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DE102016015843B3 - Beam power measurement with widening using a lens array - Google Patents

Beam power measurement with widening using a lens array Download PDF

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DE102016015843B3
DE102016015843B3 DE102016015843.3A DE102016015843A DE102016015843B3 DE 102016015843 B3 DE102016015843 B3 DE 102016015843B3 DE 102016015843 A DE102016015843 A DE 102016015843A DE 102016015843 B3 DE102016015843 B3 DE 102016015843B3
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radiation sensor
expansion device
sensor
absorption body
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Reinhard Kramer
Otto Märten
Stefan Wolf
Roman Niedrig
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Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
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Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
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Abstract

Vorrichtung zur Messung einer Leistung und/oder einer Energie eines Laserstrahls (10), umfassend einen Strahlungssensor (40), eine Aufweitungseinrichtung (30), und eine Halterung (20), wobei der Strahlungssensor (40) eine Empfängerfläche (41) aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (47) ausgebildet ist, welches von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10) abhängig ist, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) zueinander an der Halterung (20) angeordnet sind zur Ausbildung eines propagierenden Laserstrahls (11) zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, ein Winkelspektrum des Laserstrahls (10) zu erhöhen, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array ist, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, wobei der Temperatursensor (46) mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist, und wobei die Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) wenigstens 90% einer Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) umschließt.Device for measuring power and/or energy of a laser beam (10), comprising a radiation sensor (40), an expansion device (30), and a holder (20), the radiation sensor (40) having a receiving surface (41) and for Generating an electrical signal (47) which depends on the power of the laser beam (10) or on the energy of the laser beam (10), the expansion device (30) and the radiation sensor (40) being at a distance (25) from one another are arranged on the mount (20) to form a propagating laser beam (11) between the expansion device (30) and the radiation sensor (40), the expansion device (30) being designed to increase an angular spectrum of the laser beam (10), wherein the expansion device (30) is a lens array, with a diameter of the propagated laser beam (11, 12) on the receiver surface (41) being larger than a diameter of the laser beam (10) in the area of the expansion device (30), the radiation sensor (40) comprising an absorption body (44) and a temperature sensor (46), the temperature sensor (46) being thermally coupled to the absorption body (44), and the receiver surface (41) of the radiation sensor (40) encloses at least 90% of a cross-sectional area of the propagated laser beam (11, 12).

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls. Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistungsdichte, beispielsweise von fokussierten Laserstrahlen im Bereich des Laserstrahl-Fokus.The invention relates to a method and a device for measuring the power or energy of a laser beam. The invention enables the direct measurement of laser radiation with a very high power density, for example focused laser beams in the area of the laser beam focus.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Vorrichtungen zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls sind in großer Zahl und mit unterschiedlichen Funktionsprinzipien bekannt. Eine Möglichkeit zur Messung der Leistung oder Energie eines Laserstrahls ist die Verwendung einer Fotodiode. Beispielhaft wird auf das Patent US 3 687 558 A verwiesen, in dem ein LaserLeistungs-Energie-Messgerät mit einer Fotodiode und einer elektronischen Schaltung offenbart wird. Derartige Vorrichtungen sind insbesondere zur Messung geringer Strahlungsleistungen geeignet. Bei höheren Leistungsdichten kann eine Fotodiode rasch in Sättigung geraten oder sogar zerstört werden.Devices for measuring the energy or the power of a laser beam are known in large numbers and with different functional principles. One way to measure the power or energy of a laser beam is to use a photodiode. An example is the patent U.S. 3,687,558 A referenced, in which a laser power energy meter with a photodiode and an electronic circuit is disclosed. Devices of this type are particularly suitable for measuring low levels of radiation power. At higher power densities, a photodiode can quickly become saturated or even be destroyed.

Bei höheren Strahlleistungen wird daher üblicherweise indirekt gemessen, d.h. der Strahl trifft nicht direkt oder nicht mit seinem ganzen Querschnitt auf den Detektor. Eine Möglichkeit der indirekten Messung besteht darin, den Laserstrahl zunächst abzuschwächen, wie dies beispielsweise in der DE 100 12 536 A1 gezeigt wird. In der dort vorgeschlagenen Vorrichtung zur Messung der Intensität eines Lichtstrahls ist ein lichtaufnehmendes Fenster und eine Einrichtung zum Streuen und Abschwächen des Lichts vor dem Detektor vorgesehen. Da der Detektor hierbei nur einen kleinen Teil des eingestrahlten Lichts erfasst, muss ein hoher Aufwand getrieben werden, um die Empfindlichkeit des erfassten Wertes von der Lage und dem Winkel des Lichtstrahls auf dem lichtaufnehmenden Fenster gering zu halten. Zudem wird die abgeschwächte Strahlleistung überwiegend in Wärme umgewandelt, was die Genauigkeit beeinträchtigen kann, da die Empfindlichkeit von Halbleiter-Sensoren im Allgemeinen temperaturabhängig ist, zum Beispiel aufgrund des temperaturabhängigen Dunkelstroms.In the case of higher beam powers, measurements are therefore usually made indirectly, ie the beam does not hit the detector directly or does not hit the detector with its entire cross-section. One possibility of indirect measurement is to first weaken the laser beam, as is the case, for example, in DE 100 12 536 A1 will be shown. In the device proposed there for measuring the intensity of a light beam, a light-receiving window and a device for scattering and attenuating the light are provided in front of the detector. Since the detector records only a small portion of the incident light, great effort is required to keep the sensitivity of the recorded value of the position and the angle of the light beam on the light-receiving window low. In addition, the weakened beam power is mainly converted into heat, which can affect the accuracy, since the sensitivity of semiconductor sensors is generally temperature-dependent, for example due to the temperature-dependent dark current.

Aus dem Patent US 6 072 573 A ist ein kompaktes tragbares Lasermessgerät mit einer Photozelle und einem verschiebbaren Abschwächer bekannt. Der Abschwächer beinhaltet beispielsweise zwei Diffusor-Scheiben und kann zur Abschwächung und zur Aufweitung des zu messenden Laserstrahls vor die Photozelle des Messgeräts geschoben werden.From the patent U.S. 6,072,573 A a compact, portable laser measuring device with a photocell and a displaceable attenuator is known. The attenuator contains, for example, two diffuser disks and can be pushed in front of the photo cell of the measuring device to attenuate and expand the laser beam to be measured.

Eine weitere übliche Methode zur indirekten Messung ist das Auskoppeln eines kleinen Strahl-Anteils für die Messung. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der DE 43 36 589 C1 dargestellt. Dort wird ein Laserleistungsmessgerät offenbart, bei dem ein hoch transmittierender Strahlteiler einen Bruchteil des Laserstrahls zum Sensor hin reflektiert. Problematisch ist hierbei die Abhängigkeit des Reflexionsgrades von der Polarisation und vom Einfallswinkel des Laserstrahls, so dass eine Kalibration und damit eine genaue Messung schwierig sind. Zur Lösung des Problems der Polarisations-Abhängigkeit wird in einer zweiten Ausführungsform der DE 43 36 589 C1 vorgeschlagen, nacheinander zwei Strahlteiler gleicher Spezifikation anzuordnen, wobei die zweite Ablenkung in einer Ebene senkrecht zur ersten Ablenkung erfolgt. Das Problem der Winkelabhängigkeit bleibt jedoch bestehen, weshalb die Vorrichtung nur für kollimierte Strahlung geeignet ist und exakt ausgerichtet werden muss.Another common method for indirect measurement is the decoupling of a small part of the beam for the measurement. A device of this type is in the DE 43 36 589 C1 shown. A laser power meter is disclosed there, in which a highly transmitting beam splitter reflects a fraction of the laser beam towards the sensor. The problem here is the dependency of the degree of reflection on the polarization and the angle of incidence of the laser beam, so that calibration and thus precise measurement are difficult. To solve the problem of polarization dependence is in a second embodiment of the DE 43 36 589 C1 proposed to arrange two beam splitters of the same specification one after the other, with the second deflection taking place in a plane perpendicular to the first deflection. However, the problem of angle dependency remains, which is why the device is only suitable for collimated radiation and must be precisely aligned.

Eine weiterentwickelte Vorrichtung ähnlicher Art mit mehreren Reflexionen in verschiedenen Ebenen zeigt die DE 10 2012 106 779 B4 . In der dort offenbarten Optik für Strahlvermessung werden drei teilreflektierende Spiegel verwendet, um die Polarisationsabhängigkeit und zusätzlich die Winkelabhängigkeit der Reflexion zu kompensieren, so dass eine Messung auch an divergenter Strahlung möglich ist. Die dort offenbarte Vorrichtung ist jedoch in erster Linie für die geometrische Strahlvermessung vorgesehen, d.h. zur Messung von Intensitätsprofilen und zur Bestimmung von Strahlparametern, und weniger geeignet zur Bestimmung der Gesamtleistung eines Strahls.A further developed device of a similar kind with several reflections in different planes is shown in DE 10 2012 106 779 B4 . In the optics for beam measurement disclosed there, three partially reflecting mirrors are used in order to compensate for the polarization dependency and additionally the angle dependency of the reflection, so that a measurement is also possible on divergent radiation. However, the device disclosed there is primarily intended for geometric beam measurement, ie for measuring intensity profiles and for determining beam parameters, and is less suitable for determining the overall power of a beam.

Eine Messung der Gesamt-Strahlungsleistung mit Vorrichtungen, bei denen der Strahl stark abgeschwächt wird, ist immer in der Genauigkeit begrenzt. Zum einen ist eine aufwändige Kalibration erforderlich, welche die Messgenauigkeit beschränkt, und zum anderen können bereits kleine Parameter-Abweichungen bei den beteiligten Elementen den Abschwächungsfaktor beeinflussen und wegen des hohen Abschwächungsfaktors zu deutlichen Änderungen der Empfindlichkeit der Messvorrichtung führen.A measurement of the total radiant power with devices in which the beam is heavily attenuated is always limited in accuracy. On the one hand, a complex calibration is required, which limits the measurement accuracy, and on the other hand, even small parameter deviations in the elements involved can influence the attenuation factor and lead to significant changes in the sensitivity of the measuring device due to the high attenuation factor.

Bezüglich der erreichbaren Genauigkeit können daher direkte Messverfahren im Vorteil sein. Hohe Genauigkeiten sind mit kalorimetrischen Verfahren erreichbar, bei denen die auf einen Detektor auftreffende Laserstrahlung im Wesentlichen in Wärme umgesetzt wird und die Temperaturänderungen, die sich ausbildenden Temperaturgradienten, oder die abgeführten Wärmeströme gemessen werden. Damit können prinzipiell auch sehr hohe Leistungen gemessen werden, wenn für eine ausreichende Kühlung des Detektors gesorgt ist. So ist beispielsweise in der DE 10 2014 012 913 A1 eine Energiestrahl-Leistungsmessung offenbart, bei der die Energiestrahlung von einem Absorber aufgefangen wird und der Absorber mittels eines stationären Fluid-Durchflusses gekühlt wird. Aus der Temperaturerhöhung im Kühlfluid im Vergleich zu einer Temperaturerhöhung des Fluides durch elektrische Heizung wird die Strahlleistung bestimmt. Es können damit sehr hohe Leistungen gemessen werden, jedoch muss die Leistung im Absorber verteilt werden, damit keine lokale Überhitzung und eventuelle Beschädigung des Absorbers stattfindet. Eine Messung im Bereich eines Strahlfokus ist daher nicht möglich.With regard to the accuracy that can be achieved, direct measurement methods can therefore be advantageous. High accuracies can be achieved with calorimetric methods, in which the laser radiation striking a detector is essentially converted into heat and the temperature changes, the temperature gradients that form, or the heat flows that are dissipated are measured. In principle, this means that very high power levels can also be measured if the detector is sufficiently cooled. For example, in the DE 10 2014 012 913 A1 an energy jet power measurement in which the energy radiation is collected by an absorber and the absorber is cooled by means of a stationary fluid flow. The jet power is determined from the temperature increase in the cooling fluid compared to a temperature increase in the fluid caused by electrical heating. It can be used to measure very high power, but the power must be distributed in the absorber to prevent local overheating and possible damage to the absorber. A measurement in the area of a beam focus is therefore not possible.

Die Druckschrift CN 1 03 389 157 A zeigt einen Absorber für ein Laser-Kalorimeter. Der Absorber beinhaltet eine Strahlaufweitung mit einer Anordnung von reflektierenden kegelförmigen oder konischen Bereichen und einen absorbierenden Hohlraum. Mittels der reflektierenden konischen Teilflächen wird der Laserstrahl aufgeweitet, bevor er auf die absorbierenden Flächen des Hohlraumes trifft. Die strahlaufweitenden Kegel oder Konen und die äußere Peripherie des absorbierenden Hohlraumes werden von einer Kühlflüssigkeit durchströmt.The pamphlet CN 1 03 389 157 A shows an absorber for a laser calorimeter. The absorber includes a beam expander with an array of reflective conical regions and an absorbing cavity. The laser beam is expanded by means of the reflecting conical partial surfaces before it hits the absorbing surfaces of the cavity. A cooling liquid flows through the jet-expanding cones and the outer periphery of the absorbing cavity.

Ein Beispiel für ein Laserleistungsmessgerät mit einem luftgekühlten Messkopf zeigt das Patent US 5 678 924 A . Der Messkopf enthält eine Auffangscheibe in thermischem Kontakt zu einer Wärmesenke. Bei Bestrahlung der Auffangscheibe bildet sich in der Auffangscheibe ein Temperaturgradient aus, der mit einer Anordnung von Thermoelementen ermittelt wird. Die Messkopf-Anordnung baut aufgrund der Wärmesenke und der Luftkühlung mit Ventilatoren relativ groß auf, so dass eine Anwendung bei begrenzten Platzverhältnissen schwierig ist. Bei einer Anwendung im Bereich eines Strahlfokus kann die Auffangscheibe lokal überhitzen und beschädigt werden.The patent shows an example of a laser power meter with an air-cooled measuring head U.S. 5,678,924A . The probe includes a capture disk in thermal contact with a heat sink. When the catching disc is irradiated, a temperature gradient forms in the catching disc, which is determined using an arrangement of thermocouples. Due to the heat sink and the air cooling with fans, the measuring head arrangement is relatively large, so that it is difficult to use it where space is limited. When used in the area of a beam focus, the capture disc can locally overheat and become damaged.

