lumineszenz im Wellenlängenbereich des zu messenden Strahls aufweist. Im Körper entsteht ein Lumineszenz-Muster in Form der Strahl-Kaustik, welches durch eine plane Seite des Körpers hindurch von einem Fotodetektor aufgezeichnet wird. Das Verfahren bietet somit Vorteile bei der Vermessung von einzelnen Laserpulsen. Nachteilig ist, dass durch Brechung an der Eintrittsfläche des lumineszierenden Körpers die Strahlparameter verändert werden, so dass auf die Parameter des ursprünglichen Strahls zurückgerechnet werden muss. Problematisch ist außerdem die Vermessung von Strahlung mit hoher Leistung wegen thermischer Effekte im lumineszierenden Körper.
Eine Vorrichtung ähnlicher Art offenbart die WO 2011/119721 A2 . Bei dem dort gezeigten Laserstrahl-Monitor wird der Strahl nicht durch ein spezielles Medium geleitet, sondern es wird die Rayleigh-Streuung des Lichts im vorhandenen Medium, also normalerweise Luft, zur Beobachtung verwendet. Dazu wird das seitlich gestreute Licht auf eine Kamera abgebildet. Hintergrundlicht wird durch einen gegenüber der Kamera angeordneten absorbierenden Schirm reduziert. Problematisch ist, dass der Wirkungsgrad der Rayleigh-Streuung sehr gering ist und das gestreute Licht somit eine sehr geringe Intensität besitzt. Streulicht, welches durch feinste Staubpartikel in der Luft erzeugt wird, hat eine viel höhere Intensität. Die Ermittlung des Strahldurchmessers aus den Kamera-Bildern wird durch solche Störlicht-Einflüsse erschwert und führt zu schwankenden Ergebnissen mit geringer Messgenauigkeit. Einzelne Lichtstörungen durch Staub können durch Bildauswertungs-Algorithmen reduziert werden, grundsätzlich wird jedoch sehr saubere Umgebungsluft benötigt. Bei typischen Industrie-Anwendungen wie in der Lasermaterialbearbeitung ist die Umgebungsluft üblicherweise nicht sonderlich sauber, unter anderem wegen der bei der Lasermaterialbearbeitung auftretenden Schweißrauche. Die Genauigkeit dieses Messverfahrens ist unter diesen Bedingungen stark eingeschränkt.
Die bekannten Verfahren zur Messung von räumlichen Abmessungen oder des Propagationsfaktors eines Lichtstrahls weisen demnach verschiedene Nachteile auf, wie Änderung der Strahlparameter durch Abbildung, Anfälligkeit gegenüber thermischen Effekten, mangelnde Eignung für Strahlung mit sehr hoher Leistung, eingeschränkte Messgenauigkeit, oder lange Messzeiten. Die Nachteile sind besonders deutlich bei der Vermessung hochbrillanter Laserstrahlung hoher Leistung im Fokus-Bereich des Strahls.
Es besteht somit Bedarf an einer Lösung des Problems, räumliche Abmessungen eines Lichtstrahls oder Laserstrahls direkt im Fokus-Bereich mit hoher Genauigkeit und kurzer Messdauer zu bestimmen, insbesondere bei hohen Strahlleistungen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur direkten Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls mit hoher Genauigkeit und kurzer Messdauer zur Verfügung zu stellen, welche auch zur Vermessung von Laserstrahlen mit hoher Leistung im Bereich des Strahlfokus geeignet sind.
Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die einen Strahl-Abtaster, mindestens einen Lichtsensor, eine Bewegungseinrichtung zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl und dem Strahl-Abtaster, und eine Einrichtung zur Signalaufzeichnung eines zeitlich veränderlichen Signals vom Lichtsensor beinhaltet. Dabei umfasst der Strahl-Abtaster mindestens einen Abtastkörper mit mindestens drei Sonden-Bereichen. Die Sonden-Bereiche weisen entlang von Sonden-Linien eine Ausdehnung auf, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der Sonden-Bereiche quer zu den Sonden-Linien. Weiterhin sind die Sonden-Bereiche ausgebildet zur Entnahme von linienförmigen oder streifenförmigen Licht-Proben aus Querschnitten des Lichtstrahls. Die Sonden-Bereiche weisen einen Quer-Abstand zueinander auf, der in Projektion der Sonden-Bereiche auf eine Ebene senkrecht zur Achse des Lichtstrahls entlang einer durch die Relativbewegung gebildeten Spur des Lichtstrahls größer ist als ein Durchmesser des Lichtstrahls im abzutastenden Bereich des Lichtstrahls. Mehrere Abtastflächen sind definiert durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche jeweils aufgespannt mit einem Bewegungsvektor der Relativbewegung. Dabei weisen mindestens drei Abtastflächen in Richtung der Achse des Lichtstrahls einen von Null verschiedenen Abstand zueinander auf. Der Lichtsensor ist ausgebildet zur Erfassung mindestens eines Teils des Proben-Lichts der von den Sonden-Bereichen entnommenen Licht-Proben aus den Querschnitten des Lichtstrahls.
Es ist auch eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der die Sonden-Bereiche an einer Oberfläche des Abtastkörpers oder innerhalb des Abtastkörpers angeordnet sind.
In einer möglichen Ausführungsform entspricht die Weite der Relativbewegung, die mittels der Bewegungseinrichtung zur Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl und dem Strahl-Abtaster ausführbar ist, mindestens dem Dreifachen des Quer-Abstands zwischen benachbarten Sonden-Bereichen.
Die Sonden-Bereiche können quer zu den Sonden-Linien eine Ausdehnung haben, die höchstens gleich der Hälfte des kleinsten Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls ist.
Die Vorrichtung kann ausgebildet sein zur aufeinanderfolgenden Abtastung von mindestens drei verschiedenen Querschnitten des Lichtstrahls mittels der Sonden-Bereiche in einem einzelnen Bewegungsvorgang der Bewegungseinrichtung.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der Abstand zwischen den in Richtung der Achse des Lichtstrahls am weitesten entfernt angeordneten Abtastflächen mindestens einer Rayleigh-Länge des abzutastenden Lichtstrahls entspricht.
In einer möglichen Ausführungsform kann der Bewegungsvektor der Relativbewegung in einem Winkel zwischen 45° und 135° oder zwischen –45° und –135° zur Achse des Lichtstrahls ausgerichtet sein.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform können die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche in einem Winkel zwischen 45° und 135° oder zwischen –45° und –135° zur Achse des Lichtstrahls ausgerichtet sein.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche in einem Winkel zwischen 10° und 170° oder zwischen –10° und –170° zum Bewegungsvektor der Relativbewegung ausgerichtet sind.
In einer möglichen Ausführungsform können die Sonden-Bereiche ausgebildet sein zum Leiten zumindest eines Teils des von den Sonden-Bereichen entnommenen Proben-Lichts aus einem Querschnitt des Lichtstrahls in eine von der Ausbreitung des gesamten Lichtstrahls abweichende Richtung.
Die Sonden-Bereiche können eine lichtablenkende Strukturierung oder eine lichtstreuende Strukturierung aufweisen.
Die Sonden-Bereiche können auch gebildet sein durch linienförmige oder streifenförmige Beschichtungen auf dem Abtastkörper.
In einer weiteren Ausführungsform können die Sonden-Bereiche gebildet sein durch linienförmige oder streifenförmige Lücken in einer reflektierenden Beschichtung des Abtastkörpers.
Es ist eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der der Abtastkörper mindestens vier Sonden-Bereiche aufweist und wobei mindestens vier Abtastflächen in Richtung der Achse des Lichtstrahls jeweils einen von Null verschiedenen Abstand zueinander aufweisen.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der Abtastkörper mindestens zehn Sonden-Bereiche aufweist.
Der Abtastkörper kann einen Absorptionsgrad von höchstens 0,1% aufweisen.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung umfasst die Vorrichtung einen zweiten Abtastkörper mit mindestens drei zweiten Sonden-Bereichen. Dabei weisen die zweiten Sonden-Bereiche entlang von zweiten Sonden-Linien eine Ausdehnung auf, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der zweiten Sonden-Bereiche quer zu den zweiten Sonden-Linien.
Die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche können einen von Null verschiedenen Winkel mit den Sonden-Linien der Sonden-Bereiche des Abtastkörpers einschließen.
Mehrere zweite Abtastflächen können definiert sein durch die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche jeweils aufgespannt mit dem Bewegungsvektor. Dabei können die zweiten Abtastflächen und die Abtastflächen in Richtung der Achse des Lichtstrahls versetzt zueinander angeordnet sein.
In einer möglichen Ausführungsform kann der zweite Abtastkörper ein Bestandteil des Strahl-Abtasters sein.
Es ist auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der die Vorrichtung einen zweiten Strahl-Abtaster sowie eine zweite Bewegungseinrichtung zur Ausführung einer zweiten Relativbewegung zwischen dem zweiten Strahl-Abtaster und dem Lichtstrahl umfasst. Dabei ist der zweite Abtastkörper ein Bestandteil des zweiten Strahl-Abtasters, und ein zweiter Bewegungsvektor der zweiten Bewegungseinrichtung schließt einen von Null verschiedenen Winkel mit dem Bewegungsvektor der Bewegungseinrichtung ein.
Die Relativbewegung kann eine lineare Bewegung sein.
Die Relativbewegung kann auch eine Drehbewegung sein.
In einer weiteren möglichen Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Auswertungs-Einrichtung zur Bestimmung mindestens eines Parameters aus der folgenden Gruppe von Parametern des Lichtstrahls: Abmessungen von Querschnitten des Lichtstrahls in Richtung senkrecht zur Sonden-Linie, Strahldurchmesser in mehreren Positionen entlang der Achse des Lichtstrahls, axiale Fokus-Position, Fokusdurchmesser, Divergenz-Winkel, Strahlparameter-Produkt.
Die Vorrichtung kann zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Laserstrahls verwendet werden.
Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Mittels einer Bewegungseinrichtung wird eine Relativbewegung zwischen einem Strahl-Abtaster und dem Lichtstrahl ausgeführt. Mittels mehrerer Sonden-Bereiche werden linienförmige oder streifenförmige Licht-Proben aus mehreren Querschnitten des Lichtstrahls entnommen, wobei der Strahl-Abtaster mindestens einen Abtastkörper mit mindestens drei Sonden-Bereichen umfasst. Mittels eines Lichtsensors wird mindestens ein Teil des Proben-Lichts der von den Sonden-Bereichen entnommenen Licht-Proben aus den Querschnitten des Lichtstrahls erfasst. Mittels einer Einrichtung zur Signalaufzeichnung wird ein zeitlich veränderliches Signal des Lichtsensors aufgezeichnet. Dabei weisen die Sonden-Bereiche entlang von Sonden-Linien eine Ausdehnung auf, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der Sonden-Bereiche quer zu den Sonden-Linien, und die Sonden-Bereiche weisen einen Quer-Abstand zueinander auf, der in Projektion der Sonden-Bereiche auf eine Ebene senkrecht zur Achse des Lichtstrahls entlang einer durch die Relativbewegung gebildeten Spur des Lichtstrahls größer ist als ein Durchmesser des Lichtstrahls im abzutastenden Bereich des Lichtstrahls. Weiterhin sind dabei mehrere Abtastflächen definiert durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche jeweils aufgespannt mit dem Bewegungsvektor, und mindestens drei Abtastflächen weisen in Richtung der Achse des Lichtstrahls einen von Null verschiedenen Abstand zueinander auf.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem mindestens drei verschiedene Querschnitte des Lichtstrahls in einem einzelnen Bewegungsvorgang der Bewegungseinrichtung nacheinander mittels der Sonden-Bereiche abgetastet werden.
In einem weiteren möglichen Verfahren haben die Sonden-Bereiche quer zur Sonden-Linie eine Ausdehnung, die höchstens gleich der Hälfte des kleinsten halben Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls ist.
