DE19737914C1

DE19737914C1 - Energiemeßinstrument für gepulste Laser

Info

Publication number: DE19737914C1
Application number: DE1997137914
Authority: DE
Inventors: Steven Dr Wright; Heinrich Stevens
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1997-08-26
Filing date: 1997-08-26
Publication date: 1998-11-26
Anticipated expiration: 2017-08-27
Also published as: WO1999010716A3; WO1999010716A2

Description

Die Erfindung betrifft ein Instrument entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Wie aus einer aktuellen Marktübersicht lasertechnischer Geräte festzustellen ist, arbeiten alle gängigen breitbandigen Laserenergiemeßgeräte auf dem Prinzip der Kalorimetrie [1]. In diesen Geräten dient ein stark lichtabsorbierendes Material als Detektorfläche und wird durch den auf treffenden Laserstrahl erwärmt. Anschließend wird das Maß der Erwärmung durch ein geeig netes Thermometer gemessen. Das Absorbermaterial muß so ausgewählt werden, daß das Licht möglichst vollständig absorbiert wird, damit eine gute Empfindlichkeit erzielt werden kann. Desweiteren muß die Erwärmung in Abhängigkeit der Laserwellenlänge sehr konstant sein, um ein ständiges Kalibrieren des Instruments bei der Anwendung mit verschiedenen Lasertypen zu erübrigen. Der physikalische Effekt, den diese Instrumente zur Durchführung der kalorimetrische Messung ausnutzen, ist in der Regel entweder der thermoelektrische Effekt in Metallen oder der pyroelektrische Effekt in Ferroelektrika.

Bei dem thermoelektrischen Effekt leitet eine Schleife, bestehend aus zwei Teilstücken unter schiedlicher Metalle, spontan einen Strom, wenn die zwei Metall/Metall-Übergänge auf unter schiedlichen Temperaturen gehalten werden. Die interne elektrische Spannung, die diesen Strom aufrecht erhält, ist proportional dem Temperaturunterschied an den beiden Übergängen. Indem einer dieser Übergänge auf einer festen Temperatur gehalten wird, kann das System als Temperaturmeßgerät verwendet werden. Diese Methode kann also sowohl für die Messung der Leistung von Dauerstrichlasern als auch für die Messung der Energie von gepulsten Lasern angewendet werden. Da der Effekt relativ klein ist (der größte "Seebeck Koeffizient", der die erzeugte Spannung pro Grad Temperaturunterschied angibt, beträgt etwa 100 µV/°C mit Wismut/Antimon-Übergängen), wird zur Erhöhung der gesamten Empfindlichkeit in der Regel eine Reihenschaltung mehrerer Thermoelemente verwendet (Thermosäule).

Pyroelektrische Detektoren verwenden Ferroelektrika (z. B. Triglyzinsulfat, Strontium-Barium- Niobat oder Lithium-Tantalat) als Absorbermaterial. Ferroelektrika, die sich unterhalb ihres Curiepunktes befinden, weisen ein permanentes internes elektrisches Dipolmoment auf. Makro skopische Proben dieser Substanzen weisen aber extern kein Dipolmoment auf, denn im Gleichgewicht wandern die freien Ladungsträger der Probe zur Oberfläche und verteilen sich so, daß das makroskopische Dipolmoment verschwindet. Wird aber die Temperatur der Probe geändert, so ändert sich auch das interne Dipolmoment, und die Oberflächenladung ändert sich entsprechend zur Wiederherstellung des Gleichgewichtszustandes. Durch geeignete elektro nische Schaltungen - entweder ein Transistor mit einem Widerstand parallel zum Ferroelek trikum, um aus der Ladungsänderung eine Spannung zu erzeugen, oder mit einer Transimpe danzschaltung, um einen Strom als Signal zu erzeugen - kann die in Abhängigkeit der zeitlichen Rate der Erwärmung der Probe hervorgerufene Ladungsänderung nachgewiesen werden. Auf grund der Tatsache, daß nur eine Änderung der Oberflächenladung nachgewiesen wird, können Detektoren dieser Bauart nur zum Nachweis von Lichtintensitätsänderungen verwendet wer den, also für modulierte Dauerstrichlaser oder für gepulste Laser.