Kalorimetrische Messgeräte können wesentlich kompakter gebaut werden, wenn sie nach dem ballistischen Prinzip arbeiten. Auf eine aktive Kühlung wird dabei verzichtet und die Messung wird auf einen kurzen Zeitraum begrenzt. Aus der Temperaturerhöhung des Auffangkörpers bzw. des Absorbers kann die Energie oder die Leistung ermittelt werden. Die DE 102 53 905 A1 und die US 7 077 564 B2 zeigen typische Vertreter einer solchen Messgeräte-Gattung. Da der Strahl dabei direkt auf den Absorber trifft, ist eine Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung nicht im Bereich eines Strahlfokus möglich, da der Absorber durch Überhitzung punktuell beschädigt werden kann.Calorimetric measuring devices can be made much more compact if they work according to the ballistic principle. There is no active cooling and the measurement is limited to a short period of time. The energy or the power can be determined from the temperature increase of the collecting body or the absorber. the DE 102 53 905 A1 and the U.S. 7,077,564 B2 show typical representatives of such a type of measuring device. Since the beam hits the absorber directly, it is not possible to measure high-power laser radiation in the area of a beam focus, as the absorber can be damaged at certain points due to overheating.

Bei der direkten Messung von Laserstrahlung mit hoher Leistung oder hoher Leistungsdichte besteht also grundsätzlich das Problem, dass die Vorrichtung oder der Sensor beschädigt werden kann. Bei praktisch allen bekannten Messgeräten muss deshalb darauf geachtet werden, dass der Laserstrahl auf dem Detektor eine bestimmte Leistungsdichte nicht überschreitet. Dazu muss der Laserstrahl einen gewissen Mindest-Durchmesser aufweisen, dessen Größe u.a. von der Zerstörschwelle des Detektors und von der Leistung des Laserstrahls abhängig ist. Dazu wird das Messgerät üblicherweise im divergenten Strahl in einem ausreichend großen Abstand von einem Strahl-Fokus angeordnet. Dies ist bei Messungen an experimentellen Aufbauten in einem Labor oftmals möglich oder zumindest durch partielle Änderungen im Aufbau erreichbar.In the case of the direct measurement of laser radiation with high power or high power density, there is therefore a fundamental problem that the device or the sensor can be damaged. With practically all known measuring devices, care must therefore be taken to ensure that the laser beam on the detector does not exceed a specific power density. To do this, the laser beam must have a certain minimum diameter, the size of which depends, among other things, on the damage threshold of the detector and the power of the laser beam. For this purpose, the measuring device is usually arranged in the divergent beam at a sufficiently large distance from a beam focus. This is often possible with measurements on experimental setups in a laboratory, or at least achievable by making partial changes to the setup.

Eine wichtige Anwendung von Laserleistungs-Messgeräten ist die Einrichtung und regelmäßige Prüfung oder Kontrolle der Leistung oder Energie eines Laserstrahls in Lasermaterialbearbeitungsanlagen. Dabei ist die Leistung oder Energie des Strahls am Bearbeitungsort von Interesse, wo der Strahl meist fokussiert ist und somit besonders hohe Leistungsdichten auftreten. Mit handelsüblichen Messköpfen ist an dieser Stelle daher keine Messung möglich; andere Messpositionen, an denen der Laserstrahl aufgrund seiner Divergenz auf einen ausreichenden Durchmesser angewachsen ist, sind in Lasermaterialbearbeitungsanlagen oftmals nicht zugänglich.An important application of laser power meters is to set up and periodically test or control the power or energy of a laser beam in laser material processing equipment. The power or energy of the beam at the processing location is of interest, where the beam is usually focused and therefore particularly high power densities occur. It is therefore not possible to measure at this point with commercially available measuring heads; other measuring positions, where the laser beam has grown to a sufficient diameter due to its divergence, are often not accessible in laser material processing systems.

Linsen-Arrays sind bekannt beispielsweise aus optischen Anordnungen zur Wellenfront-Messung. Linsen-Arrays werden bei Wellenfront-Sensoren dazu eingesetzt, um einen Lichtstrahl in mehrere Teil-Aperturen zu unterteilen und die aus den Teil-Aperturen gebildeten Teilstrahlen auf einen Detektor abzubilden. Das Dokument CN 1 01 285 712 A offenbart ein Beispiel für ein derartiges Wellenfront-Meßgerät mit einem Mikrolinsen-Array, bei dem die vom Mikrolinsen-Array erzeugten Teilstrahlen mittels eines vergrößernden optischen Anpassungs-Systems auf eine Gruppe von Detektoren abgebildet werden.Lens arrays are known, for example, from optical arrangements for wavefront measurement. Lens arrays are used in wavefront sensors to divide a light beam into a number of partial apertures and to image the partial beams formed from the partial apertures onto a detector. The document CN 1 01 285 712 A discloses an example of such a wavefront measuring device with a microlens array, in which the partial beams generated by the microlens array are imaged onto a group of detectors by means of an enlarging optical adjustment system.

Es besteht somit Bedarf an einem einfachen, kompakten Laserleistungs-Messgerät, welches die direkte und präzise Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls auch in Bereichen nahe dem Strahlfokus ermöglicht.There is therefore a need for a simple, compact laser power measuring device which enables the direct and precise measurement of the power and/or the energy of a laser beam even in areas close to the beam focus.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es ist Aufgabe dieser Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls zur Verfügung zu stellen, welche für direkte und genaue Messungen auch im Fokus-Bereich eines Laserstrahls geeignet sind.It is the object of this invention to provide a method and a device for determining the power and/or the energy of a laser beam which are also suitable for direct and precise measurements in the focus area of a laser beam.

Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls vorgeschlagen, die einen Strahlungssensor, eine Aufweitungseinrichtung, und eine Halterung beinhaltet. Dabei weist der Strahlungssensor eine Empfängerfläche auf und ist zur Erzeugung eines elektrischen Signals ausgebildet, welches von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls abhängig ist. Der Strahlungssensor umfasst einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor. Dabei ist der Temperatursensor mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt. Die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor sind mit einem Abstand zueinander an der Halterung angeordnet, so dass der Laserstrahl zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor propagiert. Die Aufweitungseinrichtung ist ein Linsen-Array und ist dazu ausgebildet, das Winkelspektrum des Laserstrahls zu erhöhen. Dabei ist ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors größer als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Weiterhin umschließt die Empfängerfläche des Strahlungssensors wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls.To solve the problem, a device for measuring the power and/or the energy of a laser beam is proposed, which includes a radiation sensor, an expansion device, and a holder. In this case, the radiation sensor has a receiving surface and is designed to generate an electrical signal which is dependent on the power of the laser beam or on the energy of the laser beam. The radiation sensor includes an absorption body and a temperature sensor. The temperature sensor is thermally coupled to the absorption body. The expansion device and the radiation sensor are arranged at a distance from one another on the holder, so that the laser beam propagates between the expansion device and the radiation sensor. The expanding device is a lens array and is designed to increase the angular spectrum of the laser beam. A diameter of the propagated laser beam on the receiving surface of the radiation sensor is larger than a diameter of the laser beam in the area of the expansion device. Furthermore, the receiving area of the radiation sensor encloses at least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam.

In einer möglichen Ausführungsform weist die Aufweitungseinrichtung eine lichtstreuende Struktur oder eine lichtbeugende Struktur auf.In one possible embodiment, the expansion device has a light-scattering structure or a light-diffracting structure.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform ist die Halterung ausgebildet als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung und den Strahlungssensor umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung aufweist.In a further possible embodiment, the holder is designed as a housing which encloses the expansion device and the radiation sensor and has an opening towards the expansion device.

Der Strahlungssensor kann dazu ausgebildet sein, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen.The radiation sensor can be designed to detect an intensity that varies locally within a cross section of the laser beam as an integral value.

Es ist auch eine mögliche Ausführungsform vorgesehen, bei der die Vorrichtung einen Lichtsensor beinhaltet, der zur Erfassung eines geringen Anteils des Laserstrahls oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls ausgebildet ist.A possible embodiment is also provided, in which the device contains a light sensor which is designed to detect a small proportion of the laser beam or a scattered light proportion of the laser beam.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine Kollimationseinrichtung angeordnet sein.In a further possible embodiment of the device, a collimation device can be arranged between the expansion device and the radiation sensor.

Die Kollimationseinrichtung kann eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, oder einen Hohlspiegel umfassen.The collimation device can include a converging lens, an optic consisting of several lenses, a Fresnel lens, a gradient index lens, or a concave mirror.

In noch einer weiteren möglichen Ausführungsform der Vorrichtung kann zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor eine Strahlführungseinrichtung angeordnet sein.In yet another possible embodiment of the device, a beam guidance device can be arranged between the expansion device and the radiation sensor.

Die Strahlführungseinrichtung kann ein lichtleitendes Prisma, ein Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel, oder eine Kaleidoskop-artige Spiegelanordnung sein.The beam guidance device can be a light-guiding prism, an inner cylinder mirror, an inner cone mirror, or a kaleidoscope-like mirror arrangement.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch ein Verfahren zur Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls mit folgenden Verfahrensschritten vorgeschlagen. Das Winkelspektrum des Laserstrahls wird mittels einer Aufweitungseinrichtung erhöht. Dabei erfolgt das Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls mittels eines Linsenarrays. Der Laserstrahl propagiert von der Aufweitungseinrichtung zu einem Strahlungssensor mit einer Empfängerfläche, wobei der Strahlungssensor einen Absorptionskörper und einen Temperatursensor beinhaltet, und wobei die Aufweitungseinrichtung und der Strahlungssensor mit einem Abstand zueinander an einer Halterung angeordnet sind. Wenigstens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls werden mittels der Empfängerfläche des Strahlungssensors erfasst, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls auf der Empfängerfläche größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der Aufweitungseinrichtung. Das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls mittels der Empfängerfläche des Strahlungssensors erfolgt dabei durch Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche auftreffenden Laserstrahls mittels des Absorptionskörpers. Es wird ein elektrisches Signal mittels des Strahlungssensors in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls oder von der Energie des Laserstrahls erzeugt. Das Erzeugen des elektrischen Signals in Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls erfolgt dabei durch den Temperatursensor, der mit dem Absorptionskörper thermisch gekoppelt ist.To solve the problem, a method for measuring the power and/or the energy of a laser beam with the following method steps is also proposed. The angular spectrum of the laser beam is increased by means of an expansion device. The angle spectrum of the laser beam is increased by means of a lens array. The laser beam propagates from the expansion device to a radiation sensor with a receiving surface, the radiation sensor containing an absorption body and a temperature sensor, and the expansion device and the radiation sensor being arranged at a distance from one another on a holder. At least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam is detected by the receiver surface of the radiation sensor, with a diameter of the propagated laser beam on the receiver surface being larger than a diameter of the laser beam in the area of the expansion device. At least 90% of the cross-sectional area of the laser beam is detected by the receiver surface of the radiation sensor by absorbing the majority of the laser beam impinging on the receiver surface by means of the absorption body. An electrical signal is generated by the radiation sensor depending on the power of the laser beam or on the energy of the laser beam. The generation of the electrical signal as a function of the power or the energy of the laser beam is carried out by the temperature sensor, which is thermally coupled to the absorption body.

In einem möglichen Verfahren wird eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls örtlich variierende Intensität durch den Strahlungssensor als Integralwert erfasst.In one possible method, an intensity that varies locally within a cross section of the laser beam is detected by the radiation sensor as an integral value.

In einem weiteren möglichen Verfahren ist vorgesehen, in einem zusätzlichen Verfahrensschritt eine Energie oder eine Leistung des Laserstrahls aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls zu bestimmen.In a further possible method, provision is made in an additional method step to determine an energy or a power of the laser beam from the difference in the temperatures of the absorption body after the end of the irradiation of the laser beam and before the start of the irradiation of the laser beam.

Es kann auch ein zusätzlicher Verfahrensschritt vorgesehen sein, einen geringen Anteil des Laserstrahls oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls mittels eines Lichtsensors zu erfassen.An additional method step can also be provided to detect a small portion of the laser beam or a scattered light portion of the laser beam by means of a light sensor.

Es ist auch ein mögliches Verfahren vorgesehen, welches die folgenden weiteren Verfahrensschritte beinhaltet. Es wird eine Energie des Laserstrahls aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls bestimmt. Es wird eine Bestrahlungsdauer des Laserstrahls aus dem Verlauf des Signals des Lichtsensors bestimmt. Es wird schließlich eine Leistung des Laserstrahls durch Division von Energie und Bestrahlungsdauer bestimmt.A possible method is also provided, which includes the following further method steps. An energy of the laser beam is determined from the difference in the temperatures of the absorption body after the end of the irradiation of the laser beam and before the beginning of the irradiation of the laser beam. An irradiation duration of the laser beam is determined from the course of the signal from the light sensor. Finally, a power of the laser beam is determined by dividing the energy and the irradiation time.

In einem weiteren möglichen Verfahren kann das Propagieren des Laserstrahls von der Aufweitungseinrichtung zum Strahlungssensor in zwei Abschnitten erfolgen. Zwischen den beiden Abschnitten wird das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls verringert mittels einer Kollimationseinrichtung, welche zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor angeordnet ist.In a further possible method, the laser beam can be propagated from the expansion device to the radiation sensor in two sections. The angular spectrum of the propagating laser beam is reduced between the two sections by means of a collimation device which is arranged between the expansion device and the radiation sensor.

Es ist auch ein Verfahren vorgesehen, bei dem der propagierte Laserstrahl auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors mittels einer Strahlführungseinrichtung zentriert wird, welches zwischen der Aufweitungseinrichtung und dem Strahlungssensor angeordnet ist.A method is also provided in which the propagated laser beam is centered on the receiving surface of the radiation sensor by means of a beam guiding device which is arranged between the expanding device and the radiation sensor.

