DE102016015843B3 - Beam power measurement with widening using a lens array - Google Patents
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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
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
Aus dem Patent
Eine weitere übliche Methode zur indirekten Messung ist das Auskoppeln eines kleinen Strahl-Anteils für die Messung. Eine Vorrichtung dieser Art ist in der
Eine weiterentwickelte Vorrichtung ähnlicher Art mit mehreren Reflexionen in verschiedenen Ebenen zeigt die
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
Die Druckschrift
Ein Beispiel für ein Laserleistungsmessgerät mit einem luftgekühlten Messkopf zeigt das Patent
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
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
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:
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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 in7 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 in9 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 in11a , 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.
-
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 FIG7 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 in9 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 FIG11a , 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
In
In
Ein Ausführungsbeispiel der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist in
Die
Noch ein weiteres nicht von der Erfindung umfasstes Ausführungsbeispiel ist in
In
Die
In
In
Ein Ausführungsbeispiel der ersten Ausführungsform, welches auch zur kontinuierlichen Messung der Leistung des Laserstrahls 10 geeignet ist, ist in
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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
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:
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
Weiterhin kann die Brennweite fK der Kollimationseinrichtung 36 kleiner oder gleich dem folgenden Wert sein:
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
Die
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
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
In
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 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
Der Absorptionskörper 44 kann auch ein einseitig geöffneter Hohlzylinder sein, wie in den
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
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
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
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
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
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
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
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
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)
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DE102016015843.3A DE102016015843B3 (en) | 2016-08-05 | 2016-08-05 | Beam power measurement with widening using a lens array |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE102016015843.3A Active DE102016015843B3 (en) | 2016-08-05 | 2016-08-05 | Beam power measurement with widening using a lens array |
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