WO2009000500A1 - Method and apparatus for measuring the wavefront of laser radiation - Google Patents
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- G01J2001/4261—Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam
Definitions
- the invention relates to a method and a device for wave front measurement of laser radiation.
- the measurement of an optical wavefront of a laser beam is useful for various purposes, for example allowing conclusions to be drawn about the quality of optical components with regard to their surface and transmission properties, in laser technology for characterizing the optical properties used in astronomy to measure the deviation of the front rays of light also stars on their way through the atmosphere.
- the present invention relates in particular to the characterization of the wavefront of laser beams, from which it is possible, for example, to draw conclusions about the alignment accuracy and the degree of soiling of the optical components in the beam path of a laser processing machine.
- the measurement of the wavefront of laser radiation can take place, for example, by means of interferometric methods with the aid of a reference wave.
- the main method used is the Hartmann-Shack measuring principle, in which a segmentation of the laser beam by means of pinhole apertures or lens fields and an imaging or focusing of the individual partial beams on a position-sensitive detector are measured.
- the wavefront can be reconstructed by detecting the lateral deviation of the sub-beams to a predetermined position or referenced by a plane wave.
- laser radiation in a wavelength range of about 400 nm to 1400 nm can be measured. This can be done with very high accuracy due to the availability of high resolution CCD chips operating in this waveband.
- the above-mentioned Hartmann-Shack measuring sensors are problematic in their use for the in-situ wavefront measurement of high-power lasers, since the laser beam is to be attenuated for a measured value recording in order not to damage the sensor element.
- special optical components are used , For example, transmit a small proportion of the laser radiation and reflect the greater part.
- Disadvantage of this solution is the heating of the optical components by absorption of the laser radiation, which can lead to a change in the wavefront of the laser beam due to the temperature dependence of the refractive index of the medium. An accurate measurement of the wavefront is thereby at least made difficult, if not impossible.
- Another problem is the wavefront measurement with laser radiation in the middle and far infrared range, ie at a wavelength of about 1.5 to 15 microns.
- the available sensor elements such as for example micro-bolometer arrays or pyroelectric detectors, are currently available in production only in a low resolution compared to CCD or CMOS chips. In addition, they are extremely expensive.
- Another disadvantage of these detectors lies in their small detector surface. When measuring a laser beam whose cross-section is larger than the detector surface, then additional optical elements for cross-sectional conversion must be used, which in turn can cause a distortion of the wavefront to be measured by aberrations. Finally, the reduction of the cross-section by optical elements leads to a decrease in the resolution of the wavefront sensor due to larger angles of the beams in the optical design of the measuring device.
- the present invention seeks to provide a method and a corresponding device for measuring the wavefront of laser radiation, with the aid of which high-power laser can be measured directly with respect to their wavefront.
- the invention provides a scanning head with a small aperture relative to the laser beam cross-section, which decouples partial laser beams from the laser beam to be measured in temporal succession.
- the respective partial laser beams are detected by means of a position-resolving detector, which is arranged in the beam path of the decoupled partial laser beam, which generates wavefront-specific measurement data.
- a position-resolving detector which is arranged in the beam path of the decoupled partial laser beam, which generates wavefront-specific measurement data.
- the method and apparatus according to the invention have the advantage that the proportion of the laser power passing through the aperture of the arrangement is very small. Thus, no attenuation of the partial laser beam is necessary, corresponding optical elements, which can lead to a distortion of the wavefront to be detected, omitted. Should a power attenuation be required in exceptional cases, the thermal heating of the corresponding optical elements can be neglected due to the low power of the decoupled partial beam. If, after all, thermal effects nevertheless occur, they can be avoided by better cooling of the comparatively smaller optical components.
- DE 10 2005 038 587 A1 shows a measuring system and method for measuring a laser beam, in which the laser beam to be measured is guided by means of a deflection system over a pinhole of the measuring system, from where the decoupled partial beam falls onto a corresponding measuring sensor.
- a wavefront survey is also not addressed in this document.
- the method according to the invention and the corresponding device make it possible to directly measure the wavefront in the measurement plane by evaluating the propagation direction of the partial radiation passing through the aperture on a position-sensitive detector.
- this measurement method uses a completely different physical effect from the previously discussed prior art to describe the wavefront.
- a wavefront determination with the aid of the invention is possible by a direct measurement of the propagation direction of the partial laser beams in a measurement plane for arbitrary wavefronts without costly reconstruction from a power distribution in several planes.
- the inventive method is thus much faster and more accurate than the power measurement, as disclosed in DE 199 09 595 Al or DE 10 2005 038 587 Al.
- 1 and 2 are schematic representations of a hollow needle measuring device for the wavefront of a laser beam in two different embodiments
- 3 and 4 is a plan view and an axial section of a measuring device with aperture stops in a first embodiment
- FIG. 5 shows an axial section of a measuring device in a further embodiment with aperture diaphragm and absorber diaphragm
- 6 to 8 are plan views of this surveying device with differently shaped aperture diaphragms
- FIG. 9 is an axial section of the arrangement of FIG. 8,
- FIG. 10 shows a top view of a measuring device in a further embodiment with aperture diaphragm and absorber diaphragm, and FIG
- FIG. 11 shows an axial section of an aperture stop of the surveying device according to FIG. 10.
- the laser beam 1 to be measured is measured with the aid of a hollow needle-like scanning head 2.
- the latter has, at its end pointing counter to the beam direction S, an aperture 3 small in relation to the laser beam cross section in the form of a circular opening with a diameter of, for example, 1 mm.
- the size of the aperture 3 is preferably of the order of the intended lateral resolution.
- the opening can also be reduced, whereby Care must be taken that the aperture size does not become so small that the diffraction produced at the aperture significantly affects the resolution of the measuring arrangement.
- the aperture diameter is thus to be kept well above the size of the wavelength of the laser radiation to be measured.
- a partial laser beam 4 is coupled out of the laser beam 1 to be measured.
- a position-sensitive detector 5 is arranged in the scanning head in the beam path of the partial laser beam 4, onto which the partial laser beam 4 impinges in a position significant for the course of the wavefront 6 in the region of the coupled-out partial laser beam 4.
- the phase angle of the partial laser beam 4 can be determined via its impact location on the position-resolving detector 5.
- the scanning head 4 is scanned for detecting the entire wavefront 6 with the aid of an x-y positioning system 7, for example in a two-dimensional grid arrangement with a certain number of measuring points in the x and y directions.
- the corresponding measurement data of the detector 5 are assigned to the corresponding position of the aperture 3 in the laser beam 1 and thus the laser front 6 of the laser beam to be measured is determined from the wave front-specific position data of the individual partial laser beams 4 in conjunction with the position coordinates of the positioning system 7.
- an additional optical element 9 for focusing the partial laser beam 4 onto the surface of the detector 5 can be installed in the beam path of the partial laser beam 4.
- the surface 10 of the scanning head 2 has a highly reflective design so that a large part of the laser radiation impinging thereon is deflected and does not lead to heating of the scanning head 2.