Figurenlistecharacter list

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen und Beispiele beschränkt zu sein. Vielmehr sind auch Ausführungsformen vorgesehen, bei denen mehrere in verschiedenen Figuren gezeigte Merkmale kombiniert sein können. Es zeigt:

  • 1: Eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform der Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung und einem Strahlungssensor.
  • 2: Eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform der Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung, einer Kollimationseinrichtung und einem Strahlungssensor.
  • 3: Eine schematische Darstellung eines nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform, bei der die Aufweitungseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
  • 4: Eine schematische Darstellung eines nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform, bei der die Aufweitungseinrichtung als Zerstreuungslinse ausgebildet ist, und die Kollimationseinrichtung als Sammellinse ausgebildet ist.
  • 5: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung mit einem Linsenarray als Aufweitungseinrichtung. Der Strahlungssensor ist als Absorptionskörper mit einem Temperatursensor ausgeführt.
  • 6: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung, mit einem Linsenarray als Aufweitungseinrichtung und mit einem Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung.
  • 7: Eine Darstellung eines nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiels mit einem Konvexspiegel als Aufweitungseinrichtung, mit einem Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung, und mit einer als Gehäuse ausgebildeten Halterung.
  • 8: Eine Darstellung eines nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsbeispiels ähnlich der in 7 gezeigten Ausführungsform, wobei hier die Aufweitungseinrichtung als Facettenspiegel ausgebildet ist.
  • 9: Eine Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung als kompaktes Messgerät, bei dem die Halterung als Gehäuse ausgebildet ist und eine elektronische Recheneinheit sowie eine Schnittstelle in das Gehäuse integriert ist.
  • 10: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung als kompaktes Messgerät ähnlich der in 9 gezeigten Ausführungsform. Die Kollimationseinrichtung ist hier als Optik mit mehreren Sammellinsen ausgeführt. Die Aufweitungseinrichtung umfasst zur Erhöhung des Winkelspektrums der Strahlung eine lichtstreuende Struktur.
  • 11a: Eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung mit einer Aufweitungseinrichtung, einer Strahlführungseinrichtung und einem Strahlungssensor.
  • 11b: Eine Darstellung einer dritten Ausführungsform der Erfindung wie in 11a, mit einem schräg einfallenden Laserstrahl, der von der Strahlführungseinrichtung auf den zentralen Bereich der Empfängerfläche des Strahlungssensors gelenkt wird.
  • 12: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der dritten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Strahlführungseinrichtung durch Umlenkung von Teilbereichen des propagierenden Laserstrahls das Winkelspektrum der Strahlung verringert.
  • 13: Eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform der Erfindung, bei der die Aufweitungseinrichtung gleichzeitig als Strahlführungseinrichtung und als Kollimationseinrichtung ausgebildet ist.
  • 14: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlkörpers mit einer konischen Empfängerfläche umfasst.
  • 15: Eine Darstellung eines anderen Ausführungsbeispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet und ein Teil der Empfängerfläche reflektierend ausgestaltet ist.
  • 16: Eine Darstellung noch eines weiteren Beispiels der ersten Ausführungsform der Erfindung, bei der der Strahlungssensor einen Absorptionskörper in Form eines Hohlzylinders beinhaltet, und bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist.
  • 17: Eine Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der zweiten Ausführungsform der Erfindung, bei dem der Strahlungssensor mit einer Kühleinrichtung ausgestattet ist.
The invention is illustrated in more detail using the following figures, without being restricted to the embodiments and examples shown. Rather, embodiments are also provided in which several features shown in different figures can be combined. It shows:
  • 1 : A schematic representation of a first embodiment of the invention with an expansion device and a radiation sensor.
  • 2 : A schematic representation of a second embodiment of the invention with an expansion device, a collimation device and a radiation sensor.
  • 3 1: A schematic representation of an exemplary embodiment of the first embodiment not covered by the invention, in which the widening device is designed as a converging lens.
  • 4 1: A schematic representation of an exemplary embodiment of the second embodiment not covered by the invention, in which the expansion device is designed as a diverging lens and the collimation device is designed as a converging lens.
  • 5 : A representation of an embodiment of the first embodiment of the invention with a lens array as expansion device. The radiation sensor is designed as an absorption body with a temperature sensor.
  • 6 : A representation of an exemplary embodiment of the second embodiment of the invention, with a lens array as expansion device and with a concave mirror as collimation device.
  • 7 1: A representation of an exemplary embodiment not covered by the invention, with a convex mirror as the expansion device, with a concave mirror as the collimation device, and with a holder designed as a housing.
  • 8th : An illustration of an embodiment not covered by the invention similar to that in FIG 7 embodiment shown, in which case the expansion device is designed as a facet mirror.
  • 9 : A representation of an embodiment of the invention as a compact measuring device, in which the holder is designed as a housing and an electronic processing unit and an interface are integrated into the housing.
  • 10 : A representation of a further embodiment of the invention as a compact measuring device similar to that in 9 embodiment shown. The collimation device is designed here as an optic with several converging lenses. The expansion device includes a light-scattering structure to increase the angular spectrum of the radiation.
  • 11a : A schematic representation of a third embodiment of the invention with an expansion device, a beam guiding device and a radiation sensor.
  • 11b : An illustration of a third embodiment of the invention as in FIG 11a , with an obliquely incident laser beam, which is directed by the beam guidance device onto the central area of the receiving surface of the radiation sensor.
  • 12 1: An illustration of a further exemplary embodiment of the third embodiment of the invention, in which the beam guiding device reduces the angular spectrum of the radiation by deflecting partial areas of the propagating laser beam.
  • 13 1: A schematic representation of a fourth embodiment of the invention, in which the expansion device is designed simultaneously as a beam guiding device and as a collimation device.
  • 14 1: An illustration of a further exemplary embodiment of the first embodiment of the invention, in which the radiation sensor comprises an absorption body in the form of a hollow body with a conical receiver surface.
  • 15 1: An illustration of another exemplary embodiment of the first embodiment of the invention, in which the radiation sensor contains an absorption body in the form of a hollow cylinder and part of the receiver surface is designed to be reflective.
  • 16 : An illustration of still another example of the first embodiment of the invention, in which the radiation sensor includes an absorption body in the form of a hollow cylinder, and in which the radiation sensor is equipped with a cooling device.
  • 17 1: An illustration of a further exemplary embodiment of the second embodiment of the invention, in which the radiation sensor is equipped with a cooling device.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES

1 zeigt eine erste mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Zur Messung der Energie oder der Leistung eines Laserstrahls 10 ist ein Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41 vorgesehen. In einem Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 ist eine Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der Strahlungssensor 40 sind an einer Halterung 20 befestigt. Die Aufweitungseinrichtung 30 erhöht das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 11 mit einem wachsenden Strahlquerschnitt und trifft mit einem Durchmesser 14 auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Empfängerfläche 41 erfasst mindestens 90% des Querschnitts des propagierten Laserstrahls 11. Dabei ist der Durchmesser 14 des Laserstrahls 11 auf der Empfängerfläche 41 größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Ohne die Aufweitungseinrichtung 30 würde der Laserstrahl 16 nicht im Querschnitt anwachsen und würde daher im Bereich des Strahlungssensors 40 einen sehr geringen Durchmesser 17 aufweisen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein elektrisches Signal 47, das von der Energie oder der Leistung des Laserstrahls 10 bzw. des propagierten Laserstrahls 11 abhängig ist. 1 shows a first possible embodiment of the invention in a schematic representation. A radiation sensor 40 with a receiver surface 41 is provided for measuring the energy or the power of a laser beam 10 . An expansion device 30 is arranged at a distance 25 in front of the radiation sensor 40 . The expansion device 30 and the radiation sensor 40 are attached to a holder 20 . The expansion device 30 increases the angular spectrum of the laser beam 10. After passing the expansion device 30, the laser beam 11 propagates with an increasing beam cross section and hits the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 with a diameter 14. The receiver surface 41 covers at least 90% of the cross section of the propagated laser beam 11 The diameter 14 of the laser beam 11 on the receiver surface 41 is larger than the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30. Without the expansion device 30, the laser beam 16 would not increase in cross section and would therefore have a very small diameter in the area of the radiation sensor 40 Have diameter 17. The radiation sensor 40 generates an electrical signal 47 which is dependent on the energy or the power of the laser beam 10 or the propagated laser beam 11 .

In 2 ist eine zweite mögliche Ausführungsform der Erfindung schematisch dargestellt. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente und Merkmale der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der zweiten Ausführungsform ist zusätzlich eine Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ebenfalls an der Halterung 20 befestigt. Die Aufweitungseinrichtung 30 und die Kollimationseinrichtung 36 haben einen Abstand 26 zueinander. Die Kollimationseinrichtung 36 und der Strahlungssensor 40 sind mit einem Abstand 27 zueinander angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11. Der Laserstrahl 12 propagiert weiter und trifft die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.In 2 a second possible embodiment of the invention is shown schematically. This embodiment includes all of the elements and features of 1 shown first embodiment. In the second embodiment, a collimation device 36 is additionally provided, which is arranged between the widening device 30 and the radiation sensor 40 . The collimation device 36 is also fastened to the holder 20 . The expansion device 30 and the collimation device 36 are at a distance 26 from one another. The collimation device 36 and the radiation sensor 40 are arranged at a distance 27 from one another. The collimation device 36 reduces the angular spectrum of the propagated laser beam 11. The laser beam 12 propagates further and hits the receiving surface 41 of the radiation sensor 40. The functioning of the device corresponds to that in the rest 1 shown first embodiment.

3 zeigt ein nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ausgeführt als eine Sammellinse mit sehr kurzer Brennweite. Der Laserstrahl 10 wird durch die Sammellinse fokussiert und propagiert nach der Fokussierung mit stark anwachsendem Querschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft mit einem großen Durchmesser 14 auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. 3 shows an embodiment not covered by the invention 1 shown first embodiment. In this example, the expansion device 30 is designed as a converging lens with a very short focal length. The laser beam 10 is focused by the converging lens and, after focusing, propagates with a greatly increasing cross section. The propagated laser beam 11 hits the receiving surface 41 of the radiation sensor 40 with a large diameter 14.

4 zeigt ein nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel der in 2 gezeigten zweiten Ausführungsform. In diesem Beispiel ist die Aufweitungseinrichtung 30 ausgeführt als eine Zerstreuungslinse mit sehr kurzer Brennweite. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse. 4 shows an embodiment not covered by the invention 2 second embodiment shown. In this example, the expander 30 is implemented as a diverging lens with a very short focal length. The collimation device 36 is designed as a converging lens.

In 5 ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform dargestellt. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist erfindungsgemäß als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in der Zeichnung dargestellt, eine konvexe Form aufweisen. Weiterhin zeigt die 5 ein Beispiel für die Ausführung des Strahlungssensors 40. Der Strahlungssensor 40 beinhaltet hier einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Die Empfängerfläche 41 ist eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44 und weist einen möglichst hohen Absorptionsgrad auf. Beim Auftreffen des Laserstrahls 10, 11 wird die Strahlleistung im Wesentlichen in Wärme umgewandelt, so dass die Temperatur des Absorptionskörpers 44 ansteigt. Die Temperatur des Absorptionskörpers 44 wird vom Temperatursensor 46 erfasst. Der Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47.In 5 is an inventive embodiment of in 1 shown first embodiment shown. According to the invention, the expansion device 30 is designed as a lens array. As shown in the drawing, the individual lenses of the lens array can have a convex shape. Furthermore, the 5 an example of the embodiment of the radiation sensor 40. The radiation sensor 40 here includes an absorption body 44 and a temperature sensor 46, which is thermally coupled to the absorption body 44. The receiving surface 41 is a surface of the absorption body 44 and has the highest possible degree of absorption. When the laser beam 10, 11 strikes, the beam power is essentially converted into heat, so that the temperature of the absorption body 44 rises. The temperature of the absorption body 44 is detected by the temperature sensor 46 . The temperature sensor 46 generates the electrical signal 47.

Ein Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in 6 gezeigt. Ähnlich wie in 5 ist die Aufweitungseinrichtung 30 erfndungsgemäß als Linsenarray ausgeführt. Die zweite Ausführungsform weist außerdem eine Kollimationseinrichtung 36 auf. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel ausgeführt als ein Hohlspiegel.An embodiment of the second embodiment of the invention is in 6 shown. Similar to in 5 the expansion device 30 is designed according to the invention as a lens array. The second embodiment also has a collimation device 36 on. In this example, the collimation device 36 is designed as a concave mirror.

Die 7 zeigt ein nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel. Wie in 6 ist die Kollimationseinrichtung 36 als Hohlspiegel ausgeführt. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist in diesem Beispiel ein Konvexspiegel. Die Halterung 20 ist ausgebildet als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36 und den Strahlungssensor 40 umschließt. Das Gehäuse weist zur Aufweitungseinrichtung 30 hin eine Öffnung auf, durch die der Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 treffen kann.the 7 shows an embodiment not covered by the invention. As in 6 the collimation device 36 is designed as a concave mirror. The expansion device 30 is a convex mirror in this example. The mount 20 is designed as a housing which encloses the expansion device 30 , the collimation device 36 and the radiation sensor 40 . The housing has an opening towards the expansion device 30 through which the laser beam 10 can impinge on the expansion device 30 .

Noch ein weiteres nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel ist in 8 dargestellt. Dieses Beispiel gleicht dem in 7 gezeigten Beispiel bis auf die Aufweitungseinrichtung 30, welche in diesem Beispiel kein Konvexspiegel ist, sondern ein Facettenspiegel. Die Einzelfacetten des Facettenspiegels können eine konvexe Form aufweisen.Another embodiment not covered by the invention is 8th shown. This example is similar to the one in 7 shown example up to the expansion device 30, which is not a convex mirror in this example, but a facet mirror. The individual facets of the facet mirror can have a convex shape.

9 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung als eigenständiges Messgerät. Die Aufweitungseinrichtung 30 ist erfindungsgemäß als Linsenarray ausgeführt. Die Einzellinsen des Linsenarrays können, wie in 9 angedeutet, eine konkave Form aufweisen. Die Kollimationseinrichtung 36 ist ausgeführt als eine Sammellinse. Wie im Ausführungsbeispiel von 5 beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist zur Erfassung der Temperatur des Strahlungssensors 40. Es ist ein zweiter Temperatursensor 48 vorgesehen, der eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 erfasst. Der zweite Temperatursensor 48 kann dazu mit dem Gehäuse thermisch gekoppelt sein. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Bruchteil des auf den Strahlungssensor 40 gerichteten Laserstrahls 10, 11, 12 registriert. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Lichtsensor 56 seitlich zwischen der Kollimationseinrichtung 36 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet, so dass wenigstens ein Teil der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 im geometrisch-optischen Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 ist somit in der Lage, Streulicht zu erfassen, welches an der Empfängerfläche 41 zu einem geringen Anteil erzeugt wird. Die Signale des Temperatursensors 46, des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56 werden von einer elektronischen Recheneinheit 60 registriert und verarbeitet. Die von der elektronischen Recheneinheit 60 berechneten Daten wie die Leistung und/oder die Energie des Laserstrahls 10 werden mittels einer Schnittstelle 62 bereitgestellt. Die Halterung 20 ist hier als Gehäuse ausgeführt, welches die Aufweitungseinrichtung 30, die Kollimationseinrichtung 36, den Strahlungssensor 40, den zweiten Temperatursensor 48, den Lichtsensor 56, die elektronische Recheneinheit 60, und die Schnittstelle 62 beinhaltet. Das Gehäuse hat eine Öffnung, durch die der Laserstrahl 10 auf die Aufweitungseinrichtung 30 fallen kann. 9 shows schematically an embodiment of the second embodiment of the invention as an independent measuring device. According to the invention, the expansion device 30 is designed as a lens array. The individual lenses of the lens array can, as in 9 indicated to have a concave shape. The collimation device 36 is designed as a converging lens. As in the embodiment of 5 contains the radiation sensor 40 an absorption body 44 and a temperature sensor 46, which is thermally coupled to the absorption body 44 to detect the temperature of the radiation sensor 40. A second temperature sensor 48 is provided, which detects a second temperature in the vicinity of the radiation sensor 40. For this purpose, the second temperature sensor 48 can be thermally coupled to the housing. Furthermore, a light sensor 56 is provided, which registers a fraction of the laser beam 10, 11, 12 directed onto the radiation sensor 40. In the exemplary embodiment shown, the light sensor 56 is arranged laterally between the collimation device 36 and the radiation sensor 40 so that at least part of the receiving surface 41 of the radiation sensor 40 lies in the geometric-optical detection range of the light sensor 56 . The light sensor 56 is thus able to detect scattered light, which is generated to a small extent on the receiving surface 41 . The signals from the temperature sensor 46, the second temperature sensor 48 and the light sensor 56 are registered and processed by an electronic processing unit 60. The data calculated by the electronic processing unit 60 such as the power and/or the energy of the laser beam 10 are made available via an interface 62 . The holder 20 is designed here as a housing which contains the expansion device 30 , the collimation device 36 , the radiation sensor 40 , the second temperature sensor 48 , the light sensor 56 , the electronic processing unit 60 and the interface 62 . The housing has an opening through which the laser beam 10 can fall onto the expansion device 30 .

