DE19500684C1

DE19500684C1 - Leistungsmeßgerät zur Leistungsmessung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung

Info

Publication number: DE19500684C1
Application number: DE19500684A
Authority: DE
Inventors: Udo Freyaldenhoven
Original assignee: Urenco Deutschland GmbH
Current assignee: Urenco Deutschland GmbH
Priority date: 1995-01-12
Filing date: 1995-01-12
Publication date: 1996-08-22
Anticipated expiration: 2015-01-13
Also published as: EP0803052A1; US5758969A; WO1996021848A1; JPH10512364A

Description

Die Erfindung betrifft ein Leistungsmeßgerät zur Leistungsmes sung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Geräte zur Leistungsmessung optischer Strahlung sind aus der WO 91/05228, EP 0 285 785 A1 sowie der US 3,596,514 bekannt. Aus der DE 32 47 794 A1 ist ferner ein Abschwächer für opti sche Strahlung bekannt, bei dem in einem Gehäuse ein oder meh rere, mehrfach durchbrochene Flächengebilde, z. B. Metall netze, quer zur Ausbreitungsrichtung der Strahlung angeordnet sind. Die von den Strukturen der Flächengebilde, z. B. den Drähten der Metallnetze, gebeugten oder reflektierten Strah lungsbündel werden von den Gehäusewänden absorbiert. Diese Vorrichtung ist jedoch nicht für die Messung der Strahllei stung einer optischen Strahlung eingerichtet.

Aus der US 5,114,228 ist ein Gerät zur Messung der Energie schnell pulsierender Strahlung bekannt, dessen mit Kühlrippen versehener Meßkopf einen Wärme-Sensor, vorzugsweise eine Ther mosäule, und einen schnellen Strahlungsdetektor enthält. Der Wärme-Sensor absorbiert ca. 95% der Strahlleistung, der schnelle Detektor erfaßt einen Teil der gestreuten Strahlung; aus den gewonnenen Meßsignalen des Sensors und des Detektors sowie der Pulsfrequenz wird die Energie der einzelnen Impulse ermittelt. Dabei wird die maximal zulässige Strahlleistung durch die thermische Belastbarkeit des Wärme-Sensors begrenzt.

Aus der US 3,282,100 ist ein Kalorimeter zur Messung optischer Strahlleistung bekannt, in dessen wärmeisoliertem Gehäuse ein regellos gepackter, feiner und elektrisch isolierter Wider standsdraht vorbestimmter Länge untergebracht ist. Die von der feinen Drahtpackung absorbierte Strahlung verändert den elek trischen Widerstand des Drahtes, so daß aus dieser Wider standsänderung die Energie der in das Gehäuse einfallenden Strahlung ermittelt werden kann. Auch hier wird die maximal zulässige Strahlleistung von der thermischen Belastbarkeit der Drahtisolierung begrenzt.

Aus der DE 42 43 902 A1 ist ein Laserleistungsmeßgerät be kannt, das einen Absorberblock, vorzugsweise aus Metall, ent hält, in dessen Zentrum ein Temperatursensor angeordnet ist. Die auf eine Oberfläche des Absorberblockes auftreffende Strahlung bewirkt eine Temperaturerhöhung, die von dem Tempe ratursensor erfaßt wird. Als Meßgröße zur Ermittlung der La serleistung dient die Temperaturänderung während einer vorge gebenen Zeitperiode. Ein etwaiges Überhitzen des Absorber blocks kann durch ein Indikatorlicht in Antwort auf ein ge eignetes Eingangssignal von einer arithmetischen logischen Einheit angezeigt werden.