Es ist weiterhin ein Verfahren mit den folgenden zusätzlichen Verfahrensschritten vorgesehen. Es werden Signalpulse im aufgezeichneten Signal des Lichtsensors zu abgetasteten Querschnitten des Lichtstrahls zugeordnet. Es werden Pulsdauern der Signalpulse im aufgezeichneten Signal des Lichtsensors ermittelt. Aus den Pulsdauern der Signalpulse und aus einer Geschwindigkeit der Relativbewegung werden Abmessungen der Querschnitte berechnet.
Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem aus den Abmessungen der Querschnitte ein Strahlpropagationsfaktor oder ein Strahlparameter-Produkt berechnet wird.
Schließlich ist auch ein Verfahren mit dem folgenden zusätzlichen Verfahrensschritt vorgesehen. Mittels mindestens dreier zweiter Sonden-Bereiche eines zweiten Abtastkörpers werden linienförmige oder streifenförmige Licht-Proben aus mehreren Querschnitten des Lichtstrahls entnommen. Dabei weisen die zweiten Sonden-Bereiche entlang von zweiten Sonden-Linien eine Ausdehnung auf, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der zweiten Sonden-Bereiche quer zu den zweiten Sonden-Linien, und die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche schließen einen von Null verschiedenen Winkel mit den Sonden-Linien der Sonden-Bereiche des Abtastkörpers ein.
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 in verschiedenen Figuren dargestellte Merkmale kombiniert sein können. Es zeigt:
1: Eine schematische, teilperspektivische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem plattenförmigen Abtastkörper.
2a: Eine schematische Darstellung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform in einer Draufsicht.
2b: Eine teilweise Darstellung der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform in einer Seitenansicht.
3: Eine teilweise Darstellung einer Ausführungsform der Erfindung beim Abtast-Vorgang.
4a: Ein experimentelles Beispiel des aufgezeichneten Signals des Lichtsensors bei einer Vermessung eines Laserstrahls mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
4b: Einen Ausschnitt des aufgezeichneten Signals des Lichtsensors. Gezeigt ist der sechste Signal-Puls des in 4a dargestellten Signals.
5: Eine Auftragung der Strahlradien, die aus dem in 4a gezeigten Signal ermittelt wurden, über der axialen Position (Darstellung der Strahl-Kaustik).
6: Eine schematische, teilperspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem blockförmigen Abtastkörper.
7: Eine schematische, teilperspektivische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einem zweiten Abtastkörper, dessen zweite Sonden-Bereiche in einem Winkel zu den Sonden-Bereichen des ersten Abtastkörpers angeordnet sind.
8a: Eine schematische Darstellung der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform in einer Draufsicht.
8b: Eine schematische Darstellung der in 7 gezeigten zweiten Ausführungsform in einer Seitenansicht.
9: Eine Skizze zur Darstellung der zwei effektiven Abtast-Richtungen innerhalb einer Abtastfläche bei einer Ausführungsform der Erfindung mit zwei Abtastkörpern entsprechend den 7, 8a und 8b.
10: Eine Skizze zur Darstellung von drei effektiven Abtast-Richtungen innerhalb einer Abtastfläche bei einer Ausführungsform der Erfindung mit drei Abtastkörpern.
11: Eine Skizze zur Darstellung von vier effektiven Abtast-Richtungen innerhalb einer Abtastfläche bei einer Ausführungsform der Erfindung mit vier Abtastkörpern, die quasi eine tomografische Abtastung der Strahl-Querschnitte ermöglicht.
12: Eine schematische, teilperspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Relativbewegung durch eine Drehbewegung des Strahl-Abtasters ausgeführt ist.
13: Eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung ähnlich der in 12 gezeigten Ausführungsform.
14: Eine schematische Draufsicht einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer schraubenflächenförmigen Platte als Abtastkörper.
15: Eine schematische Draufsicht einer vierten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Relativbewegung durch eine Drehbewegung des Strahl-Abtasters ausgeführt ist und bei der der Strahl-Abtaster zwei Abtastkörper aufweist.
16: Eine schematische Draufsicht einer fünften Ausführungsform der Erfindung mit mehreren schraubenflächenförmigen Platten als Abtastkörper, die zueinander angewinkelt sind.
17: Eine schematische Draufsicht einer sechsten Ausführungsform der Erfindung mit zwei Strahl-Abtastern, die einen Lichtstrahl in zwei unterschiedlichen Richtungen nacheinander abtasten.
18: Eine schematische Seitenansicht einer weiteren Ausführungsform der Erfindung mit einem Abtastkörper, bei dem die Sonden-Bereiche gebildet sind durch schmale Lücken in einer reflektierenden Beschichtung des Abtastkörpers.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
In 1 ist eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst einen Strahl-Abtaster 20, einen Lichtsensor 60, eine Bewegungseinrichtung 50 und eine Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung. Der Strahl-Abtaster 20 schließt einen Abtastkörper 21 mit mehreren Sonden-Bereichen 22 ein. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Abtastkörper 21 eine Platte aus einem transparenten optischen Material. Die Sonden-Bereiche 22 sind entlang von Sonden-Linien ausgedehnt und haben in diesem Ausführungsbeispiel eine linienartige, streifenförmige oder stabförmige Gestalt. Die Sonden-Bereiche sind dazu ausgebildet, Licht in Richtungen zu leiten, die von der Ausbreitungsrichtung eines zu vermessenden Lichtstrahls 10 abweichen. Die Sonden-Bereiche 22 können dazu beispielsweise eine lichtstreuende Struktur aufweisen. Im gezeigten Beispiel sind die Sonden-Bereiche 22 auf einer Oberfläche des Abtastkörpers 21 oder innerhalb des Abtastkörpers 21 nahe an einer Oberfläche des Abtastkörpers angeordnet. Die Oberfläche des Abtastkörpers 21 ist dabei relativ zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 geneigt. Der Lichtstrahl 10 kann von einer Einrichtung 17 zur Aussendung eines Lichtstrahls emittiert werden. Die Bewegungseinrichtung 50 ist ausgebildet zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Strahl-Abtaster 20 und dem Lichtstrahl 10. Im gezeigten Beispiel wird der Strahl-Abtaster 20 mittels der Bewegungseinrichtung 50 durch den Lichtstrahl 10 hindurchbewegt. Dabei durchstoßen die Sonden-Bereiche 22 nacheinander verschiedene Querschnitte 14 des Lichtstrahls 10. Jeder Sonden-Bereich 22 bildet zusammen mit dem Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung eine Abtastfläche 25. Die Abtastflächen 25 sind parallel zueinander angeordnet und haben einen Abstand zueinander. Die Abtastflächen 25 können wie im gezeigten Beispiel ungefähr senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausgerichtet sein. Somit werden bei einer Ausführung der Relativbewegung mehrere Querschnitte 14 des Lichtstrahls 10 an verschiedenen Positionen längs der Achse 11 des Lichtstrahls 10 abgetastet. Beim Durchstoßen eines Querschnitts 14 entnimmt ein Sonden-Bereich 22 aufgrund seiner Gestalt eine linienförmige oder streifenförmige Licht-Probe aus dem Querschnitt 14. Das entnommene Probenlicht breitet sich in verschiedene Richtungen aus. Ein Teil des Probenlichts wird vom Lichtsensor 60 erfasst. Der Lichtsensor 60 kann dazu beispielsweise seitlich an dem Abtastkörper 21 angeordnet sein. Das vom Lichtsensor 60 erzeugte elektrische Signal wird von der Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung registriert.
Die 2a und 2b zeigen das in der 1 dargestellte Ausführungsbeispiel in weiteren Ansichten. 2a ist eine schematische Draufsicht auf die Vorrichtung. Die Draufsicht ist in diesem Fall gleichzeitig eine Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10. Die Sonden-Bereiche 22 weisen in dieser Projektion einen Quer-Abstand 23 zueinander auf. Der Quer-Abstand 23 ist größer als der Durchmesser 15 in den verschiedenen Querschnitten 14 des Lichtstrahls, die von den Sonden-Bereichen 22 abgetastet werden. Die Einrichtung 17 zur Aussendung des Lichtstrahls 10 ist in der Draufsicht nicht dargestellt.
2b ist eine Seitenansicht auf die Vorrichtung in der Ausführungsform wie in den 1 und 2a gezeigt. Zur besseren Übersicht sind in dieser Ansicht die Bewegungseinrichtung 50 und die Einrichtung 17 zur Aussendung des Lichtstrahls 10 nicht dargestellt. Die durch die Sonden-Bereiche 22 und den Bewegungsvektor 55 aufgespannten Abtastflächen 25 weisen einen Abstand 26 zueinander auf.
In der 3 ist die Erfindung während eines Abtast-Vorgangs teilweise dargestellt. Bei der Relativbewegung des Lichtstrahls 10 gegenüber dem Strahl-Abtaster 20 wird der Abtastkörper 21 durch den Lichtstrahl 10 geführt. Es kann auch umgekehrt der Lichtstrahl 10 mittels der Bewegungseinrichtung 50 über den Abtastkörper 21 geführt werden. In jedem Fall durchqueren die Sonden-Bereiche 22 nacheinander verschiedene Querschnitte 14 des Lichtstrahls 10. Durchstößt ein Sonden-Bereich 22 gerade einen Querschnitt 14, dann entnimmt der Sonden-Bereich 22 eine linienförmige oder streifenförmige Licht-Probe aus dem Querschnitt 14 des Strahls. Im gezeigten Ausführungsbeispiel weisen die Sonden-Bereiche 22 beispielsweise lichtstreuende Strukturen auf. Das Proben-Licht 40 ist dann eine in verschiedene Richtungen gestreute Strahlung aus der streifenförmigen Licht-Probe aus dem Lichtstrahl 10. Ein Teil des Proben-Lichts 40 wird von dem Lichtsensor 60 erfasst, der die momentane registrierte Intensität in ein proportionales elektrisches Signal umsetzt. Das elektrische Signal wird von der Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung aufgezeichnet.
4a zeigt ein Beispiel für ein aufgezeichnetes Signal des Lichtsensors 60. Bei diesem experimentellen Beispiel wurde ein Laserstrahl 10 mit einer Geschwindigkeit von 0,01 m/s über den Strahl-Abtaster 20 geführt. Die insgesamt 21 Pulse im Signalverlauf entsprechen hierbei 21 Sonden-Bereichen 22 im Abtastkörper 21, die den Strahl durchstoßen haben. Die Breite bzw. die Dauer eines einzelnen Signal-Pulses korreliert mit der Breite des Strahl-Querschnitts in der jeweiligen Abtastfläche 25.
In 4b ist ein Ausschnitt aus dem in 4a gezeigten Signalverlauf des Lichtsensors 60 dargestellt. Gezeigt ist der sechste Signal-Puls aus dem Signalverlauf. Der zeitliche Verlauf des Pulses kann in diesem Beispiel sehr gut durch eine Gauß-Kurve approximiert werden, die in der Abbildung als eng gestrichelte Kurve eingezeichnet ist. In diesem Fall hat demnach der abgetastete Strahlquerschnitt eine Gauß-förmige Intensitätsverteilung. Die Bestimmung der Dauer des Pulses kann beispielsweise durch Aufsuchen der Punkte erfolgen, an denen das Signal auf 1/e² abgefallen ist, also auf 13,5% der Maximal-Intensität. Die ermittelte Pulsdauer t_Puls beträgt hier etwa 0,0125 Sekunden. Die Pulsdauer korreliert mit der Breite des abgetasteten Strahlquerschnitts, die durch Multiplikation der Pulsdauer mit der Abtast-Geschwindigkeit berechnet werden kann. Bei Annahme eines rotationssymmetrischen Strahls beträgt der ermittelte Strahlradius w_Strahl demnach etwa 0,0625 mm in der entsprechenden Abtastfläche bzw. z-Position (d. h. Position entlang der Strahl-Achse).