In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel als eigenständiges Messgerät dargestellt. Im Unterschied zum Beispiel aus 9 hat die Aufweitungseinrichtung 30 in diesem Beispiel eine lichtstreuende Struktur 31 zur Erhöhung des Winkelspektrums des Laserstrahls 10. Die Kollimationseinrichtung 36 ist als eine Optik bestehend aus zwei Sammellinsen 37 ausgeführt.In 10 a further exemplary embodiment is shown as an independent measuring device. In contrast to, for example, from 9 In this example, the expansion device 30 has a light-scattering structure 31 to increase the angular spectrum of the laser beam 10. The collimation device 36 is designed as an optical system consisting of two converging lenses 37.

Die 11a und 11b zeigen eine dritte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. Diese Ausführungsform umfasst alle Elemente der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. In der dritten Ausführungsform ist zusätzlich eine Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Die Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein Prisma sein, an dessen Seitenflächen Anteile des propagierenden Laserstrahls 11 durch Totalreflexion umgelenkt werden können. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass die Strahlführungseinrichtung 33 ohne Wirkung ist, wenn der Laserstrahl 10 axial ausgerichtet ist, wie in 11a dargestellt. Wenn der Laserstrahl schräg eingestrahlt wird, also der Laserstrahl 10 einen Winkel zur optischen Achse 39 der Vorrichtung aufweist, wie in 11b dargestellt, dann wird ein Teilbereich des propagierenden Laserstrahls 11 in Richtung zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Mittels der Strahlführungseinrichtung 33 wird somit der Laserstrahl 11 auf der Empfängerfläche 41 zentriert. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform.the 11a and 11b show a third possible embodiment of the invention in a schematic representation. This embodiment includes all elements of 1 shown first embodiment. In the third embodiment, a beam guidance device 33 is additionally provided, which is arranged between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 . The beam guidance device 33 can be a prism, for example, on the side surfaces of which portions of the propagating laser beam 11 can be deflected by total reflection. In the exemplary embodiment shown, the beam guiding device 33 is dimensioned such that the beam guiding device 33 is ineffective when the laser beam 10 is aligned axially, as in FIG 11a shown. If the laser beam is irradiated at an angle, i.e. the laser beam 10 has an angle to the optical axis 39 of the device, as in 11b shown, then a partial area of the propagating laser beam 11 is deflected in the direction of the receiving surface 41 of the radiation sensor 40 . The laser beam 11 is thus centered on the receiver surface 41 by means of the beam guidance device 33 . The functioning of the device otherwise corresponds to that in 1 shown first embodiment.

In 12 ist ein weiteres Beispiel der dritten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Ausführungsbeispiel ist die Strahlführungseinrichtung 33 so dimensioniert, dass seitliche Bereiche des propagierenden Laserstrahls 11 mit großen Winkeln zur Strahlachse durch Reflexion an den Seitenflächen der Strahlführungseinrichtung 33 umgelenkt werden.In 12 another example of the third embodiment is shown schematically. In this exemplary embodiment, the beam guidance device 33 is dimensioned such that lateral areas of the propagating laser beam 11 are deflected at large angles to the beam axis by reflection on the side surfaces of the beam guidance device 33 .

13 zeigt eine vierte mögliche Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Darstellung. In dieser Ausführungsform integriert die Aufweitungseinrichtung 30 mehrere Funktionen in einem Bauteil. Im gezeigten Beispiel hat die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtstreuende Struktur 31 an der vorderen Fläche bzw. an der Strahleintrittsfläche der Aufweitungseinrichtung 30. Die lichtstreuende Struktur 31 bewirkt die Erhöhung des Winkelspektrums des Laserstrahls 10. Die Seitenflächen der Aufweitungseinrichtung 30 weisen eine Neigung und/oder eine Krümmung auf, so dass die an den Seitenflächen reflektierten Strahlungsanteile des propagierenden Laserstrahls 11 zur Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umgelenkt werden und der Winkel der umgelenkten Strahlungsanteile zur Strahlachse verringert wird. Somit erfüllt die Aufweitungseinrichtung 30 in dieser Ausführungsform gleichzeitig die Funktion als Strahlführungseinrichtung und zumindest teilweise als Kollimationseinrichtung. Die Funktionsweise der Vorrichtung entspricht im Übrigen der in 1 gezeigten ersten Ausführungsform. 13 shows a fourth possible embodiment of the invention in a schematic representation. In this embodiment, the widening device 30 integrates several functions in one component. In the example shown, the expansion device 30 has a light-scattering structure 31 on the front surface or on the beam entrance surface surface of expansion device 30. Light-scattering structure 31 causes the angular spectrum of laser beam 10 to be increased. The side surfaces of expansion device 30 are inclined and/or curved, so that the radiation components of propagating laser beam 11 reflected on the side surfaces reach receiver surface 41 of the radiation sensor 40 are deflected and the angle of the deflected radiation components is reduced to the beam axis. Thus, in this embodiment, the expansion device 30 simultaneously fulfills the function as a beam guidance device and at least partially as a collimation device. The functioning of the device otherwise corresponds to that in 1 shown first embodiment.

In 14 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform schematisch dargestellt. In diesem Beispiel beinhaltet der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46, der mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt ist. Der Absorptionskörper 44 ist als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlkegel oder Innenkonus, womit die Empfängerfläche 41 vergrößert wird und der Querschnitt des propagierten Laserstrahls 11 auf eine größere Fläche verteilt wird. Weiterhin ist ein Lichtsensor 56 vorgesehen, der einen Anteil des an der Empfängerfläche 41 teilweise gestreuten Laserstrahls 11 empfängt. Die Signale vom Temperatursensor 46 und vom Lichtsensor 56 werden in der elektronischen Recheneinheit aufgezeichnet und verarbeitet. Eine Schnittstelle 62 ist vorgesehen zum Austausch von Daten mit einer externen Anzeigeeinheit oder einem externen Gerät.In 14 a further exemplary embodiment of the first embodiment is shown schematically. In this example, the radiation sensor 40 includes an absorption body 44 and a temperature sensor 46 that is thermally coupled to the absorption body 44 . The absorption body 44 is designed as a cavity absorber, in this example as a hollow cone or inner cone, with which the receiving area 41 is enlarged and the cross section of the propagated laser beam 11 is distributed over a larger area. Furthermore, a light sensor 56 is provided, which receives a portion of the laser beam 11 partially scattered on the receiver surface 41 . The signals from the temperature sensor 46 and from the light sensor 56 are recorded and processed in the electronic processing unit. An interface 62 is provided for exchanging data with an external display unit or device.

15 zeigt noch ein anderes Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform. Ähnlich wie in 14 ist der Absorptionskörper 44 als Hohlraum-Absorber ausgelegt, in diesem Beispiel als Hohlzylinder. Ein Teilbereich 42 der Empfängerfläche 41, hier die Grundfläche des Hohlzylinders, ist reflektierend oder teilreflektierend ausgebildet. Dadurch wird die in diesem Bereich auftreffende Strahlung zu den zylindrischen Seitenflächen geleitet. Die Grundfläche des Hohlzylinders ist zu diesem Zweck mit einer flachen Konus-Form versehen. Statt einer Schnittstelle ist in diesem Beispiel eine Anzeigeeinrichtung 64 vorgesehen, mittels der die von der elektronischen Recheneinheit 60 ermittelten Daten angezeigt werden können. 15 Fig. 12 shows still another embodiment of the first embodiment. Similar to in 14 the absorption body 44 is designed as a cavity absorber, in this example as a hollow cylinder. A portion 42 of the receiver surface 41, here the base of the hollow cylinder, is designed to be reflective or partially reflective. As a result, the radiation impinging in this area is guided to the cylindrical side surfaces. For this purpose, the base of the hollow cylinder is provided with a flat cone shape. Instead of an interface, a display device 64 is provided in this example, by means of which the data determined by the electronic processing unit 60 can be displayed.

Ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform, welches auch zur kontinuierlichen Messung der Leistung des Laserstrahls 10 geeignet ist, ist in 16 dargestellt. Der Strahlungssensor 40 ist beispielhaft ähnlich aufgebaut wie in dem in 15 gezeigten Beispiel. Zur Abführung der vom Absorptionskörper 44 aufgenommenen Wärme ist eine Kühleinrichtung 70 vorgesehen. Über einen Kühlmittel-Einlass 72 wird ein Kühlmittel 77 in die Kühleinrichtung 70 eingeführt, durchströmt den Absorptionskörper 44 des Strahlungssensors 40, und wird über einen Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Das Kühlmittel 77 wird durch Rohre, Bohrungen oder Kanäle im Absorptionskörper 44 geleitet und nimmt die Wärme des Absorptionskörpers 44 auf. Der mit dem Absorptionskörper 44 gekoppelte Temperatursensor 46 ist bezüglich der Kühlmitteldurchflussrichtung stromabwärts angeordnet, wo das aufgeheizte Kühlmittel den Absorptionskörper 44 verlässt und registriert so die Temperatur des aufgeheizten Kühlmittels. Der zweite Temperatursensor 48 ist stromaufwärts angeordnet, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 geleitet wird, und registriert so die VorlaufTemperatur des Kühlmittels 77. Die Durchflussmenge des Kühlmittels 77 kann mittels eines nicht dargestellten Durchflusssensors ermittelt werden. Aus der Differenz der von den Temperatursensoren 46 und 48 gemessenen Temperaturen und der Durchflussmenge wird die Leistung des Laserstrahls 10 bestimmt.An exemplary embodiment of the first embodiment, which is also suitable for continuously measuring the power of the laser beam 10, is in 16 shown. The radiation sensor 40 is constructed in a manner similar to that in FIG 15 shown example. A cooling device 70 is provided to dissipate the heat absorbed by the absorption body 44 . A coolant 77 is introduced into the cooling device 70 via a coolant inlet 72 , flows through the absorption body 44 of the radiation sensor 40 and is discharged via a coolant outlet 74 . The coolant 77 is passed through pipes, bores or channels in the absorption body 44 and absorbs the heat of the absorption body 44 . The temperature sensor 46 coupled to the absorption body 44 is arranged downstream with respect to the coolant flow direction, where the heated coolant leaves the absorption body 44 and thus registers the temperature of the heated coolant. The second temperature sensor 48 is arranged upstream before the coolant is conducted into the absorption body 44, and thus registers the flow temperature of the coolant 77. The flow rate of the coolant 77 can be determined using a flow sensor, not shown. The power of the laser beam 10 is determined from the difference between the temperatures measured by the temperature sensors 46 and 48 and the flow rate.

17 zeigt ein Ausführungsbeispiel für kontinuierliche Messung der zweiten Ausführungsform. Die Kühleinrichtung 70 entspricht dem in der 16 gezeigten Beispiel. Statt eines Hohlraum-Absorbers wie in der 16 ist hier ein einfacher flacher Absorptionskörper 44 vorgesehen. Der Absorptionskörper 44 hat dadurch eine geringe thermische Masse, wodurch die Ansprechzeit der Temperaturänderung, also des Signals vom Temperatursensor 46 verringert wird. Der Temperatursensor 46 des Strahlungssensors 40 ist stromabwärts am Kühlmittel-Ausgang des Absorptionskörpers 44 angeordnet, und der zweite Temperatursensor 48 ist stromaufwärts vor dem Absorptionskörper angeordnet. Zur optimalen Absorption der Strahlung auf der Empfängerfläche 41 ist vor dem Strahlungssensor 40 eine Kollimationseinrichtung 36 vorgesehen, mittels der das Winkelspektrum des propagierten Laserstrahls 11 verringert wird. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in diesem Beispiel eine Sammellinse, die den propagierenden Laserstrahl 11 kollimiert, so dass der weiter propagierende Laserstrahl 12 im Wesentlichen ungefähr senkrecht auf die Empfängerfläche 41 trifft. Zur Aufweitung des Laserstrahls 10 ist zuvor das Winkelspektrum des Laserstrahls 10 mittels der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert worden. Die Signale der Temperatursensoren 46 und 48 werden von der elektronischen Recheneinheit 60 aufgezeichnet und verarbeitet. Die berechneten Daten werden mittels einer Schnittstelle 62 an ein externes Gerät übermittelt. 17 Fig. 12 shows an embodiment of continuous measurement of the second embodiment. The cooling device 70 corresponds to that in FIG 16 shown example. Instead of a cavity absorber as in the 16 a simple flat absorption body 44 is provided here. As a result, the absorption body 44 has a low thermal mass, as a result of which the response time of the temperature change, ie the signal from the temperature sensor 46, is reduced. The temperature sensor 46 of the radiation sensor 40 is arranged downstream at the coolant outlet of the absorption body 44, and the second temperature sensor 48 is arranged upstream in front of the absorption body. For optimal absorption of the radiation on the receiver surface 41, a collimation device 36 is provided in front of the radiation sensor 40, by means of which the angular spectrum of the propagated laser beam 11 is reduced. In this example, the collimation device 36 is a converging lens, which collimates the propagating laser beam 11 , so that the laser beam 12 , which propagates further, strikes the receiving surface 41 essentially approximately perpendicularly. In order to expand the laser beam 10, the angular spectrum of the laser beam 10 has previously been enlarged by means of the expansion device 30. The signals from the temperature sensors 46 and 48 are recorded and processed by the electronic processing unit 60 . The calculated data are transmitted to an external device via an interface 62 .