In der DE 39 42 293 A1 wird ein Verfahren zum Messen von La serleistung beschrieben, bei dem ein elektrisch beaufschlagba rer, einen temperaturabhängigen Widerstand aufweisender Meß draht mit hohem Absorptionsvermögen und ein gleichartiger Kom pensationsdraht mit geringem Absorptionsvermögen hin- und her gehend quer über den Strahlquerschnitt relativ bewegt werden. Der Meßstrom wird in beiden Drähten konstant gehalten; als Meßgröße für die Laserleistung dient der Quotient der an den beiden Drähten abfallenden Spannungen. Dadurch soll der Ein fluß der Konvektionskühlung auf das Meßergebnis eliminiert werden. Damit kann aber nur die relative, auf den konkreten Anwendungsfall bezogene Laserleistung bestimmt werden, da die Meßgröße außer von den absorbierten Strahlanteilen auch noch vom Querschnitt und von der Geometrie des Laserstrahls ab hängt.

In der US 3,596,514 ist ein Leistungsmeßgerät der gattungsge mäßen Art beschrieben und dargestellt, bei dem in einem rohr förmigen, mit äußeren Kühlrippen versehenen Gehäuse eine die zu messende Strahlung absorbierende Scheibe angebracht ist. Der durch die absorbierte Strahlung in der Scheibe entstehende radiale Wärmefluß wird mit einer speziellen Konfiguration von Thermoelementen (Thermosäule) gemessen und in einem Auswerte gerät als Strahlleistung angezeigt.

Für höhere Strahlleistungen muß jedoch die Einzelscheibe durch einen Block von gestapelten Absorptionsplatten ersetzt werden, durch die eine Kühlschlange für eine Wasserkühlung hindurchge führt werden kann. Diese Ausführungsform ist sowohl in kon struktiver Hinsicht als auch bezüglich ihrer Betriebsweise er heblich aufwendiger als die zuerst beschriebene, mit äußeren Kühlrippen versehene Version.

Die Erfindung hat zur Aufgabe, ein gattungsgemäßes Gerät so zu gestalten, daß damit unter Beibehalten eines einfachen kon struktiven Aufbaus auch hohe Strahlleistungen im Multi-KW-Be reich ohne Wasserkühlung gemessen werden können.

Zur Lösung dieser Aufgabe werden die im Kennzeichen von An spruch 1 genannten Maßnahmen vorgeschlagen. Die hierauf bezo genen Unteransprüche beinhalten vorteilhafte Ausgestaltungen dieser Lösung.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird die in das Gehäuse ein fallende Strahlung stufenweise von den Strukturen der hinter einander geschalteten netz-, waben- oder gitterförmigen Gebil den, z. B. Drahtgeflechten, absorbiert, die sich dadurch er wärmen. Diese Wärme wird von einem definierten, konstanten, durch die Durchbrüche der Absorptionsgebilde hindurchgeführten Luftstrom abgeführt.

Die dabei auftretende Temperaturerhöhung des Luftstromes ist proportional zur mittleren Strahlleistung, z. B. der eines gepulsten Lasers, und kann daher zur Bestimmung dieser Strahlleistung herangezogen werden. Da der Luftstrom an die thermische Belastbarkeit der absorbierenden Strukturen und da mit an die Strahlleistung in weiten Grenzen angepaßt werden kann, gestattet dieses Gerät auch die genaue Bestimmung hoher Strahlleistungen.

Ausführungsbeispiele werden im folgenden anhand schematischer Skizzen erläutert:

Die Fig. 1 zeigt das erfindungsgemäße Meßgerät im Längs schnitt;

Die Fig. 2 zeigt eine Variante des Meßgerätes von Fig. 1.

Gemäß Fig. 1 weist das Leistungsmeßgerät ein rohrförmiges Ge häuse 1 auf, durch dessen eine Stirnseite 1a die zu messende Strahlung, z. B. gepulste Laserstrahlung (Pfeil S), einfällt. Im Bereich der gegenüberliegenden Stirnseite 1b ist ein Ge bläse 2 in Gestalt eines Axiallüfters in das Gehäuse 1 einge baut. Das Gehäuse selbst besteht aus einem äußeren Metallrohr, das zu etwas mehr als der Hälfte seiner Länge mit einer Wärme isolationsschicht 1c, z. B. aus Keramikwolle, versehen ist. Die Innenwand der mit einer Umhüllung versehenen Wärmeisolati onsschicht 1c ist mit Keramikpapier 1d ausgekleidet.