- the measuring principle according to the invention is distinguished in comparison to known measuring principles by a high spatial resolution and a large measuring range.
- the resolution of the detector arrays used for the known Hartmann-Shack method is low, especially for the measurement of IR radiation in the range of 8 to 14 microns.
- the current state is a maximum of 640 x 480 pixel VGA resolution.
- the Hartmann-Shack method the total available detector area of nxm pixels is subdivided into k sub-areas and assigned to a subaperture. As a result, the measuring range and the resolution of the measuring system are drastically reduced, since for a subaperture that detects a section of the wavefront, therefore, only nxm / k 2 pixels are available.
- the partial laser beam 4 coupled in via the aperture is evaluated with the aid of the entire surface of the detector 5 with n ⁇ m pixels.
- This allows dramatically higher resolution or the ability to use smaller, low-pixel detectors or simpler position-sensitive semiconductors, such as four-quadrant diodes or PSD detectors, which then achieve similar resolution compared to prior art Hartmann-Shack systems but are significantly less expensive ,
- FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the aperture 3 of the scanning head 2 is associated with a deflecting mirror 11 which deflects the coupled-out partial laser beam 4 transversely to the beam direction S of the laser beam 1 to be measured onto the detector 5 , This allows a reduction in the height of the Ab- probe. As a result, the mechanical properties can be improved in certain design variants.
- Matching components are identified by identical reference numbers.
- FIG. 3 and 4 an alternative embodiment for forming the laser beam 1 scanning aperture 3 is shown, which is constructed on the model of the so-called Nipkov disc.
- This construction has a first disk element 12 with an aperture slot 13 occupying a radius line, which is combined with a second disk element 14.
- the latter has at uniform angles of rotation W in each case with increasing distance a arranged aperture openings 16. If the second disk element 14 is rotated relative to the first disk element 12, one of the aperture openings 16 successively comes into coverage in the area of the aperture slot 13 successively.
- the laser beam 1 can thus be scanned on a chord line relative to the laser cross section.
- the two disk elements 12, 14 are moved together either linearly to the laser beam 1, so that the Aper- turschlitz 13 sweeps over the complete cross section of the laser beam 1 and correspondingly the entire laser beam 1 is scanned.
- a rotation of the disk elements 12, 14 about the center of the aperture 14 is also possible for detecting the entire laser beam cross-section, in which case a fan-shaped scanning of the laser beam 1 takes place.
- the optical element 9 is arranged in the form of a lens, with the aid of which the sub-beams which are hidden in time succession through the aperture openings 16 4 in turn be imaged onto the detector 5 in the form of a four-quadrant diode.
- the aperture stop is designed as a rotating perforated mirror 17 with an aperture opening 16 in the region of a circumferential groove recess 18 which is conical in cross-section.
- the hole mirror 17 is thus formed as a W-axicon.
- an absorber ring aperture 19 is arranged, the central opening is concentric with the traversed by the aperture 16 peripheral line of the hole mirror 17.
- the absorber ring diaphragm 19 defines with its central opening 20, which has the diameter A, the measuring aperture of the device through which the laser beam 1 passes.
- an optical element 9 in the form of a lens is again arranged underneath it, with the aid of which the hidden partial laser beam 4 is imaged onto the detector 5 in the form of a four-quadrant diode.
- the laser radiation 21 reflected by the perforated mirror 17 in the region of the groove recess 18 is absorbed in a defined manner by the absorber ring diaphragm 19 with its absorber section 22 which widens conically downwards.
- the laser beam 1 can be completely scanned in the direction R by a displacement of the measuring device according to FIGS. 5 and 6. In each case arcuate tendon lines of the laser beam cross section are scanned.
- a multi-hole mirror 23 is shown with a plurality of aperture openings 16, which are arranged analogously to the nipkovusionnartigen arrangement of FIG. 3 and 4 on a spiral line.
- a plurality of arc-shaped chord sections of the laser beam 1 can be scanned one after the other without displacement of the surveying device, resulting overall in a shorter scanning time for the measurement of the entire laser beam 1.
- a plurality of aperture openings 16 are arranged on a single circumferential line in the multiple-hole mirror 23 '. Their distance D must be greater than the diameter A of the central opening 20 of the absorber ring diaphragm 19. When shifting this multiple-hole mirror 23 'in the direction R, a substantially arcuate chord line of the laser beam 1 is scanned with each aperture 16.
- the aperture openings 16 at the lowest point of the groove recesses 18 are arranged.
- the distance of the aperture openings 16 from the lens 9 is constant and minimal.
- the inclined flanks of the groove recesses 18 cause the main laser beam 1 is controlled in the absorber ring diaphragm 19.
- the groove recesses 18 should be as pointed as possible at their lowest point, ie have the greatest possible curvature in order to produce as little diffuse backscatter as possible.
- the upwardly facing ridges 24 between the groove recesses 18 are less problematic in terms of scattering, since they can be made quasi acute with an extremely small radius of curvature.
- FIG. 10 shows a variant of a multiple-hole mirror 25, in which the aperture openings 16 are each surrounded by conically extending zones 26.
- the aperture openings 16 are in each case at the downward-pointing cone tip.
- a plurality of conical zones 26 are arranged distributed over the circumference of the multi-hole mirror 25.
- the disk of the multi-hole mirror 25 can be made relatively thick.
- cooling louvers 27 may be provided on the rear side of the multiple-hole mirror 25.
- the multiple-hole mirror 23 (FIG. 9) or 25 (FIG. 11) can be provided at the rear with a plane-parallel absorber 28 in front of each aperture 16. Due to the contact with the heat-dissipating disk of the multi-hole mirror 23 or 25, heating of the absorber 28 is limited. The attenuation thus also takes place in the region of the parallel beam of the partial laser beam 4 and not in the focused section. As an alternative to the absorber 28, a partially reflective coating of the focusing lens 9 is also possible.
- the aperture openings 16 are moved uniformly in circular paths over the laser beam 1 by the rotation of the respective mirrors 17, 23, 23 'or 25.
- the detector 5 experiences a comparatively slow change in intensity.
- the integration time of the detector 5 determines the spatial resolution of the surveying system in this direction at a constant rotational speed. It is thus electronically adjustable.
- a method of the mirrors 17, 23, 23 'and 25 with fixed lens 9 and detector 5 a rastering of the entire beam cross section is effected, from which the wavefront of the laser beam 1 can be determined.
- the invention has a multiplicity of advantages:
- the measurement of the wavefront can be realized at high laser powers without prior power attenuation. As a result, the subject
- the lateral resolution of the measuring system can be increased by scanning the laser beam cross-section with the aid of a high-precision positioning system.
- the measurement of large laser beam cross sections can be carried out without cross section conversion.
- Low cost position sensitive detectors such as four quadrant diodes or P SD detectors may be used.
- the detectors are more easily interchangeable so that laser beam sources with different wavelengths can be measured flexibly.