Eine weitere Bauart thermischer Detektoren sind Bolometer, die allerdings auf dem Markt keinen großen Absatz finden. Diese Detektoren nutzen die Temperaturabhängigkeit des Wider stands von Materialien aus. Üblicherweise werden Thermistoren, Mischungen aus Nickel-, Mangan- und Kobaltoxiden als Absorber verwendet, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet werden, um die Widerstandsänderungen nachzuweisen. Typische Temperaturkoeffizienten dieser Substanzen liegen bei etwa -0,05/°C.

Die Wahl des Absorbermaterials wird im wesentlichen getroffen, um den Koeffizient des ent sprechenden Effekts zu maximieren (Seebeck Koeffizient für thermoelektrische Detektoren, pyroelektrischer Koeffizient für pyroelektrische Detektoren, bzw. Temperaturkoeffizient für Bolometer). Zur Optimierung der Empfindlichkeit stehen eine Reihe von Parametern zur Verfügung:
die Absorptivität des Absorbers
die thermische Kopplung Absorber/"Thermometer"
die Wärmekapazität des Absorbers.

Um die Temperaturerhöhung für eine gegebene Lichtenergie zu maximieren, muß der Absorber eine hohe Absorptivität aufweisen. Diese Optimierungsstrategie ist allen Energiemeßgerät entwicklungen gemeinsam und wird in der Regel erreicht, indem die Oberfläche des Absorber materials geschwärzt bzw. ein natürlich schwarzer Absorber gewählt wird. Das gewährleistet auch, daß der Anteil der absorbierten Lichtenergie weitgehend wellenlängenunabhängig ist.

Die thermische Kopplung Absorber/"Thermometer" und die Wärmekapazität des Absorbers stellen andererseits Parameter dar, deren Optimierung für thermoelektrische Detektoren und Bolometer nur durch Kompromisse erzielt werden können. Da diese Detektoren die Tempera turerhöhung aufgrund der aus dem Licht zugeführten Wärmemenge nachweisen, ist eine geringe thermische Leitfähigkeit zur Umgebung hin sowie eine geringe Wärmekapazität er wünscht, damit die Temperaturerhöhung für eine gegebene Lichtenergie maximiert wird. Eine geringe thermische Leitfähigkeit führt andererseits aber dazu, daß die gespeicherte Wärme menge nur langsam abgeführt werden kann. Dadurch aber wird der Frequenzgang des Systems beeinträchtigt: das System kann schnell wechselnde Lichtintensitäten nur kumulativ verarbeiten, was zur Folge hat, daß die Pulswiederholrate für Einzelpulsmessungen reduziert werden muß. Technisch wird die Verminderung der thermischen Leitfähigkeit dadurch erreicht, daß die Zuleitungen zu der nachgeschalteten Elektronik sehr dünn ausgeführt werden. Diese dünnen Leitungen stellen eine mechanische Schwachstelle dar. Pyroelektrische Detektoren leiden nicht unter dieser Kompromißnotwendigkeit, denn sie reagieren nur auf Oberflächenladungsänderungen, d. h., daß die Grundpegelkomponenten ohnehin nicht nachgewiesen werden.

Eine geringe Wärmekapazität des Absorbers zwecks Erhöhung der Temperaturempfindlichkeit wird dadurch realisiert, daß der Absorber sehr dünn hergestellt wird. Dies verschlechtert aber die mechanische Stabilität des Instruments und verringert auch die ohne Oberflächenzerstörung meßbare Lichtmenge, ein weiterer Kompromiß, der auch für die Entwicklung pyroelektrischer Detektoren gilt.

Bei den pyroelektrischen Detektoren ist ein weiterer Nachteil, daß sie empfindlich auf Körper schall reagieren, denn bei diesen Detektoren, deren Nachweiselement ein großflächiger Kon densator darstellt, ist die Oberflächenladung auch eine Funktion der Dicke des Absorbers, und wird somit durch Vibrationen beeinflußt.