Im Bereich der Wärmeisolationsschicht 1c und an das Keramikpa pier 1d angrenzend sind in das Gehäuse 1 die Strahlung S ab sorbierende Elemente eingebaut. Sie bestehen aus mehreren netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden 3, z. B. Drahtge webe, die in gegenseitigem Abstand zueinander und quer zur Richtung der in das Gehäuse 1 einfallenden Strahlung S ange ordnet sind. Die einzelnen netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde 3 sind mit ihren Strukturen 3a in Bezug auf die Strah lung S so gegeneinander versetzt, daß der gesamte Querschnitt der Strahlung S auf dem Weg durch die Gebilde 3 von deren Strukturen 3a erfaßt wird.

Die Strukturen 3a bestehen aus einem Material mit hohem Ab sorptionskoeffizienten, hoher Schmelztemperatur und guter Wär meleitfähigkeit. Im Falle eines Drahtgewebes, z. B. aus Wolf ram oder Stahl, beträgt die Maschenweite etwa 1,5 mm bei einer Drahtstärke von 0,15 mm.

Zwischen dem Gebläse 2 und der Wärmisolationsschicht 1c bzw. den Gebilden 3 sind in das Gehäuse 1 metallische Prallplatten 1e mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen 1f eingebaut. Wie aus der Figur ferner zu ersehen ist, weist die Isolations schicht 1c zwischen den Gebilden 3 und den Prallplatten 1e eine den freien Gehäusequerschnitt verengende, flanschartige Einschnürung 1g auf, in deren Bereich ein Temperaturmeßelement 4, z. B. ein Thermoelement, angebracht ist.

Der Axiallüfter 2 erzeugt eine definierte, konstante Luftströ mung (Pfeile L), die von der Strahleintrittsseite her und etwa parallel zur Strahlung S die Durchbrüche in den Gebilden 3 durchströmt und sich hierbei erwärmt. Die so erwärmte Luft ge langt durch die Einschnürung 1g, in der ihre Temperatur mit dem Thermoelement 4 gemessen und in einem Anzeigeinstrument 4a als Differenz zur Raumtemperatur 4b oder direkt als Strahllei stung der Strahlung S angezeigt wird. Danach wird die Luft strömung L von den Prall- und Wärmeschutzplatten 1e radial nach außen abgelenkt und gelangt über deren periphere Öffnun gen 1f und das Gebläse 2 nach außen.

In dem Bereich zwischen der Wärmeisolationsschicht 1c und dem Gebläse 2 sind auf dem Gehäuse 1 und gleichmäßig über dessen Umfang verteilt axial verlaufende, radial nach außen weisende Kühlrippen 5 angebracht.

Wie aus Fig. 2 zu ersehen ist, besteht das von der einfallen den Strahlung S zuerst beaufschlagte Absorptionsgebilde aus einem scheibenförmigen, keramischen Körper 6a mit wabenförmi ger Struktur. Die Waben des scheibenförmigen Körpers 6a haben eine Längen von 10 mm und eine lichte Weite von 1,4 mm. Hieran schließen sich - in Strahlrichtung gesehen - gitterförmige Ab sorptionsgebilde 6b, 6c an. Hinter diesen Absorptionsgebilden 6b, 6c ist eine mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen verse hene Reflexionsplatte 6d in dem Gehäuse 1 so geneigt angeord net, daß die gesamte, von ihr reflektierte Strahlung von den Waben des keramischen Körpers 6a absorbiert wird. Die übrigen Bauteile entsprechen denen der Fig. 1.