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Abstract
Description
Verfahren und Vorrichtung zur Wellenfrontvermessung von Laserstrahlung Method and device for wavefront measurement of laser radiation
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Wellen- frontvermessung von Laserstrahlung.The invention relates to a method and a device for wave front measurement of laser radiation.
Zum Hintergrund der Erfindung ist festzuhalten, dass die Vermessung einer optischen Wellenfront eines Laserstrahls für verschiedene Zwecke dienlich ist, beispielsweise Rückschlüsse auf die Qualität optischer Bautei- Ie im Hinblick auf ihre Oberflächen- und Transmissionseigenschaften zu- lässt, in der Lasertechnik zur Charakterisierung der optischen Eigenschaften eines Laserstrahls verwendet oder in der Astronomie zur Messung der Abweichung der Strahlenfront des Lichtes ferner Sterne auf dem Weg durch die Atmosphäre eingesetzt wird. Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Charakterisierung der Wellenfront von Laserstrahlen, woraus beispielsweise Rückschlüsse auf die Justiergenauigkeit und den Verschmutzungsgrad der optischen Komponenten im Strahlengang einer Laser-Bearbeitungsmaschine gezogen werden können.In the background of the invention, it should be noted that the measurement of an optical wavefront of a laser beam is useful for various purposes, for example allowing conclusions to be drawn about the quality of optical components with regard to their surface and transmission properties, in laser technology for characterizing the optical properties used in astronomy to measure the deviation of the front rays of light also stars on their way through the atmosphere. The present invention relates in particular to the characterization of the wavefront of laser beams, from which it is possible, for example, to draw conclusions about the alignment accuracy and the degree of soiling of the optical components in the beam path of a laser processing machine.
Die Vermessung der Wellenfront von Laserstrahlung kann beispielsweise durch Hilfe von interferometrischen Verfahren mit Hilfe einer Referenzwelle erfolgen. In der Praxis wird jedoch vornehmlich nach den Hartmann- Shack-Messprinzip verfahren, bei dem durch eine Segmentierung des Laserstrahls mittels Lochblenden oder Linsenfelder und eine Abbildung be- ziehungsweise Fokussierung der einzelnen Teilstrahlen auf einen positionsempfindlichen Detektor vermessen wird. Die Wellenfront kann durch Detektion der lateralen Abweichung der Teilstrahlen zu einer vorher festgelegten oder mittels einen ebenen Welle referenzierten Position rekonstruiert werden. Mit kommerziell erhältlichen Systemen kann Laserstrahlung in einem Wellenlängenbereich von ca. 400 nm bis 1400 nm vermessen werden. Dies kann aufgrund der Verfügbarkeit von hochauflösenden CCD-Chips, die in diesem Wellenbereich arbeiten, mit einer sehr hohen Genauigkeit erfolgen.The measurement of the wavefront of laser radiation can take place, for example, by means of interferometric methods with the aid of a reference wave. In practice, however, the main method used is the Hartmann-Shack measuring principle, in which a segmentation of the laser beam by means of pinhole apertures or lens fields and an imaging or focusing of the individual partial beams on a position-sensitive detector are measured. The wavefront can be reconstructed by detecting the lateral deviation of the sub-beams to a predetermined position or referenced by a plane wave. With commercially available systems laser radiation in a wavelength range of about 400 nm to 1400 nm can be measured. This can be done with very high accuracy due to the availability of high resolution CCD chips operating in this waveband.
Varianten des Hartmann-Shack-Messprinzips sind in verschiedenen Patenten beschrieben, wie beispielsweise der DE 39 43 518 C2, DE 40 07 321 C2, DE 197 35 096 Al oder DE 102 43 838 B3.Variants of the Hartmann-Shack measuring principle are described in various patents, such as DE 39 43 518 C2, DE 40 07 321 C2, DE 197 35 096 A1 or DE 102 43 838 B3.
Die vorstehend erwähnten Hartmann- Shack-Messsensoren sind bei ihrer Verwendung für die in-situ-Wellenfrontvermessung von Hochleistungslasern problematisch, da der Laserstrahl für eine Messwertaufnahme in seiner Leistung abzuschwächen ist, um das Sensorelement nicht zu beschädi- gen. Hierfür werden spezielle optische Komponenten eingesetzt, die beispielsweise einen geringen Anteil der Laserstrahlung transmittieren und den größeren Teil reflektieren. Nachteil dieser Lösung ist die Erwärmung der optischen Komponenten durch eine Absorption der Laserstrahlung, was aufgrund der Temperaturabhängigkeit der Brechzahl des Mediums zu einer Veränderung der Wellenfront des Laserstrahls führen kann. Eine exakte Vermessung der Wellenfront wird dadurch zumindest erschwert, wenn nicht sogar unmöglich.The above-mentioned Hartmann-Shack measuring sensors are problematic in their use for the in-situ wavefront measurement of high-power lasers, since the laser beam is to be attenuated for a measured value recording in order not to damage the sensor element. For this purpose, special optical components are used , For example, transmit a small proportion of the laser radiation and reflect the greater part. Disadvantage of this solution is the heating of the optical components by absorption of the laser radiation, which can lead to a change in the wavefront of the laser beam due to the temperature dependence of the refractive index of the medium. An accurate measurement of the wavefront is thereby at least made difficult, if not impossible.
Eine weitere Problematik liegt in der Wellenfrontvermessung bei Laser- Strahlung im mittleren und fernen Infrarotbereich, also bei einer Wellenlänge von ca. 1,5 bis 15 μm. Die verfügbaren Sensorelemente, wie beispielsweise Mikro-Bolometer-Arrays oder pyroelektrische Detektoren sind derzeit fertigungsbedingt im Vergleich zu CCD- oder CMOS-Chips nur in einer geringen Auflösung erhältlich. Zudem sind sie ausgesprochen teuer. Ein weiterer Nachteil dieser Detektoren liegt in ihrer kleinen Detektorfläche. Bei der Vermessung eines Laserstrahls, dessen Querschnitt größer als die Detektorfläche ist, müssen dann zusätzliche optische Elemente zur Querschnittswandlung verwendet werden, die wiederum eine Verfälschung der zu vermessenden Wellenfront durch Abbildungsfehler herbeiführen können. Schließlich führt die Verkleinerung des Querschnitts durch optische Elemente zu einer Abnahme der Auflösung des Wellenfrontsensors aufgrund größerer Winkel der Strahlen im optischen Aufbau der Vermes- sungsvorrichtung.Another problem is the wavefront measurement with laser radiation in the middle and far infrared range, ie at a wavelength of about 1.5 to 15 microns. The available sensor elements, such as for example micro-bolometer arrays or pyroelectric detectors, are currently available in production only in a low resolution compared to CCD or CMOS chips. In addition, they are extremely expensive. Another disadvantage of these detectors lies in their small detector surface. When measuring a laser beam whose cross-section is larger than the detector surface, then additional optical elements for cross-sectional conversion must be used, which in turn can cause a distortion of the wavefront to be measured by aberrations. Finally, the reduction of the cross-section by optical elements leads to a decrease in the resolution of the wavefront sensor due to larger angles of the beams in the optical design of the measuring device.