Für alle drei der oben genannten Detektorarten ist ein wesentlicher Nachteil, daß der Absorber und das Thermometer eine Einheit bilden. Das bedeutet, daß eine Zerstörung bzw. Beschä digung der Absorberoberfläche aufgrund zu hohen Energieeintrag zur Folge hat, daß die Repa ratur des Instruments aufivendig und teuer ist. In vielen Fällen übersteigen die Kosten einer Reparatur die Kosten eines neuen Meßkopfes. Deshalb neigen bei einer bloßen Beschädigung der Absorber viele Benutzer dazu, den Kopf ohne Reparatur weiter zu benutzen, obwohl die Ergebnisse der Energiemessung nunmehr unsicher sind.

Für Messungen sehr geringer Leistungen bzw. Energien sind Golay-Zellen [2], [3] kommerziell erhältlich, allerdings nur zu einem sehr geringen Marktanteil. Diese Detektoren nutzen den photoakustischen Effekt [4] zum Nachweis aus, wobei die Druckänderungen optisch nachge wiesen werden. Eine verspiegelte Membran wird durch die Druckschwankungen ausgelenkt und die Änderung des Strahlengangs einer zusätzlichen von der Membran reflektierten Licht quelle nachgewiesen. Die Konstruktion von Detektoren dieser Bauart ist kompliziert und die Geräte sind entsprechend störanfallig und wenig robust.

Desweiteren ist ein Sensor für elektromagnetische Strahlung, der den photoakustischen Effekt ausnutzt, bekannt (DE 195 40 236 A1). Jedoch ist dieser Sensor für die Messung der Leistung kontinuierlicher Strahlung gedacht und scheint in dieser Ausführung für die Messung von Pulsenergien ungeeignet. Auch für den hier genannten Detektor ist ein wesentlicher Nachteil, daß der Absorber und die Meßzelle eine Einheit bilden; Das bedeutet, daß eine Zerstörung bzw. Beschädigung der Absorberoberfläche aufgrund zu hohen Energieeintrag zur Folge hätte, daß die Reparatur des Instruments aufwendig und teuer wäre.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen breitbandigen Detektor (UV bis mittleres IR) mit hoher Energieauflösung zu schaffen, bei dem die kalorimetrische Messung auf der Basis des photoakustischen Effekts arbeitet [5]. In einem geschlossenen Hohlraum mit einem Fenster als Lichteintrittsfläche dient eine schwarze, poröse Substanz als Absorber und ein Mikrofon als Detektor.

Durch Absorption des Lichtpulses wird die unmittelbare Oberfläche des Absorbers erwärmt. Diese Erwärmung überträgt sich rasch auf die den Absorber umgebende Luft und führt zu einer impulsartigen Druckerhöhung im geschlossenen Hohlraum. Diese Druckerhöhung wird durch das Mikrofon empfindlich nachgewiesen [6]. Der Nachweis ist so empfindlich, daß die Energieauflösung für die gegebene Eintrittsfläche höher ist als bei den heute üblichen Detektoren. Um eine hohe und wellenlängenunabhängige Lichtabsorption zu gewährleisten, ist der Absorber schwarz. Desweiteren ist die Oberfläche porös, denn damit erhöht sich die Empfindlichkeit des photoakustischen Nachweises [7], [8]. Dieser Effekt ist darauf zurückzuführen, daß einerseits auch das Gas in den Zwischenräumen der Poren zur Expansion zur Verfügung steht und, daß andererseits die thermische Leitfähigkeit poröser Substanzen geringer ist als gleichartige, nicht poröse Substanzen. Die Übertragung der Wärme aus dem Absorber an das umgebende Gas ist aufgrund der großen Oberfläche des porösen Materials sehr effizient.