5 zeigt eine Auftragung der Strahlradien über der axialen Position. Die Auftragung stellt die Strahl-Kaustik des abgetasteten Strahls dar. Die Strahlradien wurden aus dem in 4a dargestellten Signal ermittelt. Die Messpunkte können durch eine Funktion nach Formel 1 approximiert werden. Der entsprechende Fit für die Messpunkte ist als gestrichelte Kurve eingezeichnet. Daraus wurden für diese Messung die folgenden Strahlparameter bestimmt: Fokus-Position 8,2 mm, Taillen-Radius 0,0372 mm, Rayleigh-Länge 3,85 mm. Der Fernfelddivergenz-Vollwinkel ergibt sich daraus zu 19,3 mrad und das Strahlparameterprodukt beträgt 0,359 mm·mrad. Es handelt sich demnach um einen Grundmode-Strahl mit einem Strahlpropagationsfaktor (Modenfaktor) von etwa M² = 1,06.
In 6 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dargestellt. Der Abtastkörper 21 ist in diesem Beispiel keine geneigte Platte, sondern ein Block aus einem transparenten optischen Material. Die Sonden-Bereiche 22 sind entlang einer gedachten diagonal verlaufenden Fläche innerhalb des blockförmigen Abtastkörpers 21 angeordnet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten Ausführungsform.
7 zeigt eine zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung. Der Strahl-Abtaster 20 umfasst hier zwei Abtastkörper 21, 31. Der zweite Abtastkörper 31 weist mehrere zweite Sonden-Bereiche 32 in gleichartiger Weise wie der Abtastkörper 21 auf. Dem zweiten Abtastkörper 31 kann ein weiterer Lichtsensor 60 zugeordnet sein. Die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21 sind nicht senkrecht zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet bzw. angeordnet, sondern sind beispielsweise um 45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt. Der Abtastkörper 21 ist dazu entsprechend schräg zum Bewegungsvektor 55 angeordnet und kann als trapezförmige Platte ausgeführt sein. Die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche 32 des zweiten Abtastkörpers 31 sind ebenfalls nicht senkrecht zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet, sondern sind beispielsweise um –45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt. Die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche 32 schließen mit den Sonden-Linien der Sonden-Bereiche 22 einen Winkel ein, der in diesem Beispiel demnach 90° beträgt. Mit anderen Worten, die zweiten Sonden-Bereiche 32 sind senkrecht zu den Sonden-Bereichen 22 angeordnet. Der zweite Abtastkörper 31 kann so angeordnet sein, dass die zweiten Sonden-Bereiche 32 jeweils in den selben Abtastflächen 25 liegen, die von den Sonden-Bereichen 22 mit dem Bewegungsvektor 55 aufgespannt werden. Auf diese Weise werden die Querschnitte 14 des Lichtstrahls 10 nacheinander in zwei verschiedenen Richtungen abgetastet, wenn der Strahl-Abtaster 20 durch den Lichtstrahl 10 geführt wird. Dadurch können die Abmessungen der Strahlquerschnitte in zwei Richtungen bestimmt werden, was die Vermessung elliptischer oder astigmatischer Strahlen ermöglicht.
Die 8a und 8b zeigen die in der 7 dargestellte zweite Ausführungsform in einer Draufsicht sowie in einer Seitenansicht. Die Draufsicht (8a) auf den Strahl-Abtaster 20 der Vorrichtung zeigt, dass die Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21 und die zweiten Sonden-Bereiche 32 des zweiten Abtastkörper 31 einen Winkel einschließen, der im dargestellten Beispiel etwa 90° beträgt. Die Sonden-Bereiche 22 haben einen Quer-Abstand 23 zueinander. Die zweiten Sonden-Bereiche 32 des zweiten Abtastkörpers 31 weisen ebenfalls einen Quer-Abstand zueinander auf. Der Quer-Abstand 23 ist größer als der Durchmesser 15 in den verschiedenen Querschnitten 14 des Lichtstrahls, die von den Sonden-Bereichen 22 und den zweiten Sonden-Bereichen 32 abgetastet werden.
8b ist eine Seitenansicht auf eine zweite Ausführungsform der Erfindung wie in 7 und 8a gezeigt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel weist der zweite Abtastkörper 31 ebenso viele zweite Sonden-Bereiche 32 auf, wie der Abtastkörper 21 Sonden-Bereiche 22 besitzt. Jeweils ein Sonden-Bereich 22 und ein zweiter Sonden-Bereich 32 sind in der selben Abtastfläche 25 angeordnet, so dass jeder Querschnitt 14 des Lichtstrahls 10 in zwei Abtastrichtungen abgetastet wird. Bei diesem Ausführungsbeispiel weisen alle Abtastflächen 25 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 einen von Null verschiedenen Abstand auf. Jedem der beiden Abtastkörper 21 und 31 ist ein Lichtsensor 60 zugeordnet, deren Signale von der Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung registriert werden.
9 zeigt schematisch die Möglichkeiten zur Bestimmung von Abmessungen eines Strahlquerschnittes 14 mit einer Vorrichtung gemäß der 7 bzw. 8a und 8b. Beispielhaft sind in der Abbildung ein Sonden-Bereich 22 des Abtastkörpers 21 und ein zweiter Sonden-Bereich 32 des zweiten Abtastkörpers 31 dargestellt, die sich in der selben Abtastfläche 25 befinden. Bei der Abtastung eines Strahlquerschnitts 14 durch einen Sonden-Bereich kann die Abmessung des Strahlquerschnitts 14 nur in einer Richtung quer zur Sonden-Linie bzw. senkrecht zur Sonden-Achse des Sonden-Bereichs bestimmt werden. Dabei ist die Sonden-Achse die lokale Tangente an der Sonden-Linie. Die effektive (d. h. wirksame) Abtastrichtung eines Sonden-Bereichs ist also die Normalen-Richtung zur Sonden-Achse des Sonden-Bereichs. Die effektive Abtastrichtung 27 des Sonden-Bereichs 22 ist in diesem Beispiel um 45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt, so dass aus dem Abtast-Signal des Sonden-Bereichs 22 die Abmessung 16' des Strahlquerschnitts 14 bestimmt werden kann. Die effektive Abtastrichtung 37 des zweiten Sonden-Bereichs 32 ist hingegen um –45° zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet und dient somit zur Bestimmung der Abmessung 16'' des Strahlquerschnitts 14. Die beiden effektiven Abtastrichtungen 27 und 37 stehen in diesem Beispiel also senkrecht zueinander. Der zu vermessende Lichtstrahl 10 ist in diesem Beispiel elliptisch oder astigmatisch, hat also in der Abtastfläche 25 einen elliptischen Querschnitt 14. Mittels der Bestimmung von zwei Abmessungen 16', 16'' ist es möglich, die Elliptizität des Strahlquerschnitts zu bestimmen, jedoch nur, wenn die Hauptachsen der Ellipse ungefähr in Richtung der effektiven Abtastrichtungen 27, 37 ausgerichtet sind.
In 10 ist eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Abmessungen eines Strahlquerschnitts 14 schematisch dargestellt. In diesem Beispiel umfasst der Strahl-Abtaster 20 drei Abtastkörper 21, 31 und 31', die hier nicht dargestellt sind. Aus jedem Abtastkörper ist jeweils ein Sonden-Bereich dargestellt. Die Sonden-Bereiche aus den verschiedenen Abtastkörpern weisen zum Bewegungsvektor 55 verschiedene Orientierungen auf. Hier sind die Abtastrichtungen 27, 37 und 37' der Sonden-Bereiche 22, 32 und 32' um 45°, 0° sowie –45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt, so dass drei verschiedene Abmessungen 16', 16'', 16''' des Strahlquerschnitts 14 bestimmt werden können. Mittels dreier unterschiedlicher Abtastrichtungen ist es möglich, nicht nur die Abmessungen eines Querschnitts 14 in zwei Achsenrichtungen zu bestimmen; mittels der Bestimmung von drei Abmessungen kann zusätzlich die Orientierung der Hauptachsen eines elliptischen Strahlquerschnitts 14 rekonstruiert werden und somit die Elliptizität von elliptischen oder astigmatischen Strahlen in beliebigen Orientierungen vermessen werden. Die Neigungswinkel der effektiven Abtastrichtungen bzw. Sonden-Bereiche müssen dazu nicht exakt 45°, 0° und –45° betragen, es sind auch andere Neigungswinkel möglich, beispielsweise 60°, 0° und –60°.
11 zeigt schematisch noch eine weitere Möglichkeit zur Bestimmung von Abmessungen eines Strahlquerschnittes 14 mit einer nicht radialsymmetrischen Gestalt. In dem hier gezeigten Beispiel umfasst der Strahl-Abtaster 20 vier Abtastkörper 21, 31, 31' und 31'' (nicht in der Figur dargestellt); im Übrigen entspricht dieses Beispiel im Wesentlichen dem in 10 gezeigten Ausführungsbeispiel. Aus jedem Abtastkörper ist jeweils ein Sonden-Bereich aus derselben Abtastfläche 25 dargestellt. Die Sonden-Bereiche aus den verschiedenen Abtastkörpern weisen zum Bewegungsvektor 55 verschiedene Orientierungen auf. In diesem Beispiel sind die Abtastrichtungen 27, 37, 37' und 37'' der Sonden-Bereiche 22, 32, 32' und 32'' um 67,5°, 22,5°, –22,5° sowie –67,5° zum Bewegungsvektor 55 geneigt. Somit können vier verschiedene Abmessungen 16', 16'', 16''', 16'''' des Strahlquerschnitts 14 bestimmt werden. Wie in den Erläuterungen zu 10 dargestellt, sind bereits drei verschiedene Abtastrichtungen ausreichend zur vollständigen Bestimmung der geometrischen Parameter eines elliptischen Strahlquerschnitts 14, d. h. zur Bestimmung der beiden Abmessungen in den Hauptachsenrichtungen und der Orientierung der Hauptachsen. Die vierte unterschiedliche Abtastrichtung liefert somit bereits eine redundante Information. Die redundante Information kann zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Bestimmung der Abmessungen des Strahlquerschnitts 14 verwendet werden. Es ist aber auch möglich, aus den Abtast-Signalen der verschiedenen Abtastrichtungen in einem Tomografie-ähnlichen Verfahren das gesamte Strahlprofil im abgetasteten Strahlquerschnitt zu rekonstruieren.
In 12 ist eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl 10 und dem Strahl-Abtaster 20 als Drehbewegung des Strahl-Abtasters 20 ausgeführt. Der Strahl-Abtaster 20 weist dazu eine Halterung 29 auf, die um eine Drehachse 52 drehbar gelagert ist. Die Bewegungseinrichtung 50 sorgt für eine Drehbewegung der Halterung 29. Die Drehbewegung kann eine Bewegung um einen bestimmten Winkelbogen sein oder auch eine gleichförmige Rotation um die Drehachse 52. Der Bewegungsvektor 55 ist hier dargestellt als Überlagerung der lokalen Richtungs-Tangenten an einer bogenförmigen oder kreisförmigen Abtastspur. An der Halterung 29 ist der Abtastkörper 21 befestigt. Der Abtastkörper 21 kann ähnlich wie der Abtastkörper der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform ausgebildet sein, also beispielsweise als transparente Platte mit mehreren Sonden-Bereichen 22. Die Sonden-Bereiche 22 werden mittels der Drehbewegung durch den Lichtstrahl 10 geführt. Jeder Sonden-Bereich 22 spannt mit dem Bewegungsvektor 55, also mit den lokalen Richtungstangenten der Abtastspur, eine Abtastfläche 25 auf. Zur besseren Übersicht ist in der 12 nur eine Abtastfläche 25 dargestellt. Die Halterung 29 ist in 12 als ein Körper mit hexagonaler Grundfläche dargestellt, kann aber auch ein beliebig anders geformter Körper sein. Die Halterung 29 kann aus einem transparenten Material bestehen, so dass das Proben-Licht der von den Sonden-Bereichen 22 aus den Querschnitten 14 entnommenen Lichtproben durch die Halterung 29 hindurchtreten kann und ein Teil des Proben-Lichts auf Lichtsensor 60 fällt. Der Lichtsensor 60 kann dazu in einer geeigneten Position entlang der Drehachse 52 angeordnet sein. Der Lichtsensor kann daher feststehend angeordnet sein und muss nicht mit der Drehbewegung gekoppelt sein. Die Halterung 29 kann auch ein Hohlkörper sein oder ein Körper mit Freimachungen für die Führung des Proben-Lichts. Die Halterung 29 kann auch eine Art Käfig sein, die den Abtastkörper 21 aufnimmt.