Ausgehend von den geschilderten Problemen des Standes der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine entsprechende Vorrichtung zur Vermessung der Wellenfront von Laserstrahlung an- zugeben, mit deren Hilfe Hochleistungslaser direkt hinsichtlich ihrer Wellenfront vermessbar sind.Based on the described problems of the prior art, the present invention seeks to provide a method and a corresponding device for measuring the wavefront of laser radiation, with the aid of which high-power laser can be measured directly with respect to their wavefront.
Die Lösung dieser Aufgabe wird in verfahrenstechnischer Hinsicht durch die im Kennzeichnungsteil des Anspruches 1 angegebenen Prozessschritte und unter vorrichtungstechnischen Aspekten durch den im Kennzeichnungsteil des Anspruches 5 angegebenen Aufbau gelöst.The solution of this problem is solved in procedural terms by the specified in the characterizing part of claim 1 process steps and under device-technical aspects by the construction specified in the characterizing part of claim 5.
Die Erfindung sieht demnach einen Abtastkopf mit einer gegenüber dem Laserstrahl-Querschnitt kleinen Apertur vor, der in zeitlicher Aufeinander- folge Teillaserstrahlen aus dem zu vermessenden Laserstrahl auskoppelt. Die jeweiligen Teillaserstrahlen werden mittels eines positionsauflösendem Detektors, der im Strahlengang des ausgekoppelten Teillaserstrahls angeordnet ist, erfasst, der wellenfrontspezifische Messdaten erzeugt. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit wird zur Bestimmung der zu vermessenden Wellen- front aus den wellenfrontspezifischen Messdaten der einzelnen Teillaserstrahlen in Verbindung mit den Lagekoordinaten der ausgekoppelten Teillaserstrahlen innerhalb des zu vermessenden Laserstrahls die zu vermessende Wellenfront rekonstruiert.Accordingly, the invention provides a scanning head with a small aperture relative to the laser beam cross-section, which decouples partial laser beams from the laser beam to be measured in temporal succession. The respective partial laser beams are detected by means of a position-resolving detector, which is arranged in the beam path of the decoupled partial laser beam, which generates wavefront-specific measurement data. With the aid of an evaluation unit, the determination of the wave- front of the wavefront-specific measurement data of the individual partial laser beams in conjunction with the position coordinates of the decoupled partial laser beams within the laser beam to be measured reconstructed the wavefront to be measured.
Verfahren und Vorrichtung gemäß der Erfindung haben den Vorteil, dass der Anteil der durch die Apertur der Anordnung tretenden Laserleistung sehr gering ist. Somit ist keine Abschwächung des Teillaserstrahls notwendig, entsprechende optische Elemente, die zu einer Verfälschung der zu detektierenden Wellenfront führen können, entfallen. Sollte in Ausnahmefällen eine Leistungsabschwächung erforderlich sein, kann die thermische Erwärmung der entsprechenden optischen Elemente aufgrund der geringen Leistung des ausgekoppelten Teilstrahls vernachlässigt werden. Sollten schließlich dennoch thermische Effekte auftreten, können diese durch eine bessere Kühlung der vergleichsweise kleineren optischen Komponenten vermieden werden.The method and apparatus according to the invention have the advantage that the proportion of the laser power passing through the aperture of the arrangement is very small. Thus, no attenuation of the partial laser beam is necessary, corresponding optical elements, which can lead to a distortion of the wavefront to be detected, omitted. Should a power attenuation be required in exceptional cases, the thermal heating of the corresponding optical elements can be neglected due to the low power of the decoupled partial beam. If, after all, thermal effects nevertheless occur, they can be avoided by better cooling of the comparatively smaller optical components.
Es ist daraufhinzuweisen, dass eine Intensitätsvermessung eines Laserstrahls mit Hilfe einer so genannten Pinhole- Anordnung aus der DE 199 09 595 Al bekannt ist. Dieses Verfahren ermöglicht damit eine Darstellung des Strahlquerschnitts in der gemessenen Ebene. Durch eine Messwertaufnahme in verschiedenen Ebenen wäre damit bestenfalls eine Rückrechnung auf die eigentlich im Laserstrahl vorliegende Wellenfront möglich. Die Erfindung gewinnt demgegenüber zusätzliche Informationen über den La- serstrahl, da durch die Kenntnis der Wellenfront des Laserstrahls beispielsweise Aberationen der Strahlung an optischen Komponenten festgestellt und quantifiziert werden können. Die DE 199 09 595 Al gibt darauf keinen Hinweis. Ferner zeigt die DE 10 2005 038 587 Al ein Messsystem und Verfahren zum Vermessen eines Laserstrahls, bei dem der zu vermessende Laserstrahl mit Hilfe eines Ablenksystems scannend über ein Pinhole des Messsystems geführt, von wo aus der ausgekoppelte Teilstrahl auf einen ent- sprechenden Messsensor fällt. Eine Wellenfrontvermessung ist in dieser Druckschrift ebenfalls nicht angesprochen.It should be noted that an intensity measurement of a laser beam using a so-called pinhole arrangement known from DE 199 09 595 Al is known. This method thus allows a representation of the beam cross section in the measured plane. By recording a measured value in various planes, this would at best make it possible to recalculate the wavefront actually present in the laser beam. By contrast, the invention obtains additional information about the laser beam, since, for example, aberrations of the radiation on optical components can be detected and quantified by the knowledge of the wavefront of the laser beam. DE 199 09 595 A1 gives no indication of this. Furthermore, DE 10 2005 038 587 A1 shows a measuring system and method for measuring a laser beam, in which the laser beam to be measured is guided by means of a deflection system over a pinhole of the measuring system, from where the decoupled partial beam falls onto a corresponding measuring sensor. A wavefront survey is also not addressed in this document.
Das erfindungsgemäße Verfahren und die entsprechende Vorrichtung ermöglichen mit der Auswertung der Ausbreitungsrichtung der die Apertur passierenden Teilstrahlung auf einem positionsempfindlichen Detektor eine direkte Messung der Wellenfront in der Messebene. Dieses Messverfahren nutzt also einen gegenüber dem vorstehend diskutierten Stand der Technik völlig anderen physikalischen Effekt, um die Wellenfront zu beschreiben. Vorteilhafterweise ist eine Wellenfrontbestimmung mit Hilfe der Erfindung durch eine direkte Messung der Ausbreitungsrichtung der Teillaserstrahlen in einer Messebene für beliebige Wellenfronten ohne aufwändige Rekonstruktion aus einer Leistungsverteilung in mehreren Ebenen möglich. Das erfindungsgemäße Verfahren ist damit wesentlich schneller und genauer als die Leistungsmessung, wie sie in der DE 199 09 595 Al bzw. DE 10 2005 038 587 Al offenbart ist.The method according to the invention and the corresponding device make it possible to directly measure the wavefront in the measurement plane by evaluating the propagation direction of the partial radiation passing through the aperture on a position-sensitive detector. Thus, this measurement method uses a completely different physical effect from the previously discussed prior art to describe the wavefront. Advantageously, a wavefront determination with the aid of the invention is possible by a direct measurement of the propagation direction of the partial laser beams in a measurement plane for arbitrary wavefronts without costly reconstruction from a power distribution in several planes. The inventive method is thus much faster and more accurate than the power measurement, as disclosed in DE 199 09 595 Al or DE 10 2005 038 587 Al.