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, ein einfaches Verfahren und eine kompakte Vorrichtung zur direkten und präzisen Messung der Leistung und/oder der Energie eines Laserstrahls bereitzustellen, welche eine Messung auch in Bereichen nahe des Strahlfokus ermöglichen.A solution to the problem of providing a simple method and a compact device for the direct and precise measurement of the power and/or the energy of a laser beam, which also enables a measurement in areas close to the beam focus, is to be specified.

Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die eine Halterung 20, eine Aufweitungseinrichtung 30 und einen Strahlungssensor 40 mit einer Empfängerfläche 41 beinhaltet. Die Aufweitungseinrichtung 30 und der Strahlungssensor 40 sind mittels der Halterung 20 in einem Abstand 25 zueinander angeordnet. Die Vorrichtung ist dazu vorgesehen, einen Laserstrahl 10 aufzufangen. Der Laserstrahl 10 trifft zunächst auf die Aufweitungseinrichtung 30. Der Laserstrahl 10 hat im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 einen Durchmesser 13. Die Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10. Dabei ist mit dem Begriff Winkelspektrum die Verteilungsbreite der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse gemeint. Nach der Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 propagiert der Laserstrahl 10 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40, in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 11 dargestellt, mit einem wachsenden Strahlquerschnitt. Der propagierte Laserstrahl 11 trifft auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40. Der Laserstrahl 11 hat auf der Empfängerfläche 41 einen Durchmesser 14. Der Durchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 ist größer als der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30. Die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 umschließt mindestens 90% der Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls 11. Bei einem runden Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11 ist demnach der Durchmesser der Empfängerfläche 41 größer oder mindestens gleich dem 0,95-fachen des Durchmessers 14 des propagierten Laserstrahls 11. Weiterhin ist der propagierte Laserstrahl 11 demnach so auf der Empfängerfläche 41 zentriert, dass höchstens 10% der Querschnittsfläche des Laserstrahls 11 außerhalb der Empfängerfläche 41 liegen. Der Strahlungssensor 40 erzeugt ein elektrisches Signal 47, welches von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls 10, 11 abhängig ist. Aus dem elektrischen Signal 47 wird der Leistungs- oder Energie-Wert des Laserstrahls 10, 11 bestimmt.In order to solve the task, a device is proposed which contains a holder 20, an expansion device 30 and a radiation sensor 40 with a receiver surface 41. The expansion device 30 and the radiation sensor 40 are arranged at a distance 25 from one another by means of the holder 20 . The device is intended to capture a laser beam 10 . The laser beam 10 first hits the expansion device 30. The laser beam 10 has a diameter 13 in the area of the expansion device 30. The expansion device 30 enlarges the angular spectrum of the laser beam 10. The term angular spectrum means the distribution width of the angles of all partial beams of the laser beam to the beam axis . After the angle spectrum has been increased by the expansion device 30, the laser beam 10 propagates between the expansion device 30 and the radiation sensor 40, shown in this area with the reference number 11, with an increasing beam cross section. The propagated laser beam 11 hits the receiving surface 41 of the radiation sensor 40. The laser beam 11 has a diameter 14 on the receiving surface 41. The diameter 14 on the receiving surface 41 is larger than the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30. The receiving surface 41 of the radiation sensor 40 encloses at least 90% of the cross-sectional area of the propagated laser beam 11. With a round beam cross-section of the laser beam 10, 11, the diameter of the receiver surface 41 is greater than or at least equal to 0.95 times the diameter 14 of the propagated laser beam 11. Furthermore the propagated laser beam 11 is accordingly centered on the receiver surface 41 in such a way that at most 10% of the cross-sectional area of the laser beam 11 lies outside of the receiver surface 41 . The radiation sensor 40 generates an electrical signal 47 which is dependent on the power or the energy of the laser beam 10, 11. The power or energy value of the laser beam 10, 11 is determined from the electrical signal 47.

Der Laserstrahl 10 kann fokussiert sein und die erfindungsgemäße Vorrichtung kann im Bereich des Fokus des Laserstrahls 10 positioniert werden. Der Laserstrahl 10 kann im Bereich des Fokus einen sehr kleinen Durchmesser 17 aufweisen, wenn sich der Laserstrahl 10 ungehindert, also ohne Aufweitungseinrichtung, ausbreitet. Die virtuelle Ausbreitung des Laserstrahls 10 ohne Aufweitungseinrichtung 30 ist beispielsweise in der 1 als gestrichelte Linien mit dem Bezugszeichen 16 dargestellt. Der Durchmesser 17 im Fokusbereich kann beispielsweise in der Größenordnung von 0,1mm sein und die Leistung des Laserstrahls 10 kann beispielsweise 1 kW betragen. Die Leistungsdichte liegt dann in der Größenordnung von etwa 10 MW/cm2. Bei solchen Leistungsdichten werden praktisch alle nicht-transparenten Materialien unmittelbar aufgeschmolzen bzw. durchbohrt. Ein Detektor gleich welcher Art kann solchen Leistungsdichten nicht standhalten. Daher ist im Abstand 25 vor dem Strahlungssensor 40 die Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert das Winkelspektrum des Laserstrahls 10, das heißt, die Breite der Verteilung der Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls 11 zur Strahlachse ist nach Passieren der Aufweitungseinrichtung 30 größer. Ein kollimierter Strahl zum Beispiel hat ein Winkelspektrum von fast Null bzw. weit unter 1°. Ein mittels einer Bearbeitungsoptik fokussierter Laserstrahl hat typischerweise ein Winkelspektrum von wenigen Grad. Die Aufweitungseinrichtung 30 kann beispielsweise dazu ausgebildet sein, das Winkelspektrum um +/-5° zu erhöhen, also auf eine Breite der Verteilung von 10°, und der Abstand 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 kann beispielsweise 50 mm betragen. Dann ist der Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche knapp 9 mm groß und die Leistungsdichte bei 1 kW beträgt weniger als 2 kW/cm2. Im Vergleich zum obigen Beispiel des Strahls im Fokus-Bereich ohne Erhöhung des Winkelspektrums ist die Leistungsdichte demnach um fast 4 Zehnerpotenzen verringert. Die verringerte Leistungsdichte kann von vielen Detektoren zumindest kurzzeitig ohne Beschädigung verarbeitet werden.The laser beam 10 can be focused and the device according to the invention can be positioned in the area of the focus of the laser beam 10 . The laser beam 10 can have a very small diameter 17 in the area of the focus if the laser beam 10 propagates unhindered, ie without an expansion device. The virtual propagation of the laser beam 10 without an expansion device 30 is, for example, in FIG 1 shown as dashed lines with reference number 16 . The diameter 17 in the focal area can be, for example, of the order of 0.1 mm and the power of the laser beam 10 can be 1 kW, for example. The power density is then on the order of about 10 MW/cm 2 . With such power densities, practically all non-transparent materials are immediately melted or pierced. No detector of any kind can withstand such power densities. The widening device 30 is therefore arranged at a distance 25 in front of the radiation sensor 40 . The expansion device 30 enlarges the angular spectrum of the laser beam 10, that is, the width of the distribution of the angles of all partial beams of the laser beam 11 to the beam axis is larger after passing the expansion device 30. For example, a collimated beam has an angular spectrum of almost zero, or well under 1°. A laser beam focused by processing optics typically has an angular spectrum of a few degrees. The expansion device 30 can be designed, for example, to increase the angular spectrum by +/-5°, ie to a width of the distribution of 10°, and the distance 25 between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 can be 50 mm, for example. The beam diameter 14 on the receiver surface is then just under 9 mm and the power density at 1 kW is less than 2 kW/cm 2 . Compared to the above example of the beam in the focus area without increasing the angular spectrum, the power density is reduced by almost 4 powers of ten. The reduced power density can be processed by many detectors without damage, at least for a short time.

Es ist in einer möglichen Ausführungsform vorgesehen, dass der Abstand 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 in einem Bereich von 10 mm bis 200 mm liegt. Der Abstand 25 kann insbesondere 20 mm bis 100 mm betragen.In one possible embodiment, it is provided that the distance 25 between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 is in a range of 10 mm to 200 mm. The distance 25 can in particular be 20 mm to 100 mm.

Die Erhöhung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einem Bereich von +/-1° bis +/-50° liegen. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann insbesondere im Bereich von +/-2° bis +/-30° liegen.The increase in the angle spectrum by the expansion device 30 can be in a range from +/-1° to +/-50°. The increase in the angle spectrum can in particular be in the range from +/-2° to +/-30°.

Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in verschiedener Art ausgestaltet sein. Die Erhöhung des Winkelspektrums kann durch Brechung, Reflexion, Beugung, oder Streuung erfolgen. Es ist dabei nicht erforderlich, dass eine Intensitätsverteilung, ein Strahlprofil, oder ein Strahlparameterprodukt des Laserstrahls 10 erhalten bleibt, nur die über den Querschnitt des Strahls integrierte Gesamt-Leistung oder Gesamt-Energie muss im Wesentlichen erhalten bleiben. Allen Ausführungsformen der Aufweitungseinrichtung 30 ist gemeinsam, dass der Laserstrahl 10 die Aufweitungseinrichtung 30 nahezu ohne Abschwächung passiert. Der Absorptionsgrad der Aufweitungseinrichtung 30 liegt unter einem Prozent. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein transmittierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Transmissionsgrad größer 90%, vorzugsweise größer als 99%. Dazu können die Strahl-Eintritts- und Austritt-Flächen der Aufweitungseinrichtung 30 mit einer entspiegelnden Beschichtung versehen sein. Wenn die Aufweitungseinrichtung 30 ein reflektierendes optisches Bauteil ist, dann ist der Reflexionsgrad größer als 99%.The expansion device 30 can be designed in various ways. The angle spectrum can be increased by refraction, reflection, diffraction or scattering. It is not necessary that an intensity distribution, a beam profile, or a beam parameter product of the Laser beam 10 is preserved, only the total power or total energy integrated over the cross section of the beam must essentially be preserved. All embodiments of the expansion device 30 have in common that the laser beam 10 passes through the expansion device 30 with almost no attenuation. The degree of absorption of the expander 30 is less than one percent. If the expansion device 30 is a transmitting optical component, then the transmittance is greater than 90%, preferably greater than 99%. For this purpose, the beam entry and exit surfaces of the expansion device 30 can be provided with an anti-reflective coating. If the expander 30 is a reflective optical component, then the reflectivity is greater than 99%.

Die Aufweitungseinrichtung 30 kann in einer nicht von der Erfindung umfassten Ausführungsform eine optische Linse sein. Die Brennweite der optischen Linse ist ein Bruchteil des Abstandes 25 zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40. Es ist vorgesehen, dass der Betrag der Brennweite der optischen Linse höchstens 1/3 des Abstandes 25 beträgt. Die optische Linse kann eine Konkav-Linse oder eine Konvex-Linse sein, d.h. eine Zerstreuungslinse oder eine Sammellinse. Der Vorteil einer Zerstreuungslinse besteht darin, dass bei gleichem Brennweiten-Betrag der Linse der Abstand 25 etwas kürzer gewählt werden kann, um einen gleich vergrößerten Strahldurchmesser 14 auf der Empfängerfläche 41 zu erreichen. Ein Beispiel für eine Ausführungsform der Aufweitungseinrichtung 30 als Sammellinse zeigt die 3, während in 4 eine Zerstreuungslinse als Aufweitungseinrichtung 30 dargestellt ist.In an embodiment not covered by the invention, the expansion device 30 can be an optical lens. The focal length of the optical lens is a fraction of the distance 25 between the expansion device 30 and the radiation sensor 40. It is envisaged that the amount of the focal length of the optical lens is at most 1/3 of the distance 25. The optical lens can be a concave lens or a convex lens, ie a negative lens or a positive lens. The advantage of a diverging lens is that with the same focal length of the lens, the distance 25 can be selected to be somewhat shorter in order to achieve an equally enlarged beam diameter 14 on the receiver surface 41 . An example of an embodiment of the widening device 30 as a converging lens is shown in FIG 3 , while in 4 a negative lens is shown as expansion device 30 .

Die Aufweitungseinrichtung 30 ist erfindungungsgemäß ein Linsen-Array oder ein Mikrolinsen-Array, d.h. die Aufweitungseinrichtung 30 umfasst mehrere nebeneinander angeordnete Einzellinsenelemente. Die Besonderheit bei der Verwendung eines Linsen-Arrays als Aufweitungseinrichtung 30 besteht darin, dass damit eine Erhöhung des Winkelspektrums erzielt werden kann, deren Winkel-Verteilungsbreite nicht vom Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 abhängig ist, wenn die seitlichen Abmessungen der Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays klein genug gewählt werden. Um dies zu erreichen, kann die seitliche Abmessung bzw. die Breite der Einzellinsenelemente kleiner oder höchstens gleich dem Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30 gewählt werden. Die Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 0,1 mm bis 5 mm liegen. Der Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente kann im Bereich von 0,3 mm bis 20 mm liegen. Das Verhältnis von Betrag der Brennweite der Einzellinsenelemente zur Breite der Einzellinsenelemente kann beispielsweise im Bereich von 2 bis 30 liegen. Die Einzellinsenelemente des Linsen-Arrays können eine positive oder eine negative Brechkraft haben, d.h. die Flächen der Einzellinsenelemente können konvex oder konkav gewölbt sein. Ausführungsbeispiele für ein konvexes Linsen-Array sind in den 5 und 6 gezeigt, während die Aufweitungseinrichtung 30 in den 9 und 14 bis 17 als konkaves Linsen-Array ausgeführt ist.According to the invention, the expansion device 30 is a lens array or a microlens array, ie the expansion device 30 comprises a plurality of individual lens elements arranged next to one another. The special feature of using a lens array as an expansion device 30 is that an increase in the angular spectrum can be achieved, the angular distribution width of which is not dependent on the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30 if the lateral dimensions of the individual lens elements of the lens array can be chosen small enough. In order to achieve this, the lateral dimensions or the width of the individual lens elements can be chosen to be smaller than or at most equal to the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30 . The width of the individual lens elements can be in the range from 0.1 mm to 5 mm, for example. The magnitude of the focal length of the individual lens elements can be in the range from 0.3 mm to 20 mm. The ratio of the magnitude of the focal length of the individual lens elements to the width of the individual lens elements can be in the range from 2 to 30, for example. The individual lens elements of the lens array can have a positive or a negative refractive power, ie the surfaces of the individual lens elements can be convex or concave. Embodiments of a convex lens array are in the 5 and 6 shown, while the expansion device 30 in FIGS 9 and 14 until 17 is designed as a concave lens array.

