DE3002558C2

DE3002558C2 - Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern

Info

Publication number: DE3002558C2
Application number: DE19803002558
Authority: DE
Inventors: Vladimir Dr.-Ing. 5100 Aachen Blazek
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-01-25
Filing date: 1980-01-25
Publication date: 1981-12-03
Also published as: DE3002558B1

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei der Messung der Strahlungsleistung bzw. der Strahlungsenergie darf praktisch nur in einigen wenigen Fällen der Laserstrahl direkt auf der photoempfindlichen Fläche eines Photodetektors abgebildet werden, und zwar dann, wenn die Bestrahlungsstärke kleiner als etwa 2 mW/mm² ist.

Wegen der meist größeren Leistungen bzw. wegen des sehr kleinen Durchmessers des Laserstrahls und wegen seiner geringen Strahldivergenz muß in der meßtechnischen Praxis bei Leistungsmessungen oft zuerst ein Teil dss Laserstrahls mit Hilfe einer geeigneten Vorrichtung ausgekoppelt oder durch andere Methoden gedämpft werden.

Nach dem Stand der Technik kann die Laserstrahlschwächung durch eine ebene Phasengrenze (Glasplat- te) durchgeführt werden. Diese Glasplatte wird dazu unter einem bestimmten Winkel in den Strahlengang gesetzt. Beträgt der Brechungsindex η des verwendeten Glases etwa 1,5 und ist der Einfallswinkel kleiner als 15°, werden etwa 2x4% des einfallenden Strahls reflektiert μ und etwa 92% stehen der Anwendung zur Verfügung. Der reflektierte Strahlungsanteil kann dann direkt mit einem Photodetektor gemessen werden. Diese Methode weist aber folgende Nachteile auf:

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1. Da die spektrale Empfindlichkeit des Photodetektors nicht konstant über die gesamte aktive Photofläche ist, können schon geringe Abweichungen der Laserstrahlrichtung zu einem unterschiedlichen Meöergebnis führen,

Z Da eine Abschirmung der Meßvorrichtung meist schwierig ist, kann das Meßergebnis durch Fremdlicht erheblich verfälscht werden.

3. Der Meßbereich ist auf Laserleistungen bis zu etwa 50 mW/mm² beschränkt (wenn n— IA Einfallswinkel a~10" und der Zerstörungsbernch des Photodetektors etwa bei 2 mW/mm² angenommen werden).

Ebenfalls sind nach dem Stand der Technik einige Methoden zur Dämpfung des Laserstrahls bekannt In der Praxis hat sich dazu als besonders brauchbar eine als ULBRICHT-Kugel bekannte Photometerkugel erwiesen (s. z.B. OPTO-EIektronik Katalog 1979 der Fa. United Detector Technology, vertrieben durch ts-electronic GmbH in München). Alle bisher nach dem ULBRICHTschen Prinzip bekannten Meßköpfe (siehe z. B. US-PS 39 68 363 und DE-OS 24 17 399) haben aber den Nachteil, daß sie zum Zeitpunkt der Messung der Laserstrahlleistung bzw. -energie den Laserstrahl absorbieren, so daß dieser zur weiteren Anwendung nicht mehr zur Verfügung steht Eine kontinuierliche Überwachung des Laserstrahls während des Einsatzes ist deshalb unmöglich.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Meßvorrichtung mit Photometerkugel der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Art anzugeben, weiche die kontinuierliche Überwachung der Laserstrahlungsleistung und der Laserstrahlungsenergie ermöglicht, wobei der Laserstrahl nur geringfügig gedämpft wird und somit auch während der Leistungsmessung für die jeweilige Anwendung zur Verfügung steht und auch die oben angegebenen Nachteile der Absorptionsmethode vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbüdungesi der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Einrichtung beruht auf einer Ausnutzung an sich bekannter Effekte (reguläre Reflexion an einer Glasscheibe, Dämpfungswirkung einer Photometerkugel), wobei durch eine sinnvolle Kombination und Anordnung die Nachteile der bekannten Einrichtungen vermieden werden und ihre Vorteile voll zur Wirkung kommen. In der F i g. 1 ist ein AusführungsbeispiH einer erfindungsgemäßen Meßeinrichtung schematisch dargestellt. Die F i g. 2 zeigt ein Blockschaltbild einer Auswerteelektronik.