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens beziehungsweise der entsprechenden Vorrichtung angegeben, die in der nachfolgenden Beschreibung anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen:In the dependent claims advantageous developments of the method according to the invention or the corresponding device are given, which are explained in more detail in the following description with reference to the accompanying drawings. Show it:
Fig. 1 und 2 schematische Darstellungen einer Hohlnadel- Vermessungsvorrichtung für die Wellenfront eines Laserstrahls in zwei unterschiedlichen Ausfuhrungsformen, Fig. 3 und 4 eine Draufsicht und einen Axialschnitt einer Vermessungsvorrichtung mit Aperturblenden in einer ersten Ausführungs- form,1 and 2 are schematic representations of a hollow needle measuring device for the wavefront of a laser beam in two different embodiments, 3 and 4 is a plan view and an axial section of a measuring device with aperture stops in a first embodiment,
Fig. 5 einen Axialschnitt einer Vermessungseinrichtung in einer weiteren Ausführungsform mit Aperturblende und Absorberblende,5 shows an axial section of a measuring device in a further embodiment with aperture diaphragm and absorber diaphragm,
Fig. 6 bis 8 Draufsichten dieser Vermessungseinrichtung mit unterschiedlich ausgebildeten Aperturblenden,6 to 8 are plan views of this surveying device with differently shaped aperture diaphragms,
Fig. 9 einen Axialschnitt der Anordnung gemäß Fig. 8,9 is an axial section of the arrangement of FIG. 8,
Fig. 10 eine Draufsicht einer Vermessungseinrichtung in einer weiteren Ausführungsform mit Aperturblende und Absorberblende, und10 shows a top view of a measuring device in a further embodiment with aperture diaphragm and absorber diaphragm, and FIG
Fig. 11 einen Axialschnitt einer Aperturblende der Vermessungsein- richtung gemäß Fig. 10.11 shows an axial section of an aperture stop of the surveying device according to FIG. 10.
Wie aus Fig. 1 deutlich wird, wird der zu vermessende Laserstrahl 1 mit Hilfe eines hohlnadelartigen Abtastkopfes 2 vermessen. Letzterer weist an seinem entgegen der Strahlrichtung S weisenden Ende eine gegenüber dem Laserstrahl-Querschnitt kleine Apertur 3 in Form einer kreisrunden Öffnung mit einem Durchmesser von beispielsweise 1 mm auf. Grundsätzlich liegt die Größe der Apertur 3 vorzugsweise in der Größenordnung der beabsichtigten lateralen Auflösung. Bei sehr hohen Leistungsdichten des zu vermessenden Laserstrahls kann die Öffnung auch verkleinert werden, wo- bei darauf zu achten ist, dass das Aperturmaß nicht so klein wird, dass die an der Apertur entstehende Beugung die Auflösung der Messanordnung signifikant beeinträchtigt. Der Öffnungsdurchmesser ist also deutlich über die Größe der Wellenlänge der zu vermessenden Laserstrahlung zu halten.As is clear from FIG. 1, the laser beam 1 to be measured is measured with the aid of a hollow needle-like scanning head 2. The latter has, at its end pointing counter to the beam direction S, an aperture 3 small in relation to the laser beam cross section in the form of a circular opening with a diameter of, for example, 1 mm. In principle, the size of the aperture 3 is preferably of the order of the intended lateral resolution. At very high power densities of the laser beam to be measured, the opening can also be reduced, whereby Care must be taken that the aperture size does not become so small that the diffraction produced at the aperture significantly affects the resolution of the measuring arrangement. The aperture diameter is thus to be kept well above the size of the wavelength of the laser radiation to be measured.
Mittels der Apertur 3 wird ein Teillaserstrahl 4 aus dem zu vermessenden Laserstrahl 1 ausgekoppelt. Im Abtastkopf ist ein positionsempfindlicher Detektor 5 im Strahlengang des Teillaserstrahls 4 angeordnet, auf den der Teillaserstrahl 4 in einer für den Verlauf der Wellenfront 6 im Bereich des ausgekoppelten Teillaserstrahls 4 signifikanten Position auftrifft. Damit kann der Phasenwinkel des Teillaserstrahls 4 über dessen Auftreffort auf dem positionsauflösenden Detektor 5 bestimmt werden. Der Abtastkopf 4 wird zur Erfassung der gesamten Wellenfront 6 mit Hilfe eines x-y- Positioniersystems 7 scannend, beispielsweise in einer zweidimensionalen Rasteranordnung mit einer bestimmten Anzahl von Messpunkten in x- und y-Richtung abgetastet. Mit Hilfe einer Auswerteeinheit 8 werden die entsprechenden Messdaten des Detektors 5 der entsprechenden Position der Apertur 3 im Laserstrahl 1 zugeordnet und so die zu vermessende Laserfront 6 des Laserstrahls aus den wellenfrontspezifischen Positionsdaten der einzelnen Teillaserstrahlen 4 in Verbindung mit den Lagekoordinaten des Positioniersystems 7 bestimmt.By means of the aperture 3, a partial laser beam 4 is coupled out of the laser beam 1 to be measured. A position-sensitive detector 5 is arranged in the scanning head in the beam path of the partial laser beam 4, onto which the partial laser beam 4 impinges in a position significant for the course of the wavefront 6 in the region of the coupled-out partial laser beam 4. Thus, the phase angle of the partial laser beam 4 can be determined via its impact location on the position-resolving detector 5. The scanning head 4 is scanned for detecting the entire wavefront 6 with the aid of an x-y positioning system 7, for example in a two-dimensional grid arrangement with a certain number of measuring points in the x and y directions. With the aid of an evaluation unit 8, the corresponding measurement data of the detector 5 are assigned to the corresponding position of the aperture 3 in the laser beam 1 and thus the laser front 6 of the laser beam to be measured is determined from the wave front-specific position data of the individual partial laser beams 4 in conjunction with the position coordinates of the positioning system 7.
Um die Auflösung der Messanordnung zu erhöhen, kann in den Strahlengang des Teillaserstrahls 4 noch ein zusätzliches optisches Element 9 zur Fokussierung des Teillaserstrahls 4 auf die Fläche des Detektors 5 eingebaut werden. Die Oberfläche 10 des Abtastkopfes 2 ist im Übrigen hochreflektierend ausgebildet, sodass ein Großteil der darauf auftreffenden Laserstrahlung abgelenkt und nicht zu einer Erwärmung des Abtastkopfes 2 führt.In order to increase the resolution of the measuring arrangement, an additional optical element 9 for focusing the partial laser beam 4 onto the surface of the detector 5 can be installed in the beam path of the partial laser beam 4. Incidentally, the surface 10 of the scanning head 2 has a highly reflective design so that a large part of the laser radiation impinging thereon is deflected and does not lead to heating of the scanning head 2.