Die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen. Die lichtstreuende Struktur 31 streut die Strahlung des Laserstrahls 10 in Vorwärtsrichtung und in einen begrenzten Winkelbereich. Die lichtstreuende Struktur 31 kann beispielsweise als Grenzfläche eines optisch transparenten Materials mit einer Rauigkeit oder Welligkeit ausgeführt sein. An den Unebenheiten der rauen oder welligen Grenzfläche wird die Strahlung durch Brechung in verschiedene Winkel umgelenkt. Die lichtstreuende Struktur 31 kann auch beispielsweise eine Struktur mit örtlich variierender Brechzahl sein.The expansion device 30 can also have a light-scattering structure 31 . The light-scattering structure 31 scatters the radiation of the laser beam 10 in the forward direction and in a limited angular range. The light-scattering structure 31 can be designed, for example, as an interface of an optically transparent material with a roughness or waviness. At the unevenness of the rough or wavy interface, the radiation is deflected into different angles by refraction. The light-scattering structure 31 can also be a structure with a locally varying refractive index, for example.

Die Vergrößerung des Winkelspektrums durch die Aufweitungseinrichtung 30 kann auch mittels Beugung erzielt werden. Dazu kann die Aufweitungseinrichtung 30 eine lichtbeugende Struktur aufweisen. Die lichtbeugende Struktur kann zum Beispiel durch lithografische Verfahren auf eine Grenzfläche der Aufweitungseinrichtung 30 aufgebracht sein.The enlargement of the angular spectrum by the expansion device 30 can also be achieved by means of diffraction. For this purpose, the expansion device 30 can have a light-diffracting structure. The light-diffracting structure can be applied to an interface of the expander 30 by lithographic methods, for example.

Als Strahlungssensor 40 können verschiedene Detektoren eingesetzt werden. Der Strahlungssensor 40 hat eine Empfängerfläche 41. Die Empfängerfläche 41 ist ausreichend groß, so dass der gesamte Strahlquerschnitt des Laserstrahls 10, 11, 12 oder wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls von der Empfängerfläche 41 erfasst wird. Innerhalb des Querschnitts des Laserstrahls ist die Intensität der Strahlung üblicherweise ortsabhängig. Viele Laserstrahlen haben eine ungefähr Gaußförmige Intensitätsverteilung. Die Intensitätsverteilung im propagierenden Laserstrahl 11 kann durch die Aufweitungseinrichtung 30 verändert sein. Der Strahlungssensor 40 erfasst den gesamten oder zumindest fast den gesamten Querschnitt des Strahls und erzeugt daher ein Signalwert, der dem Integralwert der Intensitätsverteilung entspricht. Der Integralwert der Intensitätsverteilung ist die über die Empfängerfläche aufintegrierte Intensität des Laserstrahls 10, 11, 12. Der Signalwert ist somit von der Gesamt-Leistung oder von der Gesamt-Energie des Laserstrahls abhängig. Der Signalwert wird als elektrisches Signal 47 ausgegeben.Various detectors can be used as the radiation sensor 40 . The radiation sensor 40 has a receiving surface 41. The receiving surface 41 is large enough for the entire beam cross section of the laser beam 10, 11, 12 or at least 90% of the cross-sectional area of the laser beam to be detected by the receiving surface 41. Within the cross section of the laser beam, the intensity of the radiation is usually location-dependent. Many laser beams have an approximately Gaussian intensity distribution. The intensity distribution in the propagating laser beam 11 can be changed by the expansion device 30 . The radiation sensor 40 detects the entire or at least almost the entire cross-section of the beam and therefore generates a signal value which corresponds to the integral value of the intensity distribution. The integral value of the intensity distribution is the intensity of the laser beam 10, 11, 12 integrated over the receiver surface. The signal value is therefore dependent on the total power or the total energy of the laser beam. The signal value is output as an electrical signal 47 .

Der Strahlungssensor 40 ist erfindungsgemäß als kalorimetrischer Sensor ausgebildet. Dazu umfasst der Strahlungssensor 40 einen Absorptionskörper 44 und einen Temperatursensor 46. Der Temperatursensor 46 ist mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt, um die Temperatur des Absorptionskörpers 44 zu erfassen. Die Empfängerfläche 41 ist hierbei eine Oberfläche des Absorptionskörpers 44. Die Empfängerfläche 41 weist einen hohen Absorptionsgrad auf. Dazu kann die Empfängerfläche schwarz oder absorbierend beschichtet sein. Die Empfängerfläche 41 kann auch eine Strukturierung aufweisen, beispielsweise ein Rillenmuster. Der auf die Empfängerfläche 41 auftreffende Laserstrahl 10, 11, 12 wird zum größten Teil absorbiert und in Wärme umgesetzt. Dadurch erhöht sich die Temperatur des Absorptionskörpers 44, was vom Temperatursensor 46 registriert wird. Der Temperatursensor 46 erzeugt das elektrische Signal 47. Der Strahlungssensor 40 bzw. der Absorptionskörper 44 ist thermisch isoliert an der Halterung 20 bzw. in der als Gehäuse ausgebildeten Halterung 20 befestigt. Dazu sind die Halterungselemente, die mit dem Strahlungssensor 40 bzw. dem Absorptionskörper 44 verbunden sind, beispielsweise aus einem thermisch gering leitfähigen Material gefertigt. Durch die thermisch isolierte Befestigung werden unkontrollierte Wärmeströme vom Absorptionskörper 44 in die Umgebung, die die Genauigkeit der Messung verringern können, reduziert.According to the invention, the radiation sensor 40 is designed as a calorimetric sensor. To the radiation sensor 40 includes an absorption body 44 and a temperature sensor 46. The temperature sensor 46 is thermally coupled to the absorption body 44 in order to detect the temperature of the absorption body 44. In this case, the receiving surface 41 is a surface of the absorption body 44. The receiving surface 41 has a high degree of absorption. For this purpose, the receiver surface can have a black or absorbing coating. The receiver surface 41 can also have a structure, for example a groove pattern. The laser beam 10, 11, 12 striking the receiver surface 41 is for the most part absorbed and converted into heat. This increases the temperature of the absorption body 44, which is registered by the temperature sensor 46. The temperature sensor 46 generates the electrical signal 47. The radiation sensor 40 or the absorption body 44 is thermally insulated on the holder 20 or in the holder 20 designed as a housing. For this purpose, the holding elements, which are connected to the radiation sensor 40 or the absorption body 44, are made, for example, from a material with low thermal conductivity. The thermally insulated attachment reduces uncontrolled heat flows from the absorption body 44 into the environment, which can reduce the accuracy of the measurement.

Bei vielen Detektoren ist die Höhe des erzeugten Signals in geringem Maße von der Strahlposition auf dem Detektor und vom Auftreffwinkel des Strahls auf dem Detektor abhängig. Um eine hohe Genauigkeit bei der Messung zu erreichen, ist deshalb darauf zu achten, dass der Strahl möglichst axialsymmetrisch oder zentral auf dem Detektor auftrifft, und dass der Einfallswinkel möglichst wenig vom senkrechten Einfall abweicht.For many detectors, the magnitude of the signal generated is dependent to a small extent on the beam position on the detector and the angle of incidence of the beam on the detector. In order to achieve high measurement accuracy, it is important to ensure that the beam hits the detector as axially symmetrically or centrally as possible, and that the angle of incidence deviates as little as possible from perpendicular incidence.

Zur weiteren Verbesserung der Messgenauigkeit ist daher in einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 eine Kollimationseinrichtung 36 angeordnet, wie in 2 schematisch dargestellt. Die Kollimationseinrichtung 36 ist in einem Abstand 26 zur Aufweitungseinrichtung 30 angeordnet. Die Kollimationseinrichtung 36 verringert das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls 11, welches zuvor von der Aufweitungseinrichtung 30 vergrößert wurde. Dadurch wird erreicht, dass die Winkel aller Teilstrahlen des Laserstrahls zur Strahlachse nach Passieren der Kollimationseinrichtung 36 möglichst klein sind. Der nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierende Laserstrahl, der wie in der 2 gezeigt in diesem Bereich mit dem Bezugszeichen 12 dargestellt ist, behält also seinen Querschnitt bzw. Durchmesser ungefähr bei, das heißt, der Durchmesser des Laserstrahls 11 im Bereich der Kollimationseinrichtung 36 ist ungefähr gleich dem Durchmesser 14 des Laserstrahls 11, 12 auf der Empfängerfläche 41. Die Teilstrahlen des nach der Kollimationseinrichtung 36 propagierenden Laserstrahls 12 treffen also annähernd senkrecht auf die Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40.To further improve the measurement accuracy, a collimation device 36 is therefore arranged in a further possible embodiment of the invention between the expansion device 30 and the radiation sensor 40, as shown in FIG 2 shown schematically. The collimation device 36 is arranged at a distance 26 from the expansion device 30 . The collimation device 36 reduces the angular spectrum of the propagating laser beam 11, which was previously enlarged by the expansion device 30. This ensures that the angles of all partial beams of the laser beam to the beam axis are as small as possible after passing through the collimation device 36 . The after the collimation device 36 propagating laser beam, as in the 2 shown in this area with the reference numeral 12, so keeps its cross-section or diameter approximately the same, that is, the diameter of the laser beam 11 in the area of the collimation device 36 is approximately the same as the diameter 14 of the laser beam 11, 12 on the receiver surface 41. The partial beams of the laser beam 12 propagating after the collimation device 36 therefore strike the receiver surface 41 of the radiation sensor 40 approximately perpendicularly.

Die Kollimationseinrichtung 36 kann beispielsweise eine Sammellinse bzw. Konvexlinse, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, oder ein Hohlspiegel sein. Die Kollimationseinrichtung hat eine positive Brennweite fK. In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung kann die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36 größer oder gleich dem Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36 sein, also: f K d AK

Figure DE102016015843B3_0001
The collimation device 36 can be, for example, a converging lens or convex lens, a Fresnel lens, a gradient index lens, an optic consisting of several lenses, or a concave mirror. The collimation device has a positive focal length f K . In a possible embodiment of the invention, the focal length of the collimation device 36 can be greater than or equal to the distance 26 between the expansion device 30 and the collimation device 36, i.e.: f K i.e AK
Figure DE102016015843B3_0001

Dabei ist fK die Brennweite der Kollimationseinrichtung 36, und dAK ist der Abstand 26 zwischen Aufweitungseinrichtung 30 und Kollimationseinrichtung 36. Zu beachten ist dabei, dass der Abstand dAK 26 definiert ist von der Aufweitungseinrichtung 30 zur Hauptebene (bzw. Hauptfläche) der Kollimationseinrichtung 36.In this case, f K is the focal length of the collimation device 36, and d AK is the distance 26 between the expansion device 30 and the collimation device 36. It should be noted that the distance d AK 26 is defined from the expansion device 30 to the main plane (or main surface) of the collimation device 36

Weiterhin kann die Brennweite fK der Kollimationseinrichtung 36 kleiner oder gleich dem folgenden Wert sein: f K d AK SE / ( SE SA )

Figure DE102016015843B3_0002
Furthermore, the focal length f K of the collimation device 36 can be less than or equal to the following value: f K i.e AK SE / ( SE SA )
Figure DE102016015843B3_0002

Dabei ist ØSA der Durchmesser 13 des Laserstrahls 10 im Bereich der Aufweitungseinrichtung 30, und ØSE ist der Durchmesser des Laserstrahls 11, 12 auf der Empfängerfläche 41 bzw. im Bereich der Kollimationseinrichtung 36.Here, Ø SA is the diameter 13 of the laser beam 10 in the area of the expansion device 30, and Ø SE is the diameter of the laser beam 11, 12 on the receiver surface 41 or in the area of the collimation device 36.

Die 4 und 9 zeigen Beispiele mit einer Sammellinse als Kollimationseinrichtung 36. In 10 ist eine Optik bestehend aus zwei Sammellinsen 37 als Kollimationseinrichtung 36 dargestellt. Die 6, 7 und 8 zeigen Beispiel für einen Hohlspiegel als Kollimationseinrichtung 36.the 4 and 9 show examples with a converging lens as collimation device 36. In 10 an optical system consisting of two converging lenses 37 is shown as a collimation device 36 . the 6 , 7 and 8th show an example of a concave mirror as collimation device 36.

In einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung ist eine Strahlführungseinrichtung 33 vorgesehen, die zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 angeordnet ist. Mittels der Strahlführungseinrichtung 33 kann die Auftreff-Position des Strahlflecks auf der Empfängerfläche 41 optimiert werden, indem die Strahlführungseinrichtung 33 den Laserstrahl 11 innerhalb eines gewünschten Querschnitts hält.In a further possible embodiment of the invention, a beam guidance device 33 is provided, which is arranged between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 . The impact position of the beam spot on the receiver surface 41 can be optimized by means of the beam guiding device 33 in that the beam guiding device 33 keeps the laser beam 11 within a desired cross section.

Die Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise als lichtleitendes Prisma, also als Prisma aus einem transparenten Material ausgebildet sein. Das Prisma hat eine Strahl-Eintrittsfläche, eine Strahl-Austrittsfläche, und Seitenflächen. An den Seitenflächen des Prismas werden Teilstrahlen des Laserstrahls 11, die einen sehr großen Winkel zur Achse haben, reflektiert und so in Richtung auf den zentralen Bereich des Strahlungssensors 40 umgelenkt. Die Reflexion an den Seitenflächen des Prismas kann durch Totalreflexion erfolgen. Die Seitenflächen des Prismas können auch verspiegelt sein. Die Strahlführungseinrichtung 33 kann auch eine Kaleidoskop-ähnliche Anordnung von Spiegeln sein. Die 11a, 11 b und 12 zeigen Ausführungsbeispiele der Erfindung mit einer Strahlführungseinrichtung 33. Die Form der Strahlführungseinrichtung 33 kann beispielsweise ein zylindrischer oder konischer Stab, oder ein Stab mit einer dreieckigen, viereckigen, fünfeckigen, sechseckigen oder achteckigen Querschnittsfläche sein. Die Seitenflächen können zur Achse geneigt sein, das heißt, der Querschnitt der Strahl-Austrittsfläche kann größer sein als der Querschnitt der Strahl-Eintrittsfläche. Durch die Neigung der Seitenflächen wird der Winkel zur Achse von Teilstrahlen des Laserstrahls 11 reduziert, die an den Seitenflächen reflektiert werden. Damit kann die Strahlführungseinrichtung 33 eine Reduktion des Winkelspektrums des Laserstrahls 11 bewirken ähnlich wie die Kollimationseinrichtung 36. Die Reduktion des Winkelspektrums durch die Strahlführungseinrichtung kann optimiert werden, indem die Seitenflächen geneigt sind und zusätzlich eine Krümmung aufweisen, wie dies beispielhaft in 13 gezeigt ist.The beam guidance device 33 can be designed, for example, as a light-guiding prism, ie as a prism made of a transparent material. The prism has a beam entrance surface, a jet exit surface, and side surfaces. Partial beams of the laser beam 11, which have a very large angle to the axis, are reflected on the side surfaces of the prism and are thus deflected in the direction of the central region of the radiation sensor 40. The reflection at the side surfaces of the prism can take place by total internal reflection. The side surfaces of the prism can also be mirrored. The beam guiding device 33 can also be a kaleidoscope-like arrangement of mirrors. the 11a , 11 b and 12 12 show exemplary embodiments of the invention with a beam guiding device 33. The shape of the beam guiding device 33 can be, for example, a cylindrical or conical rod, or a rod with a triangular, quadrangular, pentagonal, hexagonal or octagonal cross-sectional area. The side surfaces can be inclined to the axis, that is, the cross section of the jet exit surface can be larger than the cross section of the jet entry surface. Due to the inclination of the side surfaces, the angle to the axis of partial beams of the laser beam 11, which are reflected on the side surfaces, is reduced. The beam guidance device 33 can thus bring about a reduction in the angular spectrum of the laser beam 11 in a similar way to the collimation device 36. The reduction of the angular spectrum by the beam guidance device can be optimized by the side surfaces being inclined and also having a curvature, as is the case, for example, in 13 is shown.