13 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer dritten Ausführungsform, ähnlich der in 12 gezeigten Ausführungsform. Im Unterschied zur 12 ist in diesem Beispiel der Lichtsensor 60 an der Halterung 29 in der Nähe des Abtastkörpers 21 angeordnet. Im Übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel der in 12 gezeigten Ausführungsform.
In 14 ist ein weiteres Beispiel einer dritten Ausführungsform der Erfindung dargestellt, ähnlich der in den 12 und 13 gezeigten Beispiele. Die 14 zeigt das Ausführungsbeispiel in einer schematischen Draufsicht, um die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel von 13 deutlich zu machen. Der Abtastkörper 21 ist hier als eine Art schraubenflächenförmige Platte ausgebildet. Die Sonden-Linien bzw. die Sonden-Achsen der Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21 sind radial zur Drehachse 52 ausgerichtet. Dadurch weisen die effektiven Abtastrichtungen, d. h. die Normalen zu den Sonden-Achsen in den jeweiligen Abtastflächen, beim Durchstoßen der Strahlquerschnitte 14 immer in dieselbe Richtung, in diesem Fall also immer tangential zum Bewegungsvektor 55. Die Halterung 29 ist in 14 mit einem runden Querschnitt dargestellt, kann also beispielsweise ein zylindrischer Körper oder zylindrischer Käfig sein. Die Halterung 29 kann aber auch eine beliebige andere Form aufweisen. Im Übrigen entspricht dieses Ausführungsbeispiel der in 13 gezeigten Ausführungsform.
15 zeigt eine schematische Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer vierten möglichen Ausführungsform. Bei dieser Ausführungsform ist die Relativbewegung eine Drehbewegung ähnlich wie bei den in den 13 und 14 gezeigten Ausführungsformen. Der Strahl-Abtaster 20 umfasst hier einen Abtastkörper 21 und einen zweiten Abtastkörper 31, die beide als transparente trapezförmige Platten mit jeweils mehreren Sonden-Bereichen 22 bzw. 32 ausgeführt sind. Beide Abtastkörper 21, 31 sind an einer Halterung 29 angeordnet, die um eine Drehachse 52 drehbar gelagert ist. Jedem Abtastkörper 21, 31 ist in diesem Ausführungsbeispiel ein eigener Lichtsensor 60 zugeordnet, die beispielsweise an der Halterung 29 befestigt sein können. Die Abtastkörper sind in unterschiedlicher Weise schräg an der Halterung 29 angeordnet. Die Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21 sind im Mittel um ungefähr 45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt, während die zweiten Sonden-Bereiche 32 des zweiten Abtastkörpers 31 im Mittel um ungefähr –45° zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet sind. Dadurch stehen zwei unterschiedliche effektive Abtastrichtungen zur Verfügung, wie schematisch in der 9 dargestellt. Somit kann mit der hier gezeigten Ausführungsform auch ein elliptischer Strahl vermessen werden, wenn die Hauptachsen der elliptischen Querschnitte 14 geeignet ausgerichtet sind.
In 16 ist eine fünfte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Draufsicht dargestellt. In dieser Ausführungsform weist der Strahl-Abtaster 20 drei Abtastkörper 21, 31, 31' auf, die an einer drehbar gelagerten Halterung 29 befestigt sind. Die Abtastkörper 21, 31, 31' sind hier als verschiedene schraubenflächenförmige Platten ausgeführt, die in unterschiedlicher Weise schräg an der Halterung 29 angeordnet sind. Die Sonden-Bereiche 32 des Abtastkörpers 31 sind in jedem möglichen Abtast-Punkt um 45° zum Bewegungsvektor 55 geneigt. Es ergeben sich dadurch schwach gekrümmte Sonden-Bereiche 32. Die Achsen der Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21 stehen in jedem möglichen Abtast-Punkt senkrecht zum Bewegungsvektor 55, oder mit anderen Worten, die Sonden-Bereiche 22 sind radial zur Drehachse ausgerichtet. Die Sonden-Bereiche 32' des Abtastkörpers 31' wiederum sind in jedem möglichen Abtast-Punkt um –45° zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet und sind daher in umgekehrter Orientierung geringfügig durchgebogen. In dieser Ausführungsform stehen damit drei unterschiedliche effektive Abtastrichtungen zur Verfügung. Dies entspricht der in 10 dargestellten Abtast-Konfiguration. Somit kann ein elliptischer oder astigmatischer Lichtstrahl 10 mit beliebiger Orientierung der Haupt-Achsen der elliptischen Strahlquerschnitte vermessen werden. Da zu einem Zeitpunkt jeweils immer nur ein Sonden-Bereich der diversen Sonden-Bereiche 22, 32, 32' den Lichtstrahl 10 durchquert, ist prinzipiell ein Lichtsensor 60 ausreichend zur Erfassung des Proben-Lichts. Der Lichtsensor 60 kann dazu in einer dem Lichtstrahl 10 zugewandten feststehenden Position angeordnet sein.
17 zeigt eine sechste mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Draufsicht. Die Vorrichtung weist hier zwei Strahl-Abtaster 20, 30 sowie zwei Bewegungseinrichtungen 50, 53 auf. Der Strahl-Abtaster 20 und der zweite Strahl-Abtaster 30 sind gleichartig ausgebildet. Die Ausführung der beiden Strahl-Abtaster 20, 30 kann beispielsweise der Ausführung des Strahl-Abtasters 20 der ersten Ausführungsform entsprechen, die in den 1, 2a und 2b dargestellt ist. Die beiden Strahl-Abtaster tasten den Lichtstrahl 10 in verschiedenen Richtungen 55, 56 ab. Das Signal des Lichtsensors 60 vom Strahl-Abtaster 20 sowie das Signal des zweiten Lichtsensors 62 vom zweiten Strahl-Abtaster 30 können von der gleichen Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung registriert werden.
In 18 ist schließlich noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Seitenansicht gezeigt. Die Ausführungsform ähnelt der ersten Ausführungsform, die in 1, 2a und 2b dargestellt ist. Der Abtastkörper 21 des Strahl-Abtasters 20 ist hier ebenfalls als transparente Platte ausgeführt. Die Sonden-Bereiche 22 unterschieden sich jedoch wesentlich von den bisher gezeigten Sonden-Bereichen. Der plattenförmige Abtastkörper 21 ist an einer dem Lichtstrahl 10 zugewandten Oberfläche mit einer hochreflektierenden Beschichtung 24 versehen. Die Beschichtung 24 ist an mehreren linienförmigen oder streifenförmigen Bereichen unterbrochen. Diese Unterbrechungen der hochreflektierenden Beschichtung 24 bilden hier die Sonden-Bereiche 22. Beim Abtast-Vorgang wird der Abtastkörper 21 des Strahl-Abtasters 20 durch den Lichtstrahl 10 geführt. Dabei wird der Lichtstrahl 10 von der reflektierenden Beschichtung 24 des Abtastkörpers 21 zur Seite umgelenkt. Wenn ein Sonden-Bereich 22 einen Strahlquerschnitt durchstößt, dann propagiert an der Unterbrechung der Beschichtung 24 ein Teil des Lichtstrahls 10 in den Abtastkörper 21. Diese linienförmige oder streifenförmige Lichtprobe aus einem Querschnitt des Lichtstrahls 10 bildet das Proben-Licht 40. Ein Teil des Proben-Lichts 40 wird auf den Lichtsensor 60 geführt. Im hier gezeigten Beispiel wird das erreicht mittels eines Lichtverteilers 28, der beispielsweise als eine Aufrauhung oder Mattierung an der gegenüberliegenden Seite des plattenförmigen Abtastkörpers ausgebildet sein kann. Das Probenlicht 40 wird am Lichtverteiler 28 gestreut. Ein Teil des Streulichts 42 wird vom Lichtsensor 60 erfasst. Der Lichtsensor 60 muss dazu nicht mit dem Strahl-Abtaster 20 mitbewegt werden, sondern kann feststehend angeordnet sein.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, räumliche Abmessungen eines Lichtstrahls oder Laserstrahls direkt im Fokus-Bereich mit hoher Genauigkeit und kurzer Messdauer zu bestimmen, insbesondere bei hohen Strahlleistungen.
Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Strahl-Abtaster 20, einen Lichtsensor 60, eine Bewegungseinrichtung 50 und eine Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung beinhaltet. Der Strahl-Abtaster 20 umfasst mindestens einen Abtastkörper 21 mit mindestens drei Sonden-Bereichen 22.
Die Sonden-Bereiche 22 sind entlang von Sonden-Linien ausgedehnt. Die Sonden-Linien können gerade oder gekrümmt sein. Eine Sonden-Achse ist definiert als lokale Tangente an die Sonden-Linie. Die Sonden-Bereiche 22 können beispielsweise eine linienförmige, streifenförmige oder stabförmige Gestalt aufweisen. Die Länge oder Längs-Ausdehnung eines Sonden-Bereichs ist definiert als die Ausdehnung des Sonden-Bereichs entlang der Sonden-Linie bzw. in Richtung der Sonden-Achse. Die Breite eines Sonden-Bereichs ist definiert als die Ausdehnung des Sonden-Bereichs quer zur Sonden-Linie bzw. senkrecht zur Sonden-Achse. Die Länge der Sonden-Bereiche 22 ist wesentlich größer als die Breite der Sonden-Bereiche 22. Die Längs-Ausdehnung der Sonden-Bereiche 22 entlang der Sonden-Linien ist mindestens um einen Faktor zehn größer als die Breite der Sonden-Bereiche 22. Die Längs-Ausdehnung kann beispielsweise auch um einen Faktor 100 oder höher größer sein als die Breite der Sonden-Bereiche 22. Die Breite der Sonden-Bereiche 22 kann beispielsweise mindestens so groß sein wie die Wellenlänge des abzutastenden Lichtstrahls 10. Die Länge der Sonden-Bereiche 22 kann beispielsweise mindestens doppelt so groß sein wie ein Durchmesser des Lichtstrahls 10 im zu vermessenden Bereich des Lichtstrahls 10. Die Breite der Sonden-Bereiche 22 kann entlang der Sonden-Linie konstant sein. Die Breite der Sonden-Bereiche 22 kann auch gemittelt über eine Strecke entlang der Sonden-Linie, die höchstens gleich der Breite des Sonden-Bereichs 22 ist, entlang der Sonden-Linie konstant sein.
Die Bewegungseinrichtung 50 stellt eine Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl 10 und dem Strahl-Abtaster 20 zur Verfügung. Dadurch wird entweder der Strahl-Abtaster 20 durch den Lichtstrahl 10 geführt, oder der Lichtstrahl 10 wird über den Strahl-Abtaster 20 geführt. Die Bewegungseinrichtung 50 kann also beispielsweise ein Antrieb sein, mittels dem der Strahl-Abtaster 20 bewegt wird. Die Bewegungseinrichtung 50 kann auch eine Einrichtung sein, die zur Steuerung der Position des Lichtstrahls 10 ausgebildet ist. Das kann eine Führungsmaschine sein, die die Einrichtung 17 zur Aussendung des Lichtstrahls 10 bewegt, also beispielsweise ein Roboter, der eine Laserbearbeitungsoptik führt. Es kann auch ein Scanner zur Steuerung der Strahl-Bewegung verwendet werden. Die Bewegung kann linear, bogenförmig oder eine Drehbewegung sein. Der zeitliche Ablauf der Bewegung kann ein einzelner Bewegungsablauf oder -Zyklus sein, es kann eine periodische Bewegung sein, oder eine kontinuierliche Bewegung wie bei einer Drehbewegung oder Rotation. Durch die lokale Tangente an die Abtastspuren, die durch die Relativbewegung im Raum erzeugt werden, ist ein Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung definiert.