Das erfindungsgemäße Messprinzip zeichnet sich im Vergleich zu bekannten Messprinzipien durch eine hohe räumliche Auflösung sowie einen großen Messbereich aus. Die Auflösung der für das bekannte Hartmann- Shack- Verfahren verwendeten Detektor-Arrays ist vor allem für die Vermessung von IR-Strahlung im Bereich von 8 bis 14 μm gering. Derzeitiger Stand ist maximal eine VGA- Auflösung mit 640 x 480 Pixel. Beim Hart- mann-Shack- Verfahren wird die gesamte zur Verfügung stehende Detektorfläche von n x m Pixeln in k-Subbereiche unterteilt und einer Subapertur zugeordnet. Dadurch verringert sich der Messbereich und die Auflösung des Messsystems drastisch, da für eine Subapertur, die einen Ausschnitt der Wellenfront erfasst, demnach nur n x m/k2 Pixel zur Verfugung stehen. Beim erfϊndungsgemäßen Verfahren wird im Gegensatz dazu der über die Apertur eingekoppelte Teillaserstrahl 4 mit Hilfe der gesamten Fläche des Detektors 5 mit n x m Pixeln ausgewertet. Dies ermöglicht eine drastisch höhere Auflösung oder die Möglichkeit, kleinere Detektoren mit geringer Pixelanzahl oder einfachere positionsempfindliche Halbleiter, wie beispielsweise Vierquadrantendioden oder PSD-Detektoren zu verwenden, die dann eine ähnliche Auflösung im Vergleich zu bekannten Hartmann- Shack-Systemen erreichen, jedoch deutlich preisgünstiger sind.The measuring principle according to the invention is distinguished in comparison to known measuring principles by a high spatial resolution and a large measuring range. The resolution of the detector arrays used for the known Hartmann-Shack method is low, especially for the measurement of IR radiation in the range of 8 to 14 microns. The current state is a maximum of 640 x 480 pixel VGA resolution. In the Hartmann-Shack method, the total available detector area of nxm pixels is subdivided into k sub-areas and assigned to a subaperture. As a result, the measuring range and the resolution of the measuring system are drastically reduced, since for a subaperture that detects a section of the wavefront, therefore, only nxm / k 2 pixels are available. By contrast, in the case of the method according to the invention, the partial laser beam 4 coupled in via the aperture is evaluated with the aid of the entire surface of the detector 5 with n × m pixels. This allows dramatically higher resolution or the ability to use smaller, low-pixel detectors or simpler position-sensitive semiconductors, such as four-quadrant diodes or PSD detectors, which then achieve similar resolution compared to prior art Hartmann-Shack systems but are significantly less expensive ,
Die in Fig. 2 gezeigte Ausfuhrungsform unterschiedet sich von der gemäß Fig. 1 lediglich dadurch, dass der Apertur 3 des Abtastkopfes 2 ein Umlenkspiegel 11 zugeordnet ist, der den ausgekoppelten Teillaserstrahl 4 quer zur Strahlrichtung S des zu vermessenden Laserstrahls 1 auf den Detektor 5 umlenkt. Dies ermöglicht eine Verringerung der Bauhöhe des Ab- tastkopfes. Dadurch können die mechanischen Eigenschaften in bestimmten Aufbauvarianten verbessert werden. Im Übrigen kann zur Ausfuhrungsform gemäß Fig. 2 auf die entsprechende Beschreibung der Fig. 1 verwiesen werden. Übereinstimmende Bauteile sind mit identischen Bezugszei- chen versehen.The embodiment shown in FIG. 2 differs from that of FIG. 1 only in that the aperture 3 of the scanning head 2 is associated with a deflecting mirror 11 which deflects the coupled-out partial laser beam 4 transversely to the beam direction S of the laser beam 1 to be measured onto the detector 5 , This allows a reduction in the height of the Ab- probe. As a result, the mechanical properties can be improved in certain design variants. Incidentally, reference may be made to the embodiment of FIG. 2 to the corresponding description of FIG. 1. Matching components are identified by identical reference numbers.
In Fig. 3 und 4 ist eine alternative Ausführungsform zur Bildung der den Laserstrahl 1 abscannenden Apertur 3 dargestellt, die nach dem Vorbild der sogenannten Nipkov- Scheibe aufgebaut ist. Dieser Aufbau weist ein erstes Scheibenelement 12 mit einem eine Radiuslinie einnehmenden Aperturschlitz 13 auf, das mit einem zweiten Scheibenelement 14 kombiniert ist. Letzteres weist auf gleichmäßigen Drehwinkeln W jeweils mit größer werdendem Abstand a angeordnete Aperturöffnungen 16 auf. Wird das zweite Scheibenelement 14 relativ zum ersten Scheibenelement 12 gedreht, so kommt im Bereich des Aperturschlitzes 13 sukzessive jeweils eine der Aperturöffnungen 16 in Deckung. Der Laserstrahl 1 kann so auf einer Sehnenlinie bezogen auf den Laserquerschnitt abgetastet werden. Zur kompletten Erfassung des Laserstrahls 1 werden die beiden Scheibenelemente 12, 14 gemeinsam entweder linear zum Laserstrahl 1 bewegt, so dass der Aper- turschlitz 13 den kompletten Querschnitt des Laserstrahls 1 überstreicht und entsprechend der gesamte Laserstrahl 1 abgetastet wird. Eine Drehung der Scheibenelemente 12, 14 um den Mittelpunkt der Aperturblende 14 ist zur Erfassung des gesamten Laserstrahlquerschnitts ebenfalls möglich, wobei dann eine fächerförmige Abtastung des Laserstrahls 1 stattfindet.In Fig. 3 and 4, an alternative embodiment for forming the laser beam 1 scanning aperture 3 is shown, which is constructed on the model of the so-called Nipkov disc. This construction has a first disk element 12 with an aperture slot 13 occupying a radius line, which is combined with a second disk element 14. The latter has at uniform angles of rotation W in each case with increasing distance a arranged aperture openings 16. If the second disk element 14 is rotated relative to the first disk element 12, one of the aperture openings 16 successively comes into coverage in the area of the aperture slot 13 successively. The laser beam 1 can thus be scanned on a chord line relative to the laser cross section. For complete detection of the laser beam 1, the two disk elements 12, 14 are moved together either linearly to the laser beam 1, so that the Aper- turschlitz 13 sweeps over the complete cross section of the laser beam 1 and correspondingly the entire laser beam 1 is scanned. A rotation of the disk elements 12, 14 about the center of the aperture 14 is also possible for detecting the entire laser beam cross-section, in which case a fan-shaped scanning of the laser beam 1 takes place.