Bei der Anordnung der Absorptionsgebilde ist darauf zu achten, daß alle diese hintereinandergeschalteten, in gegenseitigem Abstand gehaltenen Gebilde möglichst gleichmäßig von der ein fallenden Strahlung S wärmebelastet werden.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
1a Stirnseite
1b gegenüberliegende Stirnseite
1c Wärmeisolationsschicht
1d Keramikpapier
1e Prallplatten
1f Luftaustrittsöffnung
1g Einschnürung
2 Gebläse
3 gitterförmige Gebilde
3a Strukturen
4 Thermoelement
4a Anzeigeinstrument
4b Raumtemperatur
5 Kühlrippen
6a keramischer Körper
6b Absorptionsgebilde
6c Absorptionsgebilde
6d Reflexionsplatte
S Strahlung
L Luftströmung

Claims

1. Leistungsmeßgerät zur Leistungsmessung optischer Strahlung, insbesondere Laserstrahlung, mit einem rohrförmigen Ge häuse, das mehrere, die Strahlung absorbierende Elemente enthält, sowie einer Temperaturmeßeinrichtung, mit der eine durch die absorbierte Strahlung bewirkte Temperaturerhöhung ermittelt wird, wobei diese Temperaturerhöhung als Meßgröße für die Bestimmung der Strahlleistung herangezogen wird, gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

a) die die Strahlung (S) absorbierenden Elemente bestehen aus mehreren netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3), die in gegenseitigem Abstand und quer zur Richtung der in das Gehäuse (1) einfallenden Strahlung (S) in das Gehäuse (1) eingebaut sind;
b) das Gehäuse (1) ist mit einem Gebläse (2) versehen, das Luft (L) durch die netz-, waben- oder gitterförmigen Ge bilde (3) hindurchfördert;
c) hinter den netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3), bezogen auf die Strömungsrichtung der Luft (L), ist ein Temperaturmeßelement (4) angeordnet, mit dem die Temperatur der durch die Gebilde (3) erwärmten Luftströ mung (L) gemessen und in einem Instrument (4a) als Dif ferenz zur Raumtemperatur (4b) und/oder direkt als Strahlleistung angezeigt wird.

2. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die absorbierenden Strukturen (3a) der einzelnen netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde (3) in Bezug auf die Strahlrichtung (S) gegeneinander versetzt und/oder schräg gegeneinander gestellt sind.

3. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) eine Wärmeisolationsschicht (1c) auf weist, die an die netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilde (3) angrenzt.

4. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gebläse (2) aus einem Axiallüfter besteht, der auf der der einfallenden Strahlung (S) abgewandten Seite in das Gehäuse (1) eingebaut ist.

5. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Gebläse (2) und den netz-, waben- oder gitterförmigen Gebilden (3) Prallplatten (1e) mit periphe ren Luftdurchtrittsöffnungen (1f) in das Gehäuse (1) einge baut sind.

6. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (1) zwischen den netz-, waben- oder gitter förmigen Gebilden (3) und den Prallplatten (1e) eine den freien Gehäusequerschnitt verengende, flanschartige Ein schnürung (1g) aufweist, in deren Bereich ein oder mehrere Temperaturmeßelemente (4) angebracht sind.

7. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Bereich zwischen der Wärmeisolationsschicht (1c) und dem Gebläse (2) an dem Gehäuse (1) über dessen Umfang verteilte, radial nach außen weisende Kühlrippen (5) ange bracht sind.

8. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest das von der einfallenden Strahlung (S) als erstes beaufschlagte Gebilde aus einem keramischen Körper (6a) mit wabenförmiger Struktur besteht.

9. Leistungsmeßgerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß - in Strahlungsrichtung gesehen - hinter den Gebilden (6a, 6b, 6c) eine mit peripheren Luftdurchtrittsöffnungen versehene Reflexionsplatte (6d) in dem Gehäuse (1) so ge neigt angeordnet ist, daß die von ihr reflektierte Strah lung von dem oder den keramischen Körpern (6a) absorbiert wird.