Bei einem einzelnen Bewegungsablauf durchqueren alle, oder möglichst viele, aber mindestens drei der Sonden-Bereiche 22 nacheinander den Lichtstrahl 10. Es befindet sich dabei zu einem beliebigen Zeitpunkt höchstens ein Sonden-Bereich innerhalb der Strahl-Kaustik des Lichtstrahls 10. Dazu weisen benachbarte Sonden-Bereiche 22 einen Quer-Abstand 23 zueinander auf, der größer ist als der Durchmesser 15 im abzutastenden Bereich des Lichtstrahls 10. Der Quer-Abstand 23 ist dabei definiert als der Abstand der Sonden-Bereiche in der Projektion auf eine Ebene senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 entlang der durch die Relativbewegung gebildeten Spur des Lichtstrahls 10. Auf diese Weise werden durch die Entnahme von Lichtproben aus den Strahlquerschnitten durch die Sonden-Bereiche 22 einzelne Lichtpulse bzw. Signal-Pulse erzeugt, die zeitlich voneinander getrennt sind und somit präzise ausgewertet und dem jeweiligen Querschnitt 14 zugeordnet werden können. Die Sonden-Bereiche 22 durchqueren dabei verschiedene Querschnitte 14 des Lichtstrahls 10, das heißt, die von den Sonden-Bereichen 22 durchstoßenen Querschnitte 14 liegen an unterschiedlichen Positionen entlang der Achse 11 des Lichtstrahls 10. Dazu haben die Sonden-Bereiche 22 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 einen von Null verschiedenen Abstand. Ein Sonden-Bereich 22 spannt mit dem Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung eine virtuelle Fläche auf, die eine Abtastfläche 25 bildet. Mindestens drei der Abtastflächen 25 haben in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 einen Abstand 26 zueinander, so dass mindestens drei Querschnitts-Flächen des Lichtstrahls 10 an unterschiedlichen z-Positionen (Positionen entlang der Achse 11 des Strahls) abgetastet werden. Bei der Durchquerung eines Sonden-Bereichs 22 durch einen Strahlquerschnitt 14 wird entsprechend der Gestalt des Sonden-Bereichs 22 eine linienförmige oder streifenförmige Lichtprobe aus dem Querschnitt 14 entnommen. Dazu leitet der Sonden-Bereich 22 Anteile des Lichtstrahls 10 in Richtungen, die von der Haupt-Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 10 abweichen. Das vom Sonden-Bereich 22 in abweichende Richtungen geleitete Licht bildet das Proben-Licht 40. Ein Anteil des Proben-Lichts 40 trifft auf den Lichtsensor 60 und wird vom Lichtsensor 60 in ein elektrisches Signal umgewandelt, dessen Höhe proportional zur Menge des empfangenen Proben-Lichts 40 ist. Der Lichtsensor 60 kann beispielsweise eine Fotodiode sein. Das elektrische Signal wird von der Einrichtung 64 zur Signalaufzeichnung aufgezeichnet.
Der zeitliche Verlauf des Signals vom Lichtsensor 60 besteht aus mehreren Signal-Pulsen. Jeder Signal-Puls entspricht einem von einem Sonden-Bereich 22 abgetasteten Querschnitt 14 des Lichtstrahls 10. Die momentane Signalhöhe ist proportional zu der entlang der Sonden-Linie aufintegrierten Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt. Der zeitliche Verlauf des Signals gibt die aufintegrierte Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt in der Richtung senkrecht zur Sonden-Achse wieder. Die Richtung senkrecht zur Sonden-Achse ist also die effektive (d. h. wirksame) Abtastrichtung 27, in der die Abmessungen der Strahlquerschnitte 14, also beispielsweise der Strahldurchmesser 15, ermittelt werden können. Zur Bestimmung des Strahldurchmessers wird die zeitliche Dauer eines einzelnen Signal-Pulses nach einem geeigneten Kriterium bestimmt, beispielsweise durch Ermittlung der Punkte an denen die Intensität auf 13,5% (bzw. auf 1/e²) der Maximal-Intensität abgefallen ist. Der Strahldurchmesser 15 ergibt sich aus der Pulsdauer multipliziert mit der effektiven Abtastgeschwindigkeit. Die effektive Abtastgeschwindigkeit ist der in der effektiven Abtastrichtung 27 wirksame Geschwindigkeitsanteil der Relativbewegung zwischen dem Strahl-Abtaster 20 und dem Lichtstrahl 10. Wenn die Sonden-Achsen nicht senkrecht auf dem Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung stehen, sondern unter einem Winkel α, so ist demnach bei der Bestimmung der effektiven Abtastgeschwindigkeit gegebenenfalls ein Faktor sin (α) zu berücksichtigen.
Die Abtastgeschwindigkeit kann beispielsweise von der Bewegungseinrichtung 50 bereitgestellt werden zur Berechnung der Abmessungen der Strahlquerschnitte. Die Abtastgeschwindigkeit kann auch mittels einer zusätzlichen Einrichtung zur Erfassung der Relativbewegung bestimmt werden. Das kann zum Beispiel ein Positionsgeber sein, der mit dem Strahl-Abtaster 20 oder mit der Einrichtung 17 zur Aussendung des Lichtstrahls 10 gekoppelt sein kann.
Die effektive Abtastgeschwindigkeit kann auch aus dem Signal des Lichtsensors 60 bestimmt werden. Die effektive Abtastgeschwindigkeit ergibt sich aus den Quotienten aus den bekannten Quer-Abständen 23 der Sonden-Bereiche 22 und den zeitlichen Abständen der Signal-Pulse im Verlauf des Signals.
Bei genauerer Betrachtung ist bei der Bestimmung der Strahl-Abmessungen aus der Signal-Pulsdauer die Breite der Sonden-Bereiche 22 zu berücksichtigen. Die Breite der Sonden-Bereiche 22, also die Ausdehnung der Sonden-Bereiche 22 quer zur Sonden-Linie, geht als Abtast-Funktion in die Pulsdauer des Signals ein. Das Signal ist eine Faltung aus der gesuchten Intensitätsverteilung und der Abtast-Funktion des Sonden-Bereichs. Zur genauen Bestimmung der Strahl-Abmessungen muss deshalb die Breite des Sonden-Bereichs herausgerechnet werden oder eine Entfaltung durchgeführt werden. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, den Sonden-Bereich so schmal auszuführen, dass der Einfluss auf die Signal-Pulsdauer vernachlässigbar ist. Wenn der Strahl eine gaußförmige Intensitätsverteilung aufweist und die Abtast-Funktion ebenfalls eine Gauß-ähnliche Form hat, dann kann die resultierende, d. h. verbreiterte Signal-Pulsbreite auf einfache Weise berechnet werden: b_Signal ≈ (b_Strahl ² + b_Sonde ²)^1/2 (Formel 2a)
Dabei ist b_Signal die Breite der resultierenden Signal-Pulsbreite, b_Strahl ist die Abmessung des Strahlquerschnitts in der Abtastrichtung, und b_Sonde ist die Breite der Abtast-Funktion, die ungefähr gleich der Breite der Sonden-Bereiche 22 ist.
Entsprechend kann die gesuchte Abmessung des Strahlquerschnitts, also beispielsweise der Durchmesser des Strahlquerschnitts, mit folgender Formel berechnet werden: b_Strahl ≈ (b_Signal ² – b_Sonde ² )^1/2 (Formel 2b)
Beispielsweise beträgt die Vergrößerung der Signal-Pulsbreite nur etwa 12%, wenn die Breite der Abtastfunktion die Hälfte des Durchmessers des Strahlquerschnitts ist. Es ist daher in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, dass die Sonden-Bereiche 22 quer zur Sonden-Linie eine Ausdehnung haben, die höchstens gleich der Hälfte des kleinsten Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls 10 ist. Wenn die Breite der Abtastfunktion beispielsweise 1/5 des Durchmessers des Strahlquerschnitts ist, dann beträgt die Verbreiterung des Signal-Pulses etwa 2%. Ist die Breite der Abtastfunktion nur 1/10 des Durchmessers des Strahlquerschnitts, dann beträgt die Verbreiterung des Signal-Pulses nur noch etwa 0,5% und kann vernachlässigt werden. Es sind daher auch Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, bei denen die Sonden-Bereiche 22 quer zur Sonden-Linie eine Ausdehnung haben, die höchstens gleich einem Fünftel, oder höchstens gleich einem Zehntel, des kleinsten Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls 10 ist.
Aus den ermittelten Strahl-Abmessungen in den verschiedenen Querschnitts-Ebenen des Lichtstrahls können weitere Parameter bestimmt werden wie beispielsweise der Strahlpropagationsfaktor, das Strahlparameterprodukt, der Fernfeld-Divergenz-Winkel, der Durchmesser der Strahl-Taille, und die axiale Position der Strahltaille. Dazu wird eine Anpassung bzw. ein Fit einer hyperbolischen Funktion wie in Formel 1 an die ermittelten Strahl-Abmessungen durchgeführt.
Eine hyperbolische Funktion wie die Formel 1 zur Beschreibung der Strahl-Kaustik enthält drei unabhängige Parameter. Zur Bestimmung der Parameter sind daher wenigstens drei Messpunkte erforderlich. Deshalb hat der Abtastkörper 21 in einer einfachsten Ausführungsform der Erfindung mindestens drei Sonden-Bereiche 22. Zur Prüfung der Güte des Fit an die Messpunkte ist eine größere Anzahl von Messpunkten erforderlich. Es ist sind daher auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen der Abtastkörper 21 beispielsweise mindestens vier oder mindestens sechs Sonden-Bereiche 22 aufweist.
Die Norm ISO 11146 sieht vor, dass eine Bestimmung von Strahldurchmessern an wenigstens 10 verschiedenen Positionen entlang der Strahlachse durchgeführt werden soll. Es ist daher auch eine Ausführungsform vorgesehen, bei der der Abtastkörper 21 mindestens 10 Sonden-Bereiche 22 aufweist. Eine weitere Steigerung der Genauigkeit des hyperbolischen Fit kann durch eine noch größere Anzahl von Messpunkten erreicht werden. Es können daher beispielsweise auch 20 oder mehr Sonden-Bereiche 22 vorgesehen sein.
Damit der hyperbolische Fit die Parameter mit ausreichender Genauigkeit liefert, müssen die Messpunkte einen sinnvollen Bereich der Strahlkaustik abdecken. Dazu sollte einerseits die Strahltaille des zu vermessenden Lichtstrahls 10 innerhalb der Messpunkte liegen, und andererseits müssen die Messpunkte auch einen Bereich überdecken, in dem der Durchmesser des Strahls signifikant variiert. Dazu sollte der durch Messpunkte abgedeckte Bereich wenigstens eine Rayleigh-Länge des Lichtstrahls 10 umfassen. Es ist daher vorgesehen, dass der Abstand zwischen den in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 am weitesten entfernt angeordneten Abtastflächen 25, die durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche 22 aufgespannt werden, mindestens einer Rayleigh-Länge des abzutastenden Lichtstrahls 10 entspricht.
Die Norm ISO 11146 sieht weiterhin vor, dass ungefähr die Hälfte der Messpunkte innerhalb einer Rayleigh-Länge auf jeder Seite der Strahl-Taille liegen soll, und dass die andere Hälfte der Messpunkte über zwei Rayleigh-Längen hinaus von der Strahl-Taille verteilt sein sollen. Es ist sind daher auch Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, bei denen der Abstand 26 zwischen benachbarten Abtastflächen 25 multipliziert mit der Anzahl der Sonden-Bereiche 22 des Abtastkörpers 21, bzw. der Abstand zwischen den am weitesten auseinander liegenden Abtastflächen 25, beispielsweise mindestens zwei, mindestens vier oder mindestens sechs Rayleigh-Längen des abzutastenden Lichtstrahls 10 entspricht.
Der Abtastkörper 21 besteht aus einem für den Lichtstrahl 10 transparenten Material, beispielsweise aus einem optischen Glas. Das Material des Abtastkörpers 21 weist eine geringe Absorption auf, um auch Lichtstrahlen mit sehr hoher Intensität, beispielsweise Laserstrahlen im Multikilowatt-Bereich, abtasten zu können. Die Absorption des Lichtstrahls 10 beim Auftreffen auf den Abtastkörper 21 oder beim Durchstrahlen des Abtastkörpers 21 kann weniger als 0,1% bzw. weniger als 1000 ppm (ppm = parts per million) betragen. Geeignete Materialien für den Abtastkörper 21 sind beispielsweise Quarzglas, insbesondere synthetisch hergestelltes Quarzglas, sowie andere Kristallgläser und optische Gläser mit hohem Transmissionsgrad. Bei Verwendung von Quarzglas ist eine besonders geringe Absorption erzielbar; viele Quarzgläser weisen eine Absorption von unter 100 ppm/cm auf, einige sogar unter 10 ppm/cm.