Die Photometerkugel der Meßeinrichtung ist aus >.wei Halbkugeln 1 und 2 zusammengesetzt und weist, wie die bekannten ULBRICHT-Kugeln einen kugelförmigen, luftgefüllten Hohlraum auf, der mit einem annähernd ideal weißen, diffus reflektierenden Belag beschichtet ist. Der Laserstrahl E tritt durch eine Eintrittsöffnung 3 in den Hohlraum ein und fällt auf eine dünne, vorzugsweise in der Mitte des Hohlraums mittels eines Haltesteges 9 und eines Halterings 10 unter einem bestimmten Winkel geneigt zur Strahlrichtung befestigte, klare Glasplatte U. Haltesteg 9 und Haltering 10 weisen möglichst kleine Abmessungen und einen weißen Belag auf, damit sie die optische Integration im Hohlraum wenig stören. Durch die unterschiedlichen Brechungsindizes zwischen Luft und Material der Glasplatte 11 wird an beiden Seiten der Glasplatte (sog. Phasengrenzen) ein kleiner Teil B des Laserstrahls E regulär reflektiert, durch die Mehrfachreflexion im

Hohlraum regelmäßig verteilt, dadurch in gewünschter Weise gedämpft und schließlich durch weitere Wandöffnungen 4 und 5 auf zwei Photodetektoren 7 und 8 gelenkt Der Photodetektor 7 liefert ein elektrisches Signal Si und ist zur Messung der Pulsform und der Pulsbreite (Wiederholfrequenz) des Laserstrahls g bestimmt Der Photodetektor 7 zeichnet sich deshalb durch eine kleine photoempfindliche Fläche und durch eine hohe Grenzfrequenz aus. Der Photodetektor 8 dagegen ist zur Messung der Strahlungsenergie bzw. der ι ο Strahlungsleistung bestimmt und besitzt deshalb eine große photoempfindliche Fläche; er liefert ein elektrisches Signal §2. Zur elektronischen Verarbeitung der Signale £1 und S2 kann vorzugsweise eine Auswerteelektronik dienen, wie sie in der F i g. 2 dargestellt ist In dem Blockschaltbild nach F i g. 2 bedeuten:

12,13 Breitbandige Verstärker

14 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsfrequenz bei gepulst emittierenden Lasern

15 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Pulsdauer bei gepulst emittierenden Lasern

16 Auswerteeinheit zur analogen Messung der Strahlungsenergie bei kontinuierlich oder gepulst emittierenden Lasern

17,18,19 Analog/Digital-Wandler

20 Dividiereinheit (Energie/Zeit = Leistung) zur Ermittlung der Strahlungsleistung bei gepulst emittierenden Lasern

21 Digitale Anzeigeeinheit mit der folgende Größen angezeigt werden können:

a) Emittierte Strahlungsenergie des Lasers

b) Emittierte Strahlungsleistung des Lasers

c) Pulsdauer eines gepulsten Lasers

d) Pulsfrequenz (Wiederholfrequenz) eines gepulsten Lasers

Der Innendurchmesser des strahlungsintegrierenden Hohlraums beträgt vorzugsweise etwa 50 mm, kann aber je nacn Anwendung kleiner oder größer sein. Der Durchmesser der ca. 1 mm dicken Glasplatte 11 soll etwa ein Fünftel des Innendurchmessers des Hohlraums nicht überschreiten.