Wie aus dem Axialschnitt gemäß Fig. 4 deutlich wird, ist unterhalb des Scheibenelements 14 mit dem Aperturschlitz 13 das optische Element 9 in Form einer Linse angeordnet, mit deren Hilfe die jeweils in zeitlicher Aufeinanderfolge durch die Aperturöffnungen 16 ausgeblendeten Teilstrahlen 4 wiederum auf den Detektor 5 in Form einer Vierquadrantendiode abgebildet werden.As is clear from the axial section according to FIG. 4, below the disc element 14 with the aperture slit 13, the optical element 9 is arranged in the form of a lens, with the aid of which the sub-beams which are hidden in time succession through the aperture openings 16 4 in turn be imaged onto the detector 5 in the form of a four-quadrant diode.
Bei der in den Fig. 5 und 6 dargestellten Ausführungsform ist die Aper- turblende als drehender Lochspiegel 17 mit einer Aperturöffnung 16 im Bereich einer im Querschnitt konischen, umlaufenden Rillenvertiefung 18 ausgelegt. Der Lochspiegel 17 ist damit als W-Axicon ausgebildet. Über diesen Lochspiegel 17 mit der einzigen Aperturöffnung 16 ist eine Absorberringblende 19 angeordnet, deren zentrale Öffnung konzentrisch zu den von der Aperturöffnung 16 durchlaufenen Peripherlinie des Lochspiegels 17 liegt. Die Absorberringblende 19 definiert mit ihrer zentralen Öffnung 20, die den Durchmesser A aufweist, die Messapertur der Vorrichtung, durch die der Laserstrahl 1 hindurchtritt.In the embodiment illustrated in FIGS. 5 and 6, the aperture stop is designed as a rotating perforated mirror 17 with an aperture opening 16 in the region of a circumferential groove recess 18 which is conical in cross-section. The hole mirror 17 is thus formed as a W-axicon. About this hole mirror 17 with the single aperture 16, an absorber ring aperture 19 is arranged, the central opening is concentric with the traversed by the aperture 16 peripheral line of the hole mirror 17. The absorber ring diaphragm 19 defines with its central opening 20, which has the diameter A, the measuring aperture of the device through which the laser beam 1 passes.
Im Bereich der Aperturöffnung des Lochspiegels 17 ist unterhalb davon wiederum ein optisches Element 9 in Form einer Linse angeordnet, mit deren Hilfe der ausgeblendete Teillaserstrahl 4 auf den Detektor 5 in Form einer Vierquadrantendiode abgebildet wird.In the region of the aperture opening of the perforated mirror 17, an optical element 9 in the form of a lens is again arranged underneath it, with the aid of which the hidden partial laser beam 4 is imaged onto the detector 5 in the form of a four-quadrant diode.
Wie aus Fig. 5 deutlich wird, wird die vom Lochspiegel 17 im Bereich der Rillenvertiefung 18 reflektierte Laserstrahlung 21 definiert von der Absorberringblende 19 mit ihrem nach unten sich konisch erweiternden Absorberabschnitt 22 absorbiert.As is clear from FIG. 5, the laser radiation 21 reflected by the perforated mirror 17 in the region of the groove recess 18 is absorbed in a defined manner by the absorber ring diaphragm 19 with its absorber section 22 which widens conically downwards.
Der Laserstrahl 1 kann durch eine Verschiebung der Vermessungseinrichtung gemäß Fig. 5 und 6 in Richtung R komplett abgetastet werden. Dabei werden jeweils kreisbogenartige Sehnenlinien des Laserstrahlquerschnitts abgetastet. In Fig. 7 ist ein Mehrfachlochspiegel 23 mit mehreren Aperturöffnungen 16 dargestellt, die analog der nipkovscheibenartigen Anordnung gemäß Fig. 3 und 4 auf einer Spirallinie angeordnet sind. Damit sind bei einer Umdrehung des Mehrfachlochspiegels 23 nacheinander mehrere kreisbo- genförmige Sehnenabschnitte des Laserstrahls 1 ohne Verschiebung der Vermessungseinrichtung abtastbar, so dass sich insgesamt eine kürzere Abtastzeit für die Vermessung des gesamten Laserstrahls 1 ergibt.The laser beam 1 can be completely scanned in the direction R by a displacement of the measuring device according to FIGS. 5 and 6. In each case arcuate tendon lines of the laser beam cross section are scanned. In Fig. 7, a multi-hole mirror 23 is shown with a plurality of aperture openings 16, which are arranged analogously to the nipkovscheibenartigen arrangement of FIG. 3 and 4 on a spiral line. Thus, during one rotation of the multiple-hole mirror 23, a plurality of arc-shaped chord sections of the laser beam 1 can be scanned one after the other without displacement of the surveying device, resulting overall in a shorter scanning time for the measurement of the entire laser beam 1.
Bei der in Fig. 8 gezeigten Ausführungsform sind im Mehrfachlochspiegel 23' mehrere Aperturöffnungen 16 auf einer einzigen Umfangslinie angeordnet. Deren Abstand D muss größer sein als der Durchmesser A der zentralen Öffnung 20 der Absorberringblende 19. Bei einer Verschiebung dieses Mehrfachlochspiegels 23' in Richtung R wird mit jeder Aperturöffnung 16 eine im Wesentlichen kreisbogenförmige Sehnenlinie des Laserstrahls 1 abgetastet.In the embodiment shown in FIG. 8, a plurality of aperture openings 16 are arranged on a single circumferential line in the multiple-hole mirror 23 '. Their distance D must be greater than the diameter A of the central opening 20 of the absorber ring diaphragm 19. When shifting this multiple-hole mirror 23 'in the direction R, a substantially arcuate chord line of the laser beam 1 is scanned with each aperture 16.
Wie aus Fig. 9 deutlich wird, sind die Aperturöffnungen 16 am tiefsten Punkt der Rillenvertiefungen 18 angeordnet. Damit ist der Abstand der Aperturöffnungen 16 von der Linse 9 konstant und minimal. Die geneigten Flanken der Rillenvertiefungen 18 bewirken, dass der Haupt-Laserstrahl 1 kontrolliert in die Absorberringblende 19 gelenkt wird. Die Rillenvertiefungen 18 sollten an ihrer tiefsten Stelle möglichst spitz zulaufen, also eine möglichst starke Krümmung haben, um möglichst wenig diffuse Rückstreuung zu erzeugen. Insoweit ist bei einem Lochspiegel 17 mit nur einer Aperturöffnung 16 (Fig. 6) oder einem Mehrfachlochspiegel 23' mit Aperturöffnungen 16 in konstantem Abstand zum Zentrum des Spiegels (Fig. 8) die Verwendung nur einer Rillenvertiefung 18 von Vorteil. Die nach oben weisenden Grate 24 zwischen den Rillenvertiefungen 18 sind bezüglich der Streuung weniger problematisch, da sie mit einem extrem kleinen Krümmungsradius quasi spitz gefertigt werden können.As is apparent from Fig. 9, the aperture openings 16 at the lowest point of the groove recesses 18 are arranged. Thus, the distance of the aperture openings 16 from the lens 9 is constant and minimal. The inclined flanks of the groove recesses 18 cause the main laser beam 1 is controlled in the absorber ring diaphragm 19. The groove recesses 18 should be as pointed as possible at their lowest point, ie have the greatest possible curvature in order to produce as little diffuse backscatter as possible. In that regard, in the case of a perforated mirror 17 with only one aperture opening 16 (FIG. 6) or a multiple-hole mirror 23 'with aperture openings 16 at a constant distance from the center of the mirror (FIG. 8), it is advantageous to use only one groove recess 18. The upwardly facing ridges 24 between the groove recesses 18 are less problematic in terms of scattering, since they can be made quasi acute with an extremely small radius of curvature.