Die Form des Abtastkörpers 21 kann unterschiedlich ausgeführt sein. Die 1, 7 und 12 zeigen beispielsweise Ausführungsformen mit einem plattenförmigen Abtastkörper 21. Die Oberflächen des Abtastkörpers können eben oder gekrümmt sein oder eine komplexe Flächenform aufweisen. Beispielsweise sind die Abtastkörper bei den in den 14 und 16 gezeigten Ausführungsformen als schraubenflächenförmige Platten ausgebildet. Der Abtastkörper kann auch blockförmig sein, zum Beispiel in Form eines Quaders wie in 6 gezeigt, oder eine andere, beispielsweise eine prismatische Form aufweisen. Die Oberflächen des Abtastkörpers 21, durch die der Lichtstrahl 10 hindurchtritt, insbesondere die Oberfläche, an welcher der Lichtstrahl 10 aus dem Abtastkörper 21 austritt, können mit einer Reflexionsmindernden Beschichtung versehen sein.
Die Sonden-Bereiche 22 können im Inneren des Abtastkörpers 21 angeordnet sein wie in der Ausführungsform von 6. Die Oberfläche, durch die der Lichtstrahl 10 in den Abtastkörper eintritt, ist dann vorzugsweise eben, damit die Parameter des Lichtstrahls möglichst wenig verändert werden. Die Sonden-Bereiche 22 können auch möglichst nahe an einer Oberfläche des Abtastkörpers 21 angeordnet sein, insbesondere nahe an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche wie in den 1, 7 und 12 gezeigt. Die Sonden-Bereiche 22 können auch direkt an einer Oberfläche des Abtastkörpers 21 angeordnet sein. Ein solche mögliche Ausführungsform der Erfindung ist in 18 dargestellt.
Die Sonden-Bereiche 22 können beispielsweise eine lichtablenkende Strukturierung oder eine lichtstreuende Strukturierung aufweisen. Das Material innerhalb der Sonden-Bereiche 22 kann das gleiche Material sein wie das optisch transparente Material des Abtastkörpers 21. Innerhalb oder am Rand der Sonden-Bereiche 22 wird das Licht aus dem Lichtstrahl 10 durch die lichtablenkende Strukturierung zumindest teilweise in Richtungen gelenkt, die von der Haupt-Ausbreitungsrichtung des Lichtstrahls 10 abweichen. Die lichtablenkende Wirkung der Strukturierung kann beispielsweise auf Brechung, Reflexion, Streuung, oder Lumineszenz beruhen. Dazu kann innerhalb der Sonden-Bereiche 22 zum Beispiel die Dichte oder die Brechzahl des Materials lokale Änderungen aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung kann auch gebildet sein durch eine raue Grenzfläche oder Oberfläche. Die lichtablenkende Strukturierung kann weiterhin gebildet sein durch Hohlräume, Risse oder sonstige Fehlstellen im Material. Das Material innerhalb der Sonden-Bereiche 22 kann auch ganz oder teilweise ein anderes Material sein als das Material des Abtastkörpers 21. Das Material innerhalb der Sonden-Bereiche 22 kann auch eine Dotierung aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung der Sonden-Bereiche 22 kann auch gebildet sein durch Fluoreszenz-Konverter im Material innerhalb der Sonden-Bereiche 22, so dass das abgelenkte Licht, d. h. das Proben-Licht 40, eine andere Wellenlänge aufweist als der Lichtstrahl 10. Die lichtablenkende Strukturierung innerhalb der Sonden-Bereiche 22 muss nicht vollständig gleichförmig, isotrop oder räumlich konstant sein. Die lichtablenkende Strukturierung ist entlang der Sonden-Linie gleichförmig oder zumindest gleichförmig entlang der Sonden-Linie bei Mittelung über einen kurzen Bereich entlang der Sonden-Linie, der kleiner oder gleich der Breite des Sonden-Bereichs 22 ist. Die lichtablenkende Strukturierung innerhalb der Sonden-Bereiche 22 kann auch durch Struktur-Einzelheiten gebildet sein, die entlang der Sonden-Linie verteilt sind oder sich entlang der Sonden-Linie in gleichartiger Weise wiederholen. Eine Struktur-Einzelheit kann beispielsweise ein mikroskopischer Riss oder Hohlraum im Material sein, oder eine mikroskopische Veränderung des Materials hinsichtlich Dichte, Brechzahl oder Dotierung. Dabei können sich die Struktur-Einzelheiten räumlich teilweise überlappen, sie können aber auch zueinander beabstandet sein, wobei der Abstand kleiner oder gleich der Breite des Sonden-Bereichs 22 ist.
Eine Möglichkeit zur Herstellung der Sonden-Bereiche 22 ist die sogenannte Glas-Innengravur. Dabei wird ein gepulster Laserstrahl innerhalb des optisch transparenten Materials auf einen sehr kleinen, beispielsweise beugungsbegrenzten Fleck fokussiert. Durch die dabei auftretenden extremen Pulsleistungsdichten kann im fokussierten Bereich eine Fehlstelle erzeugt werden. Dabei kann durch Ausnutzung nichtlinearer Effekte der Bereich der Veränderung des Materials eng begrenzt sein. Es ist damit möglich, Fehlstellen mit Abmessungen im Bereich von etwa 1 μm bis einige 10 μm zu erzeugen. Die erzeugten Fehlstellen können Hohlräume, Risse, Trübungen, oder auch lokale, annähernd punktuelle Änderungen der Dichte und/oder der Brechzahl des Materials sein.
Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung der Sonden-Bereiche 22, insbesondere wenn die Sonden-Bereiche 22 an einer Oberfläche des Abtastkörpers 21 angeordnet sind, besteht im selektiven Ätzen. Mit dem sogenannten selektiven Laser-Ätzen können besonders kleine und genaue Strukturen erzeugt werden. Beim selektiven Laser-Ätzen wird in einem ersten Schritt durch eine lokale Laserpuls-Behandlung die Ätzbarkeit des Materials stark erhöht, und in einem zweiten Schritt werden die behandelten Materialstellen durch chemisches Ätzen entfernt. So können auf einer Oberfläche des Abtastkörpers 21 beispielsweise sehr präzise Rinnen, Furchen oder streifenförmige Vertiefungen hergestellt werden, welche die Sonden-Bereiche 22 bilden.
Die Sonden-Bereiche 22 können auch dargestellt werden durch linienförmige oder streifenförmige Änderungen im Reflexionsgrad einer Oberfläche oder Grenzfläche des Abtastkörpers 21. Beispielsweise kann eine Oberfläche des Abtastkörpers 21 mit einer reflektierenden Beschichtung 24 versehen sein. Die Sonden-Bereiche 22 können dann gebildet sein durch linienförmige oder streifenförmige Unterbrechungen der reflektierenden Beschichtung 24, wie in der in 18 dargestellten Ausführungsform, oder durch linienförmige oder streifenförmige Änderungen in der Beschichtung 24, die beispielsweise durch Ritzen oder Ätzen hergestellt werden können. Umgekehrt können die Sonden-Bereiche auch gebildet sein durch linienförmige oder streifenförmige Beschichtungen auf einer Oberfläche des Abtastkörpers 21, wodurch der Reflexionsgrad der Oberfläche an diesen Bereichen abgesenkt oder erhöht werden kann.
Der Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung, die mittels der Bewegungseinrichtung 50 ausführbar ist, ist quer zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausgerichtet. Der Bewegungsvektor 55 kann beispielsweise in einem Winkel von 90°, also senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 angeordnet sein, er kann aber auch in einem anderen Winkel im Bereich von 45° bis 135° bzw. im Bereich von –45° bis –135° zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 angeordnet sein.
Die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche 22 sind quer zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 ausgerichtet. Die Sonden-Linien können beispielsweise senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 angeordnet sein, sie können aber auch in einem anderen Winkel im Bereich von 45° bis 135° bzw. im Bereich von –45° bis –135° zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 angeordnet sein.
Die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche 22 sind in einem von Null verschiedenen Winkel zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet. Die Sonden-Linien können beispielsweise in einem Winkel von 90° bzw. senkrecht zum Bewegungsvektor 55 angeordnet sein. Die Sonden-Linien können aber auch in einem anderen Winkel im Bereich von 10° bis 170° bzw. im Bereich von –10° bis –170° zum Bewegungsvektor 55 angeordnet sein.
Da die Sonden-Achsen die lokalen Tangenten an den Sonden-Linien sind, ist ein Winkel zu einer Sonden-Linie identisch mit einem Winkel zur Sonden-Achse, wenn die Sonden-Linien gerade sind. Bei gekrümmten Sonden-Linien ist ein Winkel zur Sonden-Linie zu verstehen als ein Winkel zur lokalen Tangente an die Sonden-Linie, also als ein Winkel zur Sonden-Achse.
Der Lichtsensor 60 kann beispielsweise feststehend angeordnet sein. Dabei ist die lichtempfindliche Empfängerfläche des Lichtsensors 60 dem abzutastenden Bereich des Lichtstrahls 10 zugewandt. Beim Bewegen des Strahl-Abtasters 20 durch den Lichtstrahl 10 fällt dann ein kleiner Raumwinkel-Anteil des erzeugten Proben-Lichts 40 oder des Streulichts 42 auf den Lichtsensor 60. Der Lichtsensor 60 kann auch zusammen mit dem Strahl-Abtaster 20 mitbewegt werden. Der Lichtsensor 60 kann beispielsweise an einer Seitenfläche des Abtastkörpers 21 angeordnet sein. In diesem Fall empfängt der Lichtsensor 60 hauptsächlich Proben-Licht 40, welches innerhalb des Abtastkörpers 21 propagiert. Bei der Propagation des Probenlichts 40 innerhalb des Abtastkörpers 21 kann Totalreflexion auftreten, wodurch der Lichtverlust verringert wird und das Verhältnis vom Signal des Proben-Lichts zu einem Untergrund-Signal, welches durch Umgebungslicht oder allgemeines Streulicht verursacht sein kann, verbessert wird. Es können auch mehrere Lichtsensoren 60 verwendet werden.
In den 4a, 4b und 5 ist die Vermessung eines Laserstrahls mit hoher Strahl-Qualität und mit etwa 20 W Leistung mittels einer erfindungsgemäßen Vorrichtung dargestellt. Die Mess-Vorrichtung entspricht im Wesentlichen der in den 1, 2a, 2b und 3 gezeigten Ausführungsform. In der Mess-Vorrichtung wurde als Abtastkörper 21 des Strahl-Abtasters 20 eine rechteckförmige Platte aus Quarzglas verwendet, die mit 21 parallel angeordneten Sonden-Bereichen 22 ausgestattet ist. Die Sonden-Bereiche 22 sind einzelne Linien im Abstand von 1,0 mm mit einer Breite von etwa 15 μm und wurden durch Laser-Innengravur in den Abtastkörper knapp unterhalb der Oberfläche eingeschrieben. Die Platte ist um 45° zur Achse 11 des Laserstrahls 10 geneigt. Somit beträgt sowohl der Quer-Abstand 23 zwischen den Sonden-Bereichen 22 als auch der Abstand 26 zwischen benachbarten Abtastflächen 25 etwa 0,707 mm. Mit diesem Strahl-Abtaster 20 kann ein Lichtstrahl 10 somit über eine Länge von 14 mm in einem Bewegungsvorgang abgetastet werden. In der Mess-Vorrichtung ist der Strahl-Abtaster 20 mit dem Abtastkörper 21 und dem Lichtsensor 60 feststehend angeordnet. Der Laserstrahl 10 wurde mittels der Einrichtung 50, in diesem Fall ein Scanner, über den Strahl-Abtaster 20 geführt.