Der Winkel zwischen der Normalen N auf die Oberfläche der Glasplatte 11 und der Richtung des einfallenden Laserstrahls fsoll im allgemeinen etwa 10° betragen, so daß die seitliche Versetzung der Richtung des Ausgangsstrahls A gegenüber dem Eingangsstrahl £

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25 sehr gering ist

Für spezielle Anwendungen, z, B. bei der Leistungsmessung einer elliptisch polarisierten Laserstrahlung wird der Winkel zwischen der Normalen & auf die Oberfläche der Glasplatte 11 und der Richtung des einfallenden Laserstrahls E so groß wie der sogenannte Polarisationswinkel gewählt, der für Glas-Luft-Grenzflächen etwa 56" beträgt (BREWSTERsche Gesetz). Dadurch wird erreicht daß die parallel zur Einfallsebene schwingende Komponente des elektrischen Feldvektors, d. h. die parallele Komponente der Laserstrahlung ohne Reflexion die Glasplatte U passiert; es wird in diesem Fall nur die zur Einfallsebene senkrechte Komponente der Laserstrahlung erfaßt So kann man den Meßkopf auch vorteilhaft in der Funktion als Polarisationsfilter zur Signaldetektion eines in der Polarisationsrichtung modulierten Laserstrahls verwenden.

Der durch den regulär reflektierten Strahlungsanteil an der Glasplatte 11 nur gering 'ügig geschwächte Laserstrahl A verläßt durch die Ausgan^öffnung 6 die Photometerkugel 1, 2 und steht für den jeweiligen Anwendungszweck ständig, d. h. auch während der Leistungs- bzw. Energiemessung zur Verfugung. Die Anordnung der teils reflektierenden Glasplatte 11 in der Photometerkugel erlaubt die Messung auch sehr großer Strahlungsleistungen ohne Beschädigung der Photodetektoren.

Die erfindungsgemäße Meßeinrichtung kann mit Hilfe eines dem jeweiligen Gerätetyp angepaßten Verbindungsstückes direkt an dem Lasergerät befestigt werden. An der Austrittsöffnung 6 der Photometerkugel 1, 2 kann in an sich bekannter Weise ein Lichtleiter angebracht werden der den austretenden Laserstrahl Δ an die Stelle seiner Verwendung leitet Durch diese Maßnahmen kann der störende Einfluß von Fremdlicht auf die Meßergebnisse mit Sicherheit vermieden werden.

Durch Auswertung der Signale SJ und 52 der Photodetektoren 7 bzw. 8 kann die Laserleistung bzw. die Laserenergie so geregelt werden, daß der Laserstrahl A ständig die gewünschten energetischen Eigenschaften aufweist.

Die vorstehend anhand der Fig.2 beschriebene Auswerteelektronik ist auch in der Patentanmeldung »Meßkopf zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern« desselben Anmelders enthalten und dort beansprucht.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zum Messen der Strahlungsleistung und der Strahlungsenergie von Lasern, bestehend aus einer Photometerkugel (sog. ULBRJCHT-Kugel) mit einer Eintrittsöffnung für den Laserstrahl und mindestens einer weiteren Wandöffnung zum Ansetzen eines Photodetektors, dadurch gekennzeichnet, daß die Photometerkugel (1, 2) eine Austrittsöffnung (6) für den Laserstrahl (A) ι ο aufweist, und daß im luftgefüllten Hohlraum der Photometerkugel geneigt zu der Richtung des durch die Eintrittsöffnung (3) einfallenden Laserstrahls (E) eine dünne, nicht absorbierende und nicht streuende Glasplatte (H) im Strahlengang angeordnet ist, die den Laserstrahl vor Austritt aus der Kugel nur geringfügig schwächt

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Normalen (ti) auf die Oberfläche der Glasplatte (11) und der Richtung des eintretenden Laserstrahles (E) etwa 10° beträgt

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Normalen auf die Oberfläche der Glasplatte und der Richtung des eintreffenden Laserstrahls etwa so groß ist wie der sog. Polarisationswinkel (~ 56°).

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Photodetektor (8) in einem Bereich der Photometerkugel (1, 2) angeordnet ist, der nicht unmittelbar von dem an der Glasplatte (11) regulär reflektierten Teil (B- des Laserstrahls (E) getroffen wird.