Da das Absorbermaterial außer durch die es umgebende Luft physikalisch nicht mit dem nach geschalteten Detektor (in diesem Fall das Mikrofon) verbunden ist und darüberhinaus der Detektor nur auf Druckänderungen reagiert, sind die im Zusammenhang mit den handelsüblichen Detektoren oben diskutierten Entwicklungskompromisse bezüglich ther mischer Leitfähigkeit nicht relevant. Durch die poröse Oberfläche des gewählten Materials steht genügend wärmeableitendes Medium (hier Luft) zur Verfügung, so daß sich die Wärme kapazität des Absorbers nicht in dem Maße wie bei den heute gängigen Absorberbauarten nachteilig auf die Reaktionszeit des Systems auswirken kann. Daher können mechanisch wie thermisch stabile Absorber verwendet und trotzdem hohe Pulswiederholraten ohne Beeinträchtigung verarbeitet werden.

Es sind Mikrofone kommerziell erhältlich, die durch einen Bypass auf niedrige Frequenzen unempfindlich reagieren. Dadurch sind Störsignale aus Umgebungsgeräuschen effektiv aus geschlossen. Wegen der geringen Oberfläche und hohen Spannung der Membran weisen sie eine mechanische Resonanzfrequenz auf, die deutlich höher liegt als typische Umgebungs frequenzen. Das bedeutet, daß der Meßkopf deutlich unempfindlicher als pyroelektrische Detektoren gegenüber Körperschall ist.

Bedingt durch das Meßprinzip sind die Herstellungskosten dieses Instruments gering im Vergleich zu den handelsüblichen pyroelektrischen Detektoren. Da der Absorber vom Mikrofon unabhängig ist, ist eine Reparatur nach versehentlicher Beschädigung bzw. Zerstörung des Absorbers kostengünstig möglich.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im folgen den näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch den Meßkopf (Ausführung 1) und

Fig. 2 eine Explosionssicht der einzelnen Komponenten des Meßkopfes aus Fig. 1.

Das Fenster (1) wird durch die verschraubte Vorderkappe (2) am Meßkopf gehalten. Dadurch ist das Fenster im Falle einer Beschädigung bzw. für Messungen in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen austauschbar (z. B. Infrasil- oder Saphir-Fenster für nahes UV bis nahes IR; ZnSe-Fenster für nahes bis mittleres IR). Die Hohlkammer zwischen dem Fenster und dem Absorber (3) ist durch den O-Ring (4) dicht abgeschlossen.

Als Absorbermaterial dient eine Kohletablette. Sie ist schwarz, porös und sowohl mechanisch als auch gegenüber starker Lichteinstrahlung beständig. Der Absorber ist in eine Vertiefung eingelassen, um einen sicheren Halt zu gewährleisten.

Der Hohlraum zwischen Absorber und Fenster ist mit einem schalldämmenden Stoff ausge kleidet (5) (hier mit einer dünnen Schicht Schaumstoff), damit die akustischen Schwingungen schnell gedämpft werden, um die verarbeitbare Wiederholrate so hoch wie möglich zu halten.

Die Mikrofone (6) sind in Schlitzen in dem Korpus (7) eingelassen. Fräsungen dem Korpus entlang dienen zur Führung der elektrischen Leitungen von den Mikrofonen zu der hinteren Kammer.

In der hinteren Kammer ist eine Signalverarbeitungseinheit (8) eingebracht (hier ein Mikrofonvorverstärker in SMD-Technik). Die Leitungen von dem Vorverstärker nach außen zum Auswerte-/Anzeigemodul (nicht dargestellt und nicht Bestandteil der Patentanmeldung) werden durch eine geerdete Buchse geleitet. Dadurch bildet die gesamte Hinterkammer einen Faraday'scher-Käfig zur Abschirmung des Vorverstärkers gegenüber externen elektrischen Störfeldern, die bei Anwendungen mit Pulslasern besonders stark vorkommen.

Der gesamte Meßkopf ist mit einer Hülle (9) versehen, um die Übertragung vom Körperschall auf das Mikrofon zu dämpfen.