4a zeigt das dabei von der Einrichtung zur Signalaufzeichnung 64 registrierte Signal des Lichtsensors 60. Bei jedem Durchqueren eines Sonden-Bereichs wird ein Lichtpuls erzeugt. Das gesamte Mess-Signal besteht somit aus 21 Pulsen, aus deren Dauer die jeweiligen Strahldurchmesser bestimmt werden. 4b zeigt beispielhaft den sechsten Signal-Puls aus dem aufgezeichneten Signalverlauf und veranschaulicht eine Möglichkeit zur Bestimmung der Pulsdauer. Der Signal-Verlauf kann bei diesem Signal-Puls durch eine Gauß-Kurve approximiert werden. Die Bestimmung der Pulsdauer kann beispielsweise durch Aufsuchen der Punkte erfolgen, an denen das Signal auf 1/e² abgefallen ist, also auf 13,5% des Signal-Spitzenwertes. Die Bestimmung der Pulsdauer kann auch auf andere Weise erfolgen, beispielsweise durch Berechnung des 2. Moments, oder mittels anderer üblicher Verfahren. Die ermittelte Pulsdauer t_Puls für den sechsten Signal-Puls ist 0,0125 Sekunden, woraus mit der Abtast-Geschwindigkeit von 0,01 m/s ein Strahldurchmesser von 125 μm bzw. ein Strahlradius w_Strahl von 62,5 μm resultiert. Die Verbreiterung des Signal-Pulses durch die Abtastung mit einem Sonden-Bereich von 15 μm Breite führt bei diesem abgetasteten Strahlquerschnitt zu einem Fehler von lediglich etwa 0,7%. In gleicher Weise werden die Strahlradien für alle abgetasteten Querschnitte ermittelt und ein hyperbolischer Fit an die Messwerte durchgeführt. 5 zeigt einen Plot der Strahlradien über der axialen Position und den hyperbolischen Fit (gestrichelte Kurve). Die daraus resultierenden Strahlparameter sind: Fokus-Position z₀ 8,2 mm, Taillen-Radius w₀ 37,2 μm, Rayleigh-Länge z_R 3,85 mm, Fernfelddivergenz-Vollwinkel 19,3 mrad, Strahlparameterprodukt 0,359 mm·mrad, Modenfaktor bzw. Strahlpropagationsfaktor M² 1,06. Der Vergleich mit einem Mess-Gerät zur Strahl-Vermessung herkömmlicher Bauart, bei dem die Strahl-Kaustik punktweise mit einem pinhole abgetastet wird, lieferte praktisch identische Mess-Werte mit Abweichungen im Bereich kleiner 5%.
Die Strahl-Kaustik wurde über einen Bereich von etwa 3,5 Rayleigh-Längen abgetastet. Ungefähr die Hälfte der Messpunkte befanden sich im Bereich von einer Rayleigh-Länge beiderseits der Strahl-Taille. Damit sind die von der Norm ISO 11146 vorgeschlagenen Mess-Bedingungen erfüllt. Die Abtastung dauerte etwa 1,5 Sekunden. Es wurde weitere Messungen mit verschiedenen Abtast-Geschwindigkeiten bis zu 0,5 m/s durchgeführt, die innerhalb enger Grenzen die gleichen Ergebnisse reproduzierten. Bei einer Abtast-Geschwindigkeit von 0,5 m/s ergibt sich eine Abtast-Dauer von nur noch etwa 0,03 Sekunden. Somit ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung eine Norm-konforme räumliche Strahlvermessung innerhalb einer sehr kurzen Mess-Zeit von beispielsweise lediglich 30 ms. Die Erfindung ermöglicht weiterhin eine Strahlvermessung mit hoher Reproduzierbarkeit und mit hoher Genauigkeit.
Die Erfindung weist somit zahlreiche Vorteile auf:

– Die Strahlparameter können direkt und ohne Veränderung des Strahls im interessierenden Bereich vermessen werden, was im allgemeinen der Fokus-Bereich eines Lichtstrahls oder Laserstrahls ist.
– Es werden keine Linsen oder andere Elemente benötigt, die die Strahlparameter verändern und bei hohen Leistungen des Lichtstrahls thermisch bedingte Messfehler verursachen können.
– Die Erfindung ermöglicht eine Abtastung des Lichtstrahls mit sehr hoher örtlicher Auflösung, so dass eine hochgenaue Strahlvermessung auch bei Strahlen mit kleiner Strahl-Taille bzw. kleinem Fokus-Durchmesser durchgeführt werden kann.
– Die Erfindung ermöglicht sehr schnelle Messungen, so dass eine vollständige Strahl-Kaustik innerhalb weniger Millisekunden abgetastet werden kann.
– Die Erfindung ist geeignet für die direkte Strahlvermessung von Multi-Kilowatt-Lasern, auch im Fokus des Strahls.
– Die Strahlvermessung ist konform zur Norm ISO 11146.

Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Weitere Ausgestaltungen und Ausführungsmöglichkeiten sind in den Figuren dargestellt und in den Figurenbeschreibungen erläutert, wobei die Erfindung nicht beschränkt ist auf die gezeigten Ausführungsformen. Es können auch verschiedene in den Figuren gezeigte Merkmale oder Ausführungsformen kombiniert werden, um zu weiteren möglichen Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Bei der Vermessung von rotationssymmetrischen Strahlen ist die Bestimmung von Abmessungen der Strahlquerschnitte in lediglich einer effektiven Abtast-Richtung ausreichend zur vollständigen Charakterisierung des Strahls.
Ist der Strahl elliptisch oder astigmatisch, dann haben die Strahlquerschnitte im allgemeinen eine elliptische Gestalt, so dass zur Bestimmung der Abmessungen der Strahlquerschnitte wenigstens zwei effektive Abtast-Richtungen erforderlich sind. Dazu sind verschiedene mögliche Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen.
In einer möglichen Ausführungsform, die in den 7, 8a, 8b und 9 dargestellt ist, umfasst der Strahl-Abtaster 20 zusätzlich zum Abtastkörper 21 einen zweiten Abtastkörper 31. Der zweite Abtastkörper 31 hat zweite Sonden-Bereiche 32, die in ähnlicher Weise ausgestaltet sind wie die Sonden-Bereiche 22. Die zweiten Sonden-Linien bzw. die zweiten Sonden-Achsen der zweiten Sonden-Bereiche 32 sind jedoch in einem anderen Winkel zum Bewegungsvektor 55 der Relativbewegung ausgerichtet als die Sonden-Linien bzw. die Sonden-Achsen der Sonden-Bereiche 22. Somit kann der Lichtstrahl 10 nacheinander in zwei verschiedenen effektiven Abtast-Richtungen 27 und 37 mit einer einzelnen Relativbewegung abgetastet werden. Im Beispiel der 7, 8a, 8b und 9 schließen die Sonden-Bereiche 22 und die zweiten Sonden-Bereiche 32 einen Winkel von 90° ein, so dass die effektiven Abtast-Richtungen 27 und 37 senkrecht zueinander stehen.
15 zeigt eine weitere Ausführungsform zur Bereitstellung von zwei verschiedenen effektiven Abtastrichtungen mit einer Relativbewegung. Auch bei dieser Ausführungsform umfasst der Strahl-Abtaster 20 zwei Abtastkörper 21 und 31. Die Relativbewegung ist in dieser Ausführungsform eine Drehbewegung des Strahl-Abtasters 20.
In 17 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung zur Bereitstellung von zwei verschiedenen effektiven Abtastrichtungen dargestellt. In dieser Ausführungsform umfasst die Vorrichtung zwei Strahl-Abtaster 20 und 30, denen jeweils eine eigene Bewegungseinrichtung 50 und 53 zur Ausführung einer Relativbewegung zugeordnet ist. Jeder Strahl-Abtaster 20 und 30 umfasst jeweils einen Abtastkörper 21 bzw. 31. Die Strahl-Abtaster 20 und 30 können prinzipiell gleichartig ausgestaltet sein. Mittels der zwei Bewegungseinrichtungen 50 und 53 werden zwei verschiedene Bewegungsrichtungen mit den Bewegungsvektoren 55 und 56 bereitgestellt, so dass der Lichtstrahl nacheinander in zwei verschiedenen Richtungen abgetastet werden kann.
Mit den drei zuletzt beschriebenen Ausführungsformen können zwar elliptische Strahlquerschnitte vermessen werden, allerdings müssen dazu die Hauptachsen der Ellipsen in Richtung der effektiven Abtast-Richtungen ausgerichtet sein, wie bereits bei der Beschreibung der 9 erläutert. Zur Vermessung von elliptischen Strahlquerschnitten mit beliebiger Orientierung ist eine dritte effektive Abtastrichtung erforderlich, wie in 10 prinzipiell dargestellt.
Eine dazu vorgesehene Ausführungsform zeigt beispielsweise die 16. In dieser Ausführungsform umfasst der drehbar gelagerte Strahl-Abtaster 20 drei Abtastkörper 21, 31, 31' mit jeweils mehreren Sonden-Bereichen 22, 32, 32'. Dabei sind die zu einem Abtastkörper gehörigen Sonden-Bereiche jeweils identisch zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet, und die Sonden-Bereiche verschiedener Abtastkörper sind in unterschiedlichen Winkeln zum Bewegungsvektor 55 ausgerichtet. Damit resultieren drei verschiedene effektive Abtast-Richtungen 27, 37, 37'. Das Abtast-Schema entspricht somit dem in 10 dargestellten Schema mit dem Unterschied, dass die Sonden-Bereiche 22, 32, 32' auf einer kreisförmigen Abtastbahn geführt werden. Die Sonden-Bereiche von einigen der Abtastkörper 31, 31' sind hier leicht gebogen, damit die Winkel der Sonden-Bereiche 32, 32' zum Bewegungsvektor 55 und damit die effektiven Abtast-Richtungen für jeden Abtastkörper auf jeder möglichen Abtastspur gleich bleiben.
Die Anzahl unterschiedlicher Abtast-Richtungen kann weiter erhöht werden, beispielsweise indem einem Strahl-Abtaster wie in 16 weitere Abtastkörper hinzugefügt werden mit Sonden-Bereichen, die in einem anderen Winkel zum Bewegungsvektor 55 angeordnet sind. Die 11 zeigt beispielsweise ein derartiges Abtast-Schema, das mit vier Abtastkörpern vier unterschiedliche effektive Abtast-Richtungen bereitstellt, so dass vier verschiedene Strahl-Abmessungen 16', 16'', 16''', 16'''' ermittelt werden können. Der Lichtstrahl 10 bzw. die einzelnen Querschnitte 14 werden dabei ähnlich zu tomografischen Verfahren aus verschiedenen Richtungen abgetastet. Damit kann bei einer ausreichend großen Anzahl verschiedener Abtast-Richtungen mittels mathematischer Methoden, die in ähnlicher Form aus tomografischen Verfahren bekannt sind, sogar das Strahlprofil bzw. die lokale Intensitätsverteilung in den Strahlquerschnitten rekonstruiert werden.
Die Zahl der Abtast-Richtungen kann prinzipiell auf verschiedene Art und Weise erhöht werden. Zum einen kann die Anzahl von Strahl-Abtastern erhöht werden. Zum anderen kann die Anzahl von Abtastkörpern eines Strahl-Abtasters erhöht werden. Schließlich können auch innerhalb eines Abtastkörpers mehrere Gruppen von Sonden-Bereichen angeordnet sein, wobei die zu einer Gruppe gehörigen Sonden-Bereiche jeweils identisch ausgerichtet sind und die Sonden-Bereiche verschiedener Gruppen in unterschiedlichen Winkeln zum Bewegungsvektor der Relativbewegung ausgerichtet sind.
Die drei Möglichkeiten zur Steigerung der Zahl von Abtast-Richtungen können auch kombiniert werden. Beispielsweise können nach einem Schema ähnlich wie in 17 zwei (oder auch mehr) Strahl-Abtaster verwendet werden, wobei jeder Strahl-Abtaster aufgebaut sein kann ähnlich wie der Strahl-Abtaster der in 7 gezeigten Ausführungsform mit zwei (oder auch mehr) Abtastkörpern.