In 13 ist noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung dargestellt, bei der die Aufweitungseinrichtung 30 und die Strahlführungseinrichtung 33 in ein Bauteil integriert sind. Dazu kann die Eintrittsfläche der Strahlführungseinrichtung 33 als Aufweitungseinrichtung 30 ausgebildet sein. Die Eintrittsfläche kann beispielsweise konkav gekrümmt sein, eine Oberfläche mit als Array angeordneten Linsen-Facetten haben, oder eine lichtstreuende Struktur 31 aufweisen.In 13 a further embodiment of the invention is shown, in which the expansion device 30 and the beam guidance device 33 are integrated into one component. For this purpose, the entry surface of the beam guidance device 33 can be designed as an expansion device 30 . The entry surface can, for example, be concavely curved, have a surface with lens facets arranged as an array, or have a light-scattering structure 31 .

Die Erfindung weist gegenüber dem Stand der Technik zahlreiche Vorteile auf:

  • - Die Erfindung ermöglicht die direkte Messung der Leistung oder der Energie eines Laserstrahls ohne Strahl-Abschwächung und kann dadurch eine hohe Genauigkeit erreichen.
  • - Die Leistungs- und/oder Energie-Dichte der Strahlung auf dem Strahlungssensor ist wesentlich reduziert.
  • - Die Erfindung ermöglicht Messungen im Fokus-Bereich eines fokussierten Laserstrahls und hat dadurch einen wesentlich größeren Anwendungsbereich als konventionelle Messgeräte, weil konventionelle Messgeräte weit außerhalb des Fokus-Bereichs positioniert werden müssen, um Beschädigungen des Detektors zu vermeiden.
  • - Der Auftreffwinkel der Strahlung auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel des Laserstrahls annähernd konstant und nahe am senkrechten Einfall gehalten werden, wodurch besonders genaue und reproduzierbare Messungen ermöglicht werden.
  • - Die Auftreffposition des Strahlquerschnitts auf der Empfängerfläche des Strahlungssensors kann unabhängig vom Eintrittswinkel und von der Eintrittsposition des Laserstrahls in einem engen Bereich und nahe am Zentrum des Strahlungssensors gehalten werden, wodurch Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messungen weiter gesteigert werden können.
  • - Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann sehr kompakt aufgebaut werden.
The invention has numerous advantages over the prior art:
  • - The invention enables the direct measurement of the power or energy of a laser beam without beam attenuation and can thereby achieve high accuracy.
  • - The power and/or energy density of the radiation on the radiation sensor is significantly reduced.
  • - The invention enables measurements in the focus area of a focused laser beam and thus has a much larger area of application than conventional measuring devices, because conventional measuring devices must be positioned far outside the focus area in order to avoid damage to the detector.
  • - The angle of incidence of the radiation on the receiver surface of the radiation sensor can be kept almost constant and close to vertical incidence, regardless of the angle of incidence of the laser beam, which enables particularly precise and reproducible measurements.
  • - The impact position of the beam cross-section on the receiving surface of the radiation sensor can be kept in a narrow range and close to the center of the radiation sensor, regardless of the angle of incidence and the entry position of the laser beam, which can further increase the accuracy and reproducibility of the measurements.
  • - The device according to the invention can be very compact.

Die Erfindung kann entsprechend der weiter aufgeführten Ausführungsformen und den weiteren aufgeführten Merkmalen auf verschiedenste Weise vorteilhaft fortgebildet werden, ohne den Bereich und die Aufgabe der Erfindung zu verlassen. Durch unterschiedliche Kombinationen der beschriebenen Merkmale sind weitere Ausführungsformen der Erfindung vorgesehen, auch wenn nicht jede mögliche Ausführungsform beschrieben oder in Figuren dargestellt ist.The invention can advantageously be further developed in a wide variety of ways in accordance with the further listed embodiments and the further listed features, without departing from the scope and the object of the invention. Further embodiments of the invention are provided by different combinations of the features described, even if not every possible embodiment is described or illustrated in figures.

Bei einer Ausführung des Strahlungssensors 40 als kalorimetrischer Sensor kann der Absorptionskörper 44 auf verschiedenste Art ausgebildet sein. Der Absorptionskörper kann beispielsweise ein Hohlraum-Absorber sein. Der Hohlraum kann unterschiedlich geformt sein. Der Absorptionskörper 44 kann konisch oder kegelförmig gestaltet sein, wie in 14 dargestellt. Der Absorptionskörper 44 kann auch eine konkav gewölbte Empfängerfläche aufweisen.In the case of an embodiment of the radiation sensor 40 as a calorimetric sensor, the absorption body 44 can be designed in the most varied of ways. The absorption body can be a cavity absorber, for example. The cavity can be shaped in different ways. The absorption body 44 can be conical or cone-shaped, as in 14 shown. The absorption body 44 can also have a concave receiver surface.

Der Absorptionskörper 44 kann auch ein einseitig geöffneter Hohlzylinder sein, wie in den 15 und 16 gezeigt. Es kann dabei vorgesehen sein, die Strahlung hauptsächlich an den zylindrischen Innenflächen eines Hohlzylinders zu absorbieren. Dazu kann ein Teilbereich 42 der Empfängerfläche 41 reflektierend ausgebildet sein. Der reflektierende Teilbereich 42 kann im Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des Hohlzylinders sein. Der Bereich der Grundfläche oder Bodenfläche des Hohlzylinders kann die Form eines flachen Kegels aufweisen, um die dort auftreffende Strahlung zur zylindrischen Innenfläche zu reflektieren.The absorption body 44 can also be a hollow cylinder open on one side, as in FIGS 15 and 16 shown. It can be provided that the radiation is mainly absorbed on the cylindrical inner surfaces of a hollow cylinder. For this purpose, a partial area 42 of the receiver surface 41 can be designed to be reflective. The reflective partial area 42 can be in the area of the base area or floor area of the hollow cylinder. The area of the base or bottom surface of the hollow cylinder can have the shape of a flat cone in order to reflect the radiation impinging there towards the cylindrical inner surface.

Der als kalorimetrischer Sensor ausgeführte Strahlungssensor 40 kann auch mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet sein. Bei der Kühleinrichtung 70 wird ein Kühlmittel 77 durch einen Kühlmittel-Einlass 72 zugeführt und durch einen Kühlmittel-Auslass 74 abgeführt. Zwischen Kühlmittel-Einlass 72 und Kühlmittel-Auslass 74 wird das Kühlmittel 77 durch ein System aus Rohren, Bohrungen, Kanälen oder sonstigen Hohlräumen geleitet, welche zumindest teilweise in thermischem Kontakt mit dem Absorptionskörper 44 stehen, oder durch den Absorptionskörper 44 führen. Das Kühlmittel 77 nimmt somit die Wärme des Absorptionskörpers 44 auf und führt sie ab. Der Temperatursensor 46 ist angeordnet an einer Stelle, an der das Kühlmittel 77 aus dem Absorptionskörper 44 ausgeleitet wird, und registriert somit die Temperatur des aufgewärmten Kühlmittels.The radiation sensor 40 designed as a calorimetric sensor can also be equipped with a cooling device 70 . At the refrigerator A coolant 77 is supplied to device 70 through a coolant inlet 72 and discharged through a coolant outlet 74 . Between the coolant inlet 72 and the coolant outlet 74 the coolant 77 is conducted through a system of pipes, bores, channels or other cavities which are at least partially in thermal contact with the absorption body 44 or lead through the absorption body 44 . The coolant 77 thus absorbs the heat of the absorption body 44 and dissipates it. The temperature sensor 46 is arranged at a point where the coolant 77 is discharged from the absorption body 44 and thus registers the temperature of the heated coolant.

Die Erfindung kann kann weiterhin einen zweiten Temperatursensor 48 beinhalten. Der zweite Temperatursensor 48 ist in der Umgebung des Strahlungssensors 40 angeordnet und ist nicht mit dem Absorptionskörper 44 thermisch gekoppelt. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit eine zweite Temperatur in der Umgebung des Strahlungssensors 40 bzw. des Absorptionskörpers 44. Der zweite Temperatursensor 48 kann dazu an der Halterung 20 bzw. an der oder in der als Gehäuse ausgeführten Halterung 20 befestigt sein, wie in der 9 dargestellt. Durch Erfassung der zweiten Temperatur kann die Temperaturerhöhung des Absorptionskörpers 44, aus der die Leistung oder die Energie des Laserstrahls berechnet wird, genauer bestimmt werden. Außerdem kann durch Erfassung der zweiten Temperatur die Größe der unkontrollierten Wärmeströme des Absorptionskörpers 44 in die Umgebung abgeschätzt werden und damit die Genauigkeit der Berechnung der Leistung oder der Energie des Laserstrahls verbessert werden.The invention may further include a second temperature sensor 48 . The second temperature sensor 48 is arranged in the vicinity of the radiation sensor 40 and is not thermally coupled to the absorption body 44 . The second temperature sensor 48 thus detects a second temperature in the vicinity of the radiation sensor 40 or the absorption body 44. The second temperature sensor 48 can be attached to the holder 20 or on or in the holder 20 designed as a housing, as in FIG 9 shown. By detecting the second temperature, the increase in temperature of the absorption body 44, from which the power or the energy of the laser beam is calculated, can be determined more precisely. In addition, by detecting the second temperature, the size of the uncontrolled heat flows of the absorption body 44 into the environment can be estimated and the accuracy of the calculation of the power or the energy of the laser beam can thus be improved.

Wenn der Strahlungssensor 40 mit einer Kühleinrichtung 70 ausgestattet ist, dann kann der zweite Temperatursensor 48 an einer Stelle in der Kühlmittelzuführung angeordnet sein, bevor das Kühlmittel in den Absorptionskörper 44 eingeleitet wird. Der zweite Temperatursensor 48 erfasst somit die Basistemperatur bzw. Vorlauftemperatur des Kühlmittels 77. Aus der Temperaturdifferenz von Temperatursensor 46 und zweitem Temperatursensor 48 kann somit die abgeführte Wärme und damit die Leistung des Laserstrahls 10, 11, 12 bestimmt werden. Entsprechende Ausführungsbeispiele zeigen die 16 und 17.If the radiation sensor 40 is equipped with a cooling device 70, then the second temperature sensor 48 can be arranged at a point in the coolant supply before the coolant is introduced into the absorption body 44. The second temperature sensor 48 thus detects the base temperature or flow temperature of the coolant 77. From the temperature difference between the temperature sensor 46 and the second temperature sensor 48, the heat dissipated and thus the power of the laser beam 10, 11, 12 can be determined. Corresponding exemplary embodiments show the 16 and 17 .

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann weiterhin mit einem Lichtsensor 56 ausgestattet sein. Der Lichtsensor 56 ist ausgebildet zur Erfassung eines geringen, aus dem Laserstrahl 10, 11, 12 gebildeten Strahlungs-Anteils. Bei dem geringen Strahlungs-Anteil kann es sich beispielsweise um Streulicht 19 handeln, das zu einem kleinen Anteil an der Empfängerfläche 41 des Strahlungssensors 40 erzeugt wird, wenn der Laserstrahl 10, 11, 12 auf die Empfängerfläche 41 trifft. Der Lichtsensor 56 kann so angeordnet sein, dass die Empfängerfläche 41 wenigstens teilweise im geometrisch-optischen Licht-Erfassungsbereich des Lichtsensors 56 liegt. Der Lichtsensor 56 kann dazu beispielsweise an der Halterung 20 oder im Gehäuse im Bereich zwischen der Aufweitungseinrichtung 30 und dem Strahlungssensor 40 befestigt sein.The device according to the invention can also be equipped with a light sensor 56 . The light sensor 56 is designed to detect a small portion of the radiation formed by the laser beam 10 , 11 , 12 . The small proportion of radiation can be, for example, scattered light 19 that is generated to a small extent on the receiving surface 41 of the radiation sensor 40 when the laser beam 10 , 11 , 12 strikes the receiving surface 41 . The light sensor 56 can be arranged in such a way that the receiving surface 41 lies at least partially in the geometric-optical light detection range of the light sensor 56 . For this purpose, the light sensor 56 can be fastened, for example, to the holder 20 or in the housing in the area between the expansion device 30 and the radiation sensor 40 .

Das Signal des Lichtsensors 56 ist näherungsweise proportional zur Leistung des eingestrahlten Laserstrahls 10. Als Lichtsensor 56 kann beispielsweise eine Fotodiode verwendet werden. Eine Fotodiode hat eine sehr kurze Signal-Anstiegszeit und liefert somit Signale mit einer sehr hohen zeitlichen Auflösung. Anhand des Signals des Lichtsensors 56 können der Beginn und das Ende eines Pulses oder eines Bestrahlungszeitraumes des Laserstrahls 10 sehr genau registriert werden. Damit kann die Leistung des Laserstrahls 10 mit noch höherer Genauigkeit bestimmt werden.The signal from the light sensor 56 is approximately proportional to the power of the incident laser beam 10. A photodiode, for example, can be used as the light sensor 56. A photodiode has a very short signal rise time and thus supplies signals with a very high temporal resolution. The start and end of a pulse or an irradiation period of the laser beam 10 can be registered very precisely on the basis of the signal from the light sensor 56 . The power of the laser beam 10 can thus be determined with even greater accuracy.