Durch eine Konstruktion mit veränderlichem Hohlraumvolumen (Ausführung 2, ohne Abbildung) ist es möglich die Dynamik des Instruments zu erhöhen. Zum Beispiel kann durch einen verstellbaren Kolben die Änderung des Volumens des Meßraumes und somit eine gezielte Reduzierung der Empfindlichkeit realisiert werden. Dadurch werden Messungen sowohl bei geringen (µJ bis mJ) als auch höheren Laserenergien (mJ bis J) mit einem einzigen Meßkopf ermöglicht. Der kleine Hohlraum dient zur Messungen von geringen Energien (µJ bis mJ). Bei höheren Energien (mJ bis J) verschiebt man den Kolben nach hinten, um den Hohlraum zu vergrößern, was die Empfindlichkeit des Instrumentes gezielt reduziert. Eine solche Dynamikerweiterung ist bei den heute üblichen Detektorarten nicht möglich. Die übrigen Details sind gleich denen bei Ausführung 1.

Ausführung 3 (ohne Abbildung) zeichnet sich dadurch aus, daß das Mikrofon bzw. die Mikrofone in Paaren verlegt werden, so daß jeweils ein Mikrofon des Paares das Signal aus der Meßkammer erfahrt, das andere jedoch nicht. Beide Mikrofone sind indes den Störgeräuschen von außen ausgesetzt. Subtraktion des einen Signals von dem anderen mit einer geeigneten elektronischen Schaltung (z. B. Differenzverstärker) führt daher zu einer deutlichen Verbesserung des Signal-zu-Rausch-Verhältnisses.

Literaturhinweise

[1] The Laser Focus World Buyers Guide '96, Penn Well Puplishing Company (1996).
[2] Golay, A Pneumatic Infra-Red Detector The Review of Scientific Instruments 18 357 (1947)
[3] De Waard, Wormser, Description and Properties of Various Thermal Detectors Proceedings of the IRE, September 1508 (1959)
[4] Rosencwaig A., Photoacoustics and Photoacoustic Spectroscopy, Robert E. Krieger Publishing Company (1990)
[5] ibid
[6] Kreuzer L., The Phyics of Signal Generation, pp 1-26 aus Ref. /7/
[7] Korpiun P., Osiander R.; Photothermal Study of Heat Conduction, Diffusion, and Sorption in Thin Films and Porous Materials, in Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, Springer Series in Optical Sciences, Vol. 69, 619 (1992)
[8] Osiander R., Lobermeier J., Korpiun P.; Anomalous Thermal Waves in Powdered Samples, in Photoacoustic and Photothermal Phenomena III, Springer Series in Optical Sciences, Vol. 69, 725 (1992).

Bezugszeichenliste

1

Fenster

2

Vorderkappe

3

Absorber

4

O-Ring

5

schalldämmender Stoff

6

Mikrofone

7

Korpus

8

Signalverarbeitungseinheit (in der beschriebenen Ausführung ein Mikrofonvorverstärker)

9

Schutz vor Übertragung von Körperschall (in der beschriebenen Ausführung eine Kunststoffhülle)

Claims

1. Energiemeßinstrument für elektromagnetische Strahlung, mit einem photoakustischen Meßkopf, der einen austauschbaren Absorber (3) und ein oder mehrere Mikrophone (6) umfaßt.

2. Energiemeßinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es ein austauschbares Fenster (1) besitzt.

3. Energiemeßinstrument nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Signalverarbeitungseinheit (8) integriert ist.

4. Energiemeßinstrument nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Absorber (3) eine Keramikscheibe, eine Kohletablette oder eine geschwärzte Metallscheibe ist.

5. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Mikrofone (6) bei typischen Umgebungsgeräuschfrequenzen unempfindlich sind.

6. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Raum, in dem das Mikrofon sich befindet bzw. die Mikrofone sich befinden, mit einem schalldämmenden Stoff (5) ausgekleidet ist.

7. Energiemeßinstrument nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der schalldämmende Stoff (5) Schaumstoff ist.

8. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es einen Korpus (7) besitzt, der gegen Übertragung von Körperschall geschützt ist.

9. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Meßkopf mit einer Hülle (9) verkleidet ist.

10. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß es ein veränderliches Hohlraumvolumen besitzt.

11. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzliches Mikrofon bzw. zusätzliche Mikrofone zur Aufnahme von Störgeräuschen verwendet wird bzw. werden, um diese Störungen von dem gewünschten Signal zu subtrahieren.

12. Energiemeßinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß elektrische Leitungen durch eine geerdete Buchse geführt sind.