Für den Mehrfachlochspiegel 23 gemäß Fig. 7 ist im Übrigen eine spiralförmige Rillenstruktur denkbar.Incidentally, a helical groove structure is conceivable for the multiple-hole mirror 23 according to FIG. 7.
In Fig. 10 ist eine Variante eines Mehrfachlochspiegels 25 gezeigt, bei der die Aperturöffnungen 16 jeweils durch konisch verlaufende Zonen 26 um- geben sind. Die Aperturöffnungen 16 befinden sich dabei jeweils an der nach unten weisenden Konusspitze. Entsprechend der Anzahl der Aperturöffnungen werden mehrere konische Zonen 26 über den Umfang des Mehrfachlochspiegels 25 verteilt angeordnet.FIG. 10 shows a variant of a multiple-hole mirror 25, in which the aperture openings 16 are each surrounded by conically extending zones 26. The aperture openings 16 are in each case at the downward-pointing cone tip. According to the number of aperture openings a plurality of conical zones 26 are arranged distributed over the circumference of the multi-hole mirror 25.
Abhängig vom Steigungswinkel der konischen Zonen 26 kann die Scheibe des Mehrfachlochspiegels 25 relativ dick ausgelegt werden. Zur besseren Kühlung können dann - wie aus Fig. 11 deutlich wird - auf der Rückseite des Mehrfachlochspiegels 25 Kühllamellen 27 vorgesehen sein.Depending on the pitch angle of the conical zones 26, the disk of the multi-hole mirror 25 can be made relatively thick. For better cooling then - as can be seen from FIG. 11 - cooling louvers 27 may be provided on the rear side of the multiple-hole mirror 25.
Sofern dies aus leistungstechnischen Gründen notwendig ist, kann der Mehrfachlochspiegel 23 (Fig. 9) oder 25 (Fig. 11) rückseitig mit einem planparallelen Absorber 28 vor jeder Aperturöffnung 16 versehen sein. Durch den Kontakt mit der wärmeableitenden Scheibe der Mehrfachlochspiegel 23 bzw. 25 wird eine Erwärmung des Absorbers 28 begrenzt. Die Abschwächung erfolgt damit auch im Bereich des parallelen Strahlenbündels des Teillaserstrahls 4 und nicht im fokussierten Abschnitt. Als Alternative zu dem Absorber 28 ist auch eine teilreflektive Beschichtung der Fokussierlinse 9 möglich. Zur Vermessung des Laserstrahls 1 werden die Aperturöffnungen 16 durch die Rotation der jeweiligen Spiegel 17, 23, 23' oder 25 gleichförmig in Kreisbahnen über den Laserstrahl 1 bewegt. Der Detektor 5 erfährt dabei eine vergleichsweise langsame Intensitätsänderung. Die Integrationszeit des Detektors 5 bestimmt bei konstanter Rotationsgeschwindigkeit die räumliche Auflösung des Vermessungssystems in diese Richtung. Sie ist damit elektronisch beliebig einstellbar. Durch ein Verfahren der Spiegel 17, 23, 23' bzw. 25 mit dazu fester Linse 9 und Detektor 5 wird eine Ab- rasterung des gesamten Strahlquerschnitts bewirkt, woraus die Wellenfront des Laserstrahls 1 ermittelbar ist.If this is necessary for technical reasons, the multiple-hole mirror 23 (FIG. 9) or 25 (FIG. 11) can be provided at the rear with a plane-parallel absorber 28 in front of each aperture 16. Due to the contact with the heat-dissipating disk of the multi-hole mirror 23 or 25, heating of the absorber 28 is limited. The attenuation thus also takes place in the region of the parallel beam of the partial laser beam 4 and not in the focused section. As an alternative to the absorber 28, a partially reflective coating of the focusing lens 9 is also possible. For measuring the laser beam 1, the aperture openings 16 are moved uniformly in circular paths over the laser beam 1 by the rotation of the respective mirrors 17, 23, 23 'or 25. The detector 5 experiences a comparatively slow change in intensity. The integration time of the detector 5 determines the spatial resolution of the surveying system in this direction at a constant rotational speed. It is thus electronically adjustable. By a method of the mirrors 17, 23, 23 'and 25 with fixed lens 9 and detector 5, a rastering of the entire beam cross section is effected, from which the wavefront of the laser beam 1 can be determined.
Zusammenfassend weist die Erfindung im Gegensatz zu den vorbekannten Lösungen einen Vielzahl von Vorteilen auf:In summary, in contrast to the previously known solutions, the invention has a multiplicity of advantages:
Die Vermessung der Wellenfront ist bei hohen Laserleistungen ohne vorherige Leistungsabschwächung realisierbar. Dadurch unterliegt dieThe measurement of the wavefront can be realized at high laser powers without prior power attenuation. As a result, the subject
Bestimmung der Wellenfront keiner Verfälschung durch thermo- optische Effekte.Determination of the wavefront no distortion by thermo-optical effects.
Die laterale Auflösung des Messsystems kann durch ein Scannen des Laserstrahlquerschnitts mit Hilfe eines hochpräzisen Positioniersys- tems erhöht werden.The lateral resolution of the measuring system can be increased by scanning the laser beam cross-section with the aid of a high-precision positioning system.
Die Vermessung großer Laserstrahlquerschnitte kann ohne Querschnittswandlung durchgeführt werden.The measurement of large laser beam cross sections can be carried out without cross section conversion.
Es können kostengünstige positionsempfindliche Detektoren, wie beispielsweise Vierquadrantendioden oder P SD-Detektoren eingesetzt werden.Low cost position sensitive detectors such as four quadrant diodes or P SD detectors may be used.
Die Detektoren sind einfacher austauschbar, sodass Laserstrahlquellen mit unterschiedlichen Wellenlängen flexibel vermessbar sind. The detectors are more easily interchangeable so that laser beam sources with different wavelengths can be measured flexibly.
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| 121 | Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application |
Ref document number: 08773605 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |
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| NENP | Non-entry into the national phase |
Ref country code: DE |
|
| 122 | Ep: pct application non-entry in european phase |
Ref document number: 08773605 Country of ref document: EP Kind code of ref document: A1 |