Die Vorrichtung kann mit einer elektronischen Recheneinheit 60 ausgestattet sein. Die elektronische Recheneinheit 60 verarbeitet das elektrische Signal 47 des Strahlungssensors 40. Die elektronische Recheneinheit kann gegebenenfalls auch die Signale des zweiten Temperatursensors 48 sowie des Lichtsensors 56 verarbeiten, wenn diese vorgesehen sind. Die Verarbeitung der Signale kann beispielsweise die A/ D-Wandlung und Speicherung der Signale und/oder die Berechnung der Leistung bzw. der Energie des Laserstrahls 10 einschließen.The device can be equipped with an electronic computing unit 60 . The electronic processing unit 60 processes the electrical signal 47 of the radiation sensor 40. The electronic processing unit can optionally also process the signals of the second temperature sensor 48 and the light sensor 56, if these are provided. The processing of the signals can include, for example, the A/D conversion and storage of the signals and/or the calculation of the power or the energy of the laser beam 10 .

Die Vorrichtung kann weiterhin mit einer Anzeigeeinrichtung 64 ausgestattet sein. Mittels der Anzeigeeinrichtung können die berechneten Daten, also die Leistung oder die Energie des Laserstrahls 10 angezeigt werden.The device can also be equipped with a display device 64 . The calculated data, ie the power or the energy of the laser beam 10, can be displayed by means of the display device.

Die Vorrichtung kann auch mit einer Schnittstelle 62 ausgestattet sein. Mittels der Schnittstelle 62 können die berechneten Daten, also beispielsweise die Leistung oder die Energie des Laserstrahls, oder die aufgezeichneten Signale an ein externes Gerät übermittelt werden. Über die Schnittstelle 62 können auch Steuerbefehle zwischen der Vorrichtung und einem externen Gerät ausgetauscht werden. Die Schnittstelle 62 kann eine elektrische Schnittstelle mit einem Steckverbinder sein, wie beispielsweise eine USB-Schnittstelle. Die Schnittstelle 62 kann auch eine drahtlose Schnittstelle sein, die eine Datenübertragung mittels Funksignale ermöglicht, zum Beispiel eine sogenannte Bluetooth-Schnittstelle.The device can also be equipped with an interface 62 . The calculated data, for example the power or the energy of the laser beam, or the recorded signals can be transmitted to an external device by means of the interface 62 . Control commands can also be exchanged between the device and an external device via the interface 62 . Interface 62 may be an electrical interface with a connector, such as a USB interface. The interface 62 can also be a wireless interface that enables data transmission using radio signals, for example a so-called Bluetooth interface.

BezugszeichenlisteReference List

1010
Laserstrahllaser beam
1111
propagierender Laserstrahl mit erhöhtem Winkelspektrumpropagating laser beam with increased angle spectrum
1212
propagierender Laserstrahl mit verringertem Winkelspektrumpropagating laser beam with reduced angular spectrum
1313
Durchmesser des Laserstrahls im Bereich der AufweitungseinrichtungDiameter of the laser beam in the area of the expansion device
1414
Durchmesser des Laserstrahls auf der EmpfängerflächeDiameter of the laser beam on the receiver surface
1616
virtueller Verlauf des Laserstrahls ohne Aufweitungseinrichtungvirtual path of the laser beam without expansion device
1717
Durchmesser des virtuellen Laserstrahls ohne AufweitungseinrichtungDiameter of the virtual laser beam without expansion device
1919
Streulichtscattered light
2020
Halterungbracket
2525
Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und StrahlungssensorDistance between expansion device and radiation sensor
2626
Abstand zwischen Aufweitungseinrichtung und KollimationseinrichtungDistance between expander and collimator
2727
Abstand zwischen Kollimationseinrichtung und StrahlungssensorDistance between collimation device and radiation sensor
3030
Aufweitungseinrichtungexpansion device
3131
lichtstreuende Strukturlight-diffusing structure
3333
Strahlführungseinrichtungbeam guiding device
3636
Kollimationseinrichtungcollimation device
3737
Sammellinseconverging lens
3939
Optische Achse von Aufweitungseinrichtung und StrahlungssensorOptical axis of expansion device and radiation sensor
4040
Strahlungssensorradiation sensor
4141
Empfängerflächereceiver surface
4242
Teil der Empfängerflächepart of the receiver surface
4444
Absorptionskörperabsorption body
4646
Temperatursensortemperature sensor
4747
elektrisches Signalelectrical signal
4848
zweiter Temperatursensorsecond temperature sensor
5656
Lichtsensorlight sensor
6060
elektronische Recheneinheitelectronic computing unit
6262
Schnittstelleinterface
6464
Anzeigeeinrichtungdisplay device
7070
Kühleinrichtungcooling device
7272
Kühlmittel-Einlasscoolant inlet
7474
Kühlmittel-Auslasscoolant outlet
7777
Kühlmittelcoolant

Claims (15)

Vorrichtung zur Messung einer Leistung und/oder einer Energie eines Laserstrahls (10), umfassend einen Strahlungssensor (40), eine Aufweitungseinrichtung (30), und eine Halterung (20), wobei der Strahlungssensor (40) eine Empfängerfläche (41) aufweist und zur Erzeugung eines elektrischen Signals (47) ausgebildet ist, welches von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10) abhängig ist, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) zueinander an der Halterung (20) angeordnet sind zur Ausbildung eines propagierenden Laserstrahls (11) zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) dazu ausgebildet ist, ein Winkelspektrum des Laserstrahls (10) zu erhöhen, wobei die Aufweitungseinrichtung (30) ein Linsen-Array ist, wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, wobei der Temperatursensor (46) mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist, und wobei die Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) wenigstens 90% einer Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) umschließt.Device for measuring power and/or energy of a laser beam (10), comprising a radiation sensor (40), an expansion device (30), and a holder (20), the radiation sensor (40) having a receiver surface (41) and for Generating an electrical signal (47) which depends on the power of the laser beam (10) or on the energy of the laser beam (10), the expansion device (30) and the radiation sensor (40) being at a distance (25) from one another are arranged on the mount (20) to form a propagating laser beam (11) between the expansion device (30) and the radiation sensor (40), the expansion device (30) being designed to increase an angular spectrum of the laser beam (10), wherein the expansion device (30) is a lens array, with a diameter of the propagated laser beam (11, 12) on the receiver surface (41) being larger than a diameter of the laser beam (10) in the area of the expansion device (30), the radiation sensor (40) comprising an absorption body (44) and a temperature sensor (46), the temperature sensor (46) being thermally coupled to the absorption body (44), and the receiver surface (41) of the radiation sensor (40) encloses at least 90% of a cross-sectional area of the propagated laser beam (11, 12). Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei die Halterung (20) ausgebildet ist als ein Gehäuse, welches die Aufweitungseinrichtung (30) und den Strahlungssensor (40) umschließt und eine Öffnung hin zur Aufweitungseinrichtung (30) aufweist.device after claim 1 , wherein the holder (20) is designed as a housing which encloses the expansion device (30) and the radiation sensor (40) and has an opening towards the expansion device (30). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei der Strahlungssensor (40) dazu ausgebildet ist, eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität als Integralwert zu erfassen.Device according to one of Claims 1 or 2 , wherein the radiation sensor (40) is designed to detect an intensity that varies locally within a cross section of the laser beam (10) as an integral value. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, weiterhin umfassend einen Lichtsensor (56), der ausgebildet ist, einen geringen Anteil des Laserstrahls (10, 11, 12) oder einen Streulicht-Anteil des Laserstrahls (10, 11, 12) zu erfassen.Device according to one of Claims 1 until 3 , further comprising a light sensor (56), which is designed to detect a small portion of the laser beam (10, 11, 12) or a scattered light portion of the laser beam (10, 11, 12). Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine Kollimationseinrichtung (36) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 until 4 , A collimation device (36) being arranged between the expansion device (30) and the radiation sensor (40). Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die Kollimationseinrichtung (36) eine Sammellinse, eine Optik bestehend aus mehreren Linsen, eine Fresnel-Linse, eine Gradientenindexlinse, oder einen Hohlspiegel umfasst.device after claim 5 , Wherein the collimation device (36) comprises a converging lens, an optic consisting of several lenses, a Fres nel lens, a gradient index lens, or a concave mirror. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) eine Strahlführungseinrichtung (33) angeordnet ist.Device according to one of Claims 1 until 6 , A beam guiding device (33) being arranged between the expanding device (30) and the radiation sensor (40). Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Strahlführungseinrichtung (33) ein lichtleitendes Prisma, ein Innenzylinderspiegel, ein Innenkonusspiegel, oder eine Kaleidoskop-artige Spiegelanordnung ist.device after claim 7 , wherein the beam guiding device (33) is a light-guiding prism, an inner cylinder mirror, an inner cone mirror, or a kaleidoscope-like mirror arrangement. Verfahren zur Messung einer Leistung und/oder einer Energie eines Laserstrahls (10), umfassend die folgenden Verfahrensschritte: - Erhöhen eines Winkelspektrums des Laserstrahls (10) mittels einer Aufweitungseinrichtung (30), wobei das Erhöhen des Winkelspektrums des Laserstrahls (10) mittels eines Linsenarrays erfolgt, - Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zu einem Strahlungssensor (40) mit einer Empfängerfläche (41), wobei die Aufweitungseinrichtung (30) und der Strahlungssensor (40) mit einem Abstand (25) zueinander an einer Halterung (20) angeordnet sind, wobei der Strahlungssensor (40) einen Absorptionskörper (44) und einen Temperatursensor (46) umfasst, - Erfassen von wenigstens 90% einer Querschnittsfläche des propagierten Laserstrahls (11, 12) mittels der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40), wobei ein Durchmesser des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) größer ist als ein Durchmesser des Laserstrahls (10) im Bereich der Aufweitungseinrichtung (30), wobei das Erfassen von wenigstens 90% der Querschnittsfläche des Laserstrahls (11, 12) mittels der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) erfolgt durch Absorbieren des überwiegenden Anteils des auf die Empfängerfläche (41) auftreffenden Laserstrahls (11, 12) mittels des Absorptionskörpers (44), - Erzeugen eines elektrischen Signals (47) mittels des Strahlungssensors (40) in Abhängigkeit von der Leistung des Laserstrahls (10) oder von der Energie des Laserstrahls (10), wobei das Erzeugen des elektrischen Signals (47) in Abhängigkeit von der Leistung oder von der Energie des Laserstrahls (10) durch den Temperatursensor (46) erfolgt, der mit dem Absorptionskörper (44) thermisch gekoppelt ist.Method for measuring a power and/or an energy of a laser beam (10), comprising the following method steps: - increasing an angular spectrum of the laser beam (10) by means of an expansion device (30), the increasing of the angular spectrum of the laser beam (10) taking place by means of a lens array, - Propagation of the laser beam (10) from the expansion device (30) to a radiation sensor (40) with a receiving surface (41), the expansion device (30) and the radiation sensor (40) being at a distance (25) from one another on a holder (20 ) are arranged, wherein the radiation sensor (40) comprises an absorption body (44) and a temperature sensor (46), - Detection of at least 90% of a cross-sectional area of the propagated laser beam (11, 12) by means of the receiver surface (41) of the radiation sensor (40), a diameter of the propagated laser beam (11, 12) on the receiver surface (41) being larger than a diameter of the laser beam (10) in the area of the expansion device (30), with at least 90% of the cross-sectional area of the laser beam (11, 12) being detected by means of the receiver surface (41) of the radiation sensor (40) by absorbing the majority of the light on the receiver surface (41) incident laser beam (11, 12) by means of the absorption body (44), - Generating an electrical signal (47) by means of the radiation sensor (40) as a function of the power of the laser beam (10) or of the energy of the laser beam (10), wherein the generation of the electrical signal (47) as a function of the power or of the energy of the laser beam (10) takes place through the temperature sensor (46), which is thermally coupled to the absorption body (44). Verfahren nach Anspruch 9, wobei eine innerhalb eines Querschnitts des Laserstrahls (10) örtlich variierende Intensität durch den Strahlungssensor (40) als Integralwert erfasst wird.procedure after claim 9 , wherein an intensity that varies locally within a cross section of the laser beam (10) is detected by the radiation sensor (40) as an integral value. Verfahren nach Anspruch 9, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Bestimmen der Energie oder der Leistung des Laserstrahls (10) aus einer Differenz von Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende eines Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10).procedure after claim 9 , further comprising the method step: - determining the energy or the power of the laser beam (10) from a difference in temperatures of the absorption body (44) after the end of irradiation of the laser beam (10) and before the start of irradiation of the laser beam (10). Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Erfassen eines geringen Anteils des Laserstrahls (10, 11, 12) oder eines Streulicht-Anteils des Laserstrahls (10, 11, 12) mittels eines Lichtsensors (56).Procedure according to one of claims 9 until 11 , further comprising the method step: - detecting a small portion of the laser beam (10, 11, 12) or a scattered light portion of the laser beam (10, 11, 12) by means of a light sensor (56). Verfahren nach Anspruch 12, weiterhin umfassend die Verfahrensschritte: - Bestimmen der Energie des Laserstrahls (10) aus der Differenz der Temperaturen des Absorptionskörpers (44) nach Ende des Einstrahlens des Laserstrahls (10) und vor Beginn des Einstrahlens des Laserstrahls (10), - Bestimmen einer Bestrahlungsdauer des Laserstrahls (10) aus einem Verlauf eines Signals des Lichtsensors (56), - Bestimmen einer Leistung des Laserstrahls (10) durch Division der Energie und der Bestrahlungsdauer.procedure after claim 12 , further comprising the method steps: - determining the energy of the laser beam (10) from the difference in the temperatures of the absorption body (44) after the end of the irradiation of the laser beam (10) and before the beginning of the irradiation of the laser beam (10), - determining an irradiation duration of the Laser beam (10) from a course of a signal from the light sensor (56), - determining a power of the laser beam (10) by dividing the energy and the irradiation time. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei das Propagieren des Laserstrahls (10) von der Aufweitungseinrichtung (30) zum Strahlungssensor (40) in zwei Abschnitten erfolgt und zwischen den beiden Abschnitten das Winkelspektrum des propagierenden Laserstrahls (11) verringert wird mittels einer Kollimationseinrichtung (36), welche zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) angeordnet ist.Procedure according to one of claims 9 until 13 , wherein the propagation of the laser beam (10) from the expansion device (30) to the radiation sensor (40) takes place in two sections and between the two sections the angular spectrum of the propagating laser beam (11) is reduced by means of a collimation device (36) which is located between the expansion device (30) and the radiation sensor (40) is arranged. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, weiterhin umfassend den Verfahrensschritt: - Zentrieren des propagierten Laserstrahls (11, 12) auf der Empfängerfläche (41) des Strahlungssensors (40) mittels einer Strahlführungseinrichtung (33), welches zwischen der Aufweitungseinrichtung (30) und dem Strahlungssensor (40) angeordnet ist.Procedure according to one of claims 9 until 14 , further comprising the method step: - centering the propagated laser beam (11, 12) on the receiver surface (41) of the radiation sensor (40) by means of a beam guiding device (33) which is arranged between the expansion device (30) and the radiation sensor (40).
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