Bezugszeichenliste

10: Lichtstrahl
11: Achse des Lichtstrahls
14: Querschnitt des Lichtstrahls
15: Durchmesser des Lichtstrahls
16', 16'', 16''', 16'''': Abmessungen eines Strahl-Querschnitts in versch. Richtungen
17: Einrichtung zur Aussendung eines Lichtstrahls
20: Strahl-Abtaster
21: Abtastkörper
22: Sonden-Bereiche
23: Quer-Abstand zwischen benachbarten Sonden-Bereichen
24: Reflektierende Beschichtung
25: Abtastflächen
26: Abstand zwischen benachbarten Abtastflächen
27: Effektive Abtast-Richtung der Sonden-Bereiche
28: Lichtverteiler
29: Halterung
30: Zweiter Strahl-Abtaster
31: Zweiter Abtastkörper
31', 31'': Dritter Abtastkörper, vierter Abtastkörper
32: Zweite Sonden-Bereiche
32', 32'': Dritte Sonden-Bereiche, vierte Sonden-Bereiche
37: Effektive Abtast-Richtung der zweiten Sonden-Bereiche
37', 37'': Effektive Abtast-Richtungen der dritten bzw. vierten Sonden-Bereiche
40: Proben-Licht
42: Streulicht
50: Bewegungseinrichtung zur Ausführung einer Relativbewegung
52: Drehachse
53: Zweite Bewegungseinrichtung zur Ausführung einer zweiten Relativbewegung
55: Bewegungsvektor der Relativbewegung
56: Zweiter Bewegungsvektor der zweiten Relativbewegung
60: Lichtsensor
62: Zweiter Lichtsensor
64: Einrichtung zur Signalaufzeichnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 19822924 A1 [0009]
WO 2010/125344 A1 [0010]
DE 102006056217 A1 [0011]
WO 2011/127400 A2 [0012]
WO 98/50196 [0016]
DE 19909595 A1 [0017]
DE 3510937 A1 [0018]
US 5064284 [0019]
EP 2952861 A1 [0021]
WO 2011/119721 A2 [0022]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Norm ISO 11146 [0006]
Norm ISO 11146 [0114]
Norm ISO 11146 [0116]
Norm ISO 11146 [0131]
Norm ISO 11146 [0132]

Claims

Vorrichtung zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls (10), umfassend – einen Strahl-Abtaster (20), – mindestens einen Lichtsensor (60), – eine Bewegungseinrichtung (50) zur Ausführung einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl (10) und dem Strahl-Abtaster (20), und – eine Einrichtung (64) zur Signalaufzeichnung eines zeitlich veränderlichen Signals vom Lichtsensor (60), wobei der Strahl-Abtaster (20) mindestens einen Abtastkörper (21) mit mindestens drei Sonden-Bereichen (22) umfasst, wobei die Sonden-Bereiche (22) – entlang von Sonden-Linien eine Ausdehnung aufweisen, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der Sonden-Bereiche (22) quer zur den Sonden-Linien, – ausgebildet sind zur Entnahme von linienförmigen oder streifenförmigen Licht-Proben aus Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10), und – einen Quer-Abstand (23) zueinander aufweisen, der in Projektion der Sonden-Bereiche (22) auf eine Ebene senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) entlang einer durch die Relativbewegung gebildeten Spur des Lichtstrahls (10) größer ist als ein Durchmesser (15) des Lichtstrahls (10) im abzutastenden Bereich des Lichtstrahls (10), wobei mehrere Abtastflächen (25) definiert sind durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) jeweils aufgespannt mit einem Bewegungsvektor (55) der Relativbewegung, wobei mindestens drei Abtastflächen (25) in Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) einen von Null verschiedenen Abstand (26) zueinander aufweisen, und wobei der Lichtsensor (60) ausgebildet ist zur Erfassung mindestens eines Teils des Proben-Lichts (40) der von den Sonden-Bereichen (22) entnommenen Licht-Proben aus den Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10).
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Sonden-Bereiche (22) an einer Oberfläche des Abtastkörpers (21) oder innerhalb des Abtastkörpers (21) angeordnet sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Weite der Relativbewegung, die mittels der Bewegungseinrichtung (50) zur Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl (10) und dem Strahl-Abtaster (20) ausführbar ist, mindestens dem Dreifachen des Quer-Abstands (23) zwischen benachbarten Sonden-Bereichen (22) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Sonden-Bereiche (22) quer zu den Sonden-Linien eine Ausdehnung haben, die höchstens gleich der Hälfte des kleinsten Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls (10) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zur aufeinanderfolgenden Abtastung von mindestens drei verschiedenen Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10) mittels der Sonden-Bereiche (22) in einem einzelnen Bewegungsvorgang der Bewegungseinrichtung (50).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Abstand zwischen den in Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) am weitesten entfernt angeordneten Abtastflächen (25) mindestens einer Rayleigh-Länge des abzutastenden Lichtstrahls (10) entspricht.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Bewegungsvektor (55) der Relativbewegung in einem Winkel zwischen 45° und 135° oder zwischen –45° und –135° zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) in einem Winkel zwischen 45° und 135° oder zwischen –45° und –135° zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) in einem Winkel zwischen 10° und 170° oder zwischen –10° und –170° zum Bewegungsvektor (55) der Relativbewegung ausgerichtet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Sonden-Bereiche (22) ausgebildet sind zum Leiten zumindest eines Teils des von den Sonden-Bereichen (22) entnommenen Proben-Lichts (40) aus einem Querschnitt (14) des Lichtstrahls (10) in eine von der Ausbreitung des gesamten Lichtstrahls (10) abweichende Richtung.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sonden-Bereiche (22) eine lichtablenkende Strukturierung oder eine lichtstreuende Strukturierung aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sonden-Bereiche (22) gebildet sind durch linienförmige oder streifenförmige Beschichtungen auf dem Abtastkörper (21).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Sonden-Bereiche (22) gebildet sind durch linienförmige oder streifenförmige Lücken in einer reflektierenden Beschichtung (24) des Abtastkörpers (21).
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei der Abtastkörper (21) mindestens vier Sonden-Bereiche (22) aufweist und wobei mindestens vier Abtastflächen (25) in Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) einen von Null verschiedenen Abstand (26) zueinander aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, wobei der Abtastkörper (21) mindestens zehn Sonden-Bereiche (22) aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, wobei der Abtastkörper (21) einen Absorptionsgrad von höchstens 0,1% aufweist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, umfassend einen zweiten Abtastkörper (31) mit mindestens drei zweiten Sonden-Bereichen (32), wobei die zweiten Sonden-Bereiche (32) längs zweiter Sonden-Linien eine Ausdehnung aufweisen, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der zweiten Sonden-Bereiche (32) quer zur den zweiten Sonden-Linien.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche (32) einen von Null verschiedenen Winkel mit den Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) des Abtastkörpers (21) einschließen.
Vorrichtung nach Anspruch 17, wobei mehrere zweite Abtastflächen definiert sind durch die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche (32) jeweils aufgespannt mit dem Bewegungsvektor (55), und wobei die zweiten Abtastflächen und die Abtastflächen (25) in Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) versetzt zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 bis 19, wobei der zweite Abtastkörper (31) ein Bestandteil des Strahl-Abtasters (20) ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 17 oder 18, umfassend einen zweiten Strahl-Abtaster (30) sowie eine zweite Bewegungseinrichtung (53) zur Ausführung einer zweiten Relativbewegung zwischen dem zweiten Strahl-Abtaster (30) und dem Lichtstrahl (10), wobei der zweite Abtastkörper (31) ein Bestandteil des zweiten Strahl-Abtasters (30) ist, und wobei ein zweiter Bewegungsvektor (56) der zweiten Bewegungseinrichtung (53) einen von Null verschiedenen Winkel mit dem Bewegungsvektor (55) der Bewegungseinrichtung (50) einschließt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei die Relativbewegung eine lineare Bewegung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 20, wobei die Relativbewegung eine Drehbewegung ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, weiterhin umfassend eine Auswertungs-Einrichtung zur Bestimmung mindestens eines Parameters aus der folgenden Gruppe von Parametern des Lichtstrahls (10): Abmessungen von Querschnitten des Lichtstrahls in Richtung senkrecht zur Sonden-Linie, Strahldurchmesser in mehreren Positionen entlang der Achse des Lichtstrahls, axiale Fokus-Position, Fokusdurchmesser, Divergenz-Winkel, Strahlparameter-Produkt.
Verwendung einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24 zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Laserstrahls.
Verfahren zur Bestimmung von räumlichen Abmessungen eines Lichtstrahls (10), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: – Ausführen einer Relativbewegung zwischen einem Strahl-Abtaster (20) und dem Lichtstrahl (10) mittels einer Bewegungseinrichtung (50), – Entnehmen von linienförmigen oder streifenförmigen Licht-Proben aus mehreren Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10) mittels mehrerer Sonden-Bereiche (22), wobei der Strahl-Abtaster (20) mindestens einen Abtastkörper (21) mit mindestens drei Sonden-Bereichen (22) umfasst, – Erfassen mindestens eines Teils des Proben-Lichts (40) der von den Sonden-Bereichen (22) entnommenen Licht-Proben aus den Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10) mittels eines Lichtsensors (60), – Aufzeichnen eines zeitlich veränderlichen Signals vom Lichtsensor (60) mittels einer Einrichtung (64) zur Signalaufzeichnung, wobei die Sonden-Bereiche (22) entlang von Sonden-Linien eine Ausdehnung aufweisen, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der Sonden-Bereiche (22) quer zur den Sonden-Linien, wobei die Sonden-Bereiche (22) einen Quer-Abstand (23) zueinander aufweisen, der in Projektion der Sonden-Bereiche (22) auf eine Ebene senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) entlang einer durch die Relativbewegung gebildeten Spur des Lichtstrahls (10) größer ist als ein Durchmesser (15) des Lichtstrahls (10) im abzutastenden Bereich des Lichtstrahls (10), wobei mehrere Abtastflächen (25) definiert sind durch die Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) jeweils aufgespannt mit einem Bewegungsvektor (55) der Relativbewegung, und wobei mindestens drei Abtastflächen (25) in Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) einen von Null verschiedenen Abstand (26) zueinander aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei mindestens drei verschiedene Querschnitte (14) des Lichtstrahls (10) in einem einzelnen Bewegungsvorgang der Bewegungseinrichtung (50) nacheinander mittels der Sonden-Bereiche (22) abgetastet werden.
Verfahren nach Anspruch 26 oder 27, wobei die Sonden-Bereiche (22) quer zur Sonden-Linie eine Ausdehnung haben, die höchstens gleich der Hälfte des kleinsten halben Strahldurchmessers des abzutastenden Lichtstrahls (10) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 28, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte: – Zuordnen von Signalpulsen im aufgezeichneten Signal des Lichtsensors (60) zu abgetasteten Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10), – Ermitteln von Pulsdauern der Signalpulse im aufgezeichneten Signal des Lichtsensors (60), – Berechnen von Abmessungen der Querschnitte (14) aus den Pulsdauern der Signalpulse und aus einer Geschwindigkeit der Relativbewegung.
Verfahren nach Anspruch 29, wobei aus den Abmessungen der Querschnitte (14) ein Strahlpropagationsfaktor oder ein Strahlparameter-Produkt berechnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 26 bis 30, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: – Entnehmen von linienförmigen oder streifenförmigen Licht-Proben aus mehreren Querschnitten (14) des Lichtstrahls (10) mittels mindestens drei zweiter Sonden-Bereiche (32) eines zweiten Abtastkörpers (31), wobei die zweiten Sonden-Bereiche (32) längs zweiter Sonden-Linien eine Ausdehnung aufweisen, die mindestens einen Faktor zehn größer ist als die Ausdehnung der zweiten Sonden-Bereiche (32) quer zur den zweiten Sonden-Linien, und wobei die zweiten Sonden-Linien der zweiten Sonden-Bereiche (32) einen von Null verschiedenen Winkel mit den Sonden-Linien der Sonden-Bereiche (22) des Abtastkörpers (21) einschließen.