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DE202012102794U1 - Optics for beam measurement - Google Patents

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DE202012102794U1 DE201220102794 DE202012102794U DE202012102794U1 DE 202012102794 U1 DE202012102794 U1 DE 202012102794U1 DE 201220102794 DE201220102794 DE 201220102794 DE 202012102794 U DE202012102794 U DE 202012102794U DE 202012102794 U1 DE202012102794 U1 DE 202012102794U1
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Abstract

Optik zur Strahlvermessung optischer Strahlung, welche sich hinter einer Strahltaille divergent ausbreitet, umfassend jeweils in Strahlrichtung nacheinander angeordnet einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv bestehend aus wenigstens einer optischen Linse, sowie einen dritten teilreflektierenden Spiegel.Optics for beam measurement of optical radiation, which spreads divergent behind a beam waist, comprising a first partially reflecting mirror, a second partially reflecting mirror, a collimation lens consisting of at least one optical lens, and a third partially reflecting mirror arranged one after the other in the beam direction.

Description

GEBIET DER ERFINDUNGFIELD OF THE INVENTION

Die Erfindung betrifft eine Optik für Strahlvermessung mit integrierter Strahlabschwächung. The invention relates to an optics for beam measurement with integrated beam attenuation.

HINTERGRUND DER ERFINDUNGBACKGROUND OF THE INVENTION

Bei der Messung der Eigenschaften von Laserstrahlen können sehr unterschiedliche Aufgabenstellungen verfolgt werden, entsprechend groß ist die Vielfalt der bekannten Vorrichtungen. So gibt es einerseits Vorrichtungen zur Messung der Leistung des Strahls und anderseits Vorrichtungen zur Bestimmung von geometrischen Eigenschaften des Strahls. Die geometrischen Eigenschaften wie Strahlprofil, Fokusdurchmesser, Divergenzwinkel und Strahlparameterprodukt sind Größen, die genauso wie die Strahlleistung Einfluss auf den Laserbearbeitungsprozess haben und somit bestimmend sind für die Qualität des Bearbeitungsergebnisses. Die Messung dieser Parameter ist somit ein wesentlicher Bestandteil der Qualitätssicherung in der Lasermaterialbearbeitung. In the measurement of the properties of laser beams very different tasks can be followed, correspondingly large is the variety of known devices. On the one hand, there are devices for measuring the power of the beam and, on the other hand, devices for determining the geometric properties of the beam. The geometric properties such as beam profile, focus diameter, divergence angle and beam parameter product are quantities which, just like the beam power, have an influence on the laser processing process and are thus decisive for the quality of the processing result. The measurement of these parameters is therefore an essential part of quality assurance in laser material processing.

Die Vorrichtungen zur Leistungsmessung lassen sich einteilen in solche, die den gesamten Strahl beispielsweise in einem Absorber auffangen und aus der Temperaturänderung des Absorbers die Leistung bestimmen. Vorrichtungen dieser Art werden z.B. in der DE 42 43 902 und der DE 102 53 905 beschrieben. Bei einem anderen Typ von Vorrichtungen wird nicht der gesamte Strahl aufgefangen, sondern es wird ein sehr kleiner Bruchteil des Strahls ausgekoppelt, damit der Hauptstrahl weiterhin seiner Verwendung zugeführt werden kann und anhand des ausgekoppelten Teilstrahls so zeitgleich eine Messung der Leistung erfolgen kann (z.B. DE 196 30 607 ). The devices for power measurement can be divided into those that capture the entire beam, for example in an absorber and determine the performance of the temperature change of the absorber. Devices of this kind are eg in the DE 42 43 902 and the DE 102 53 905 described. In another type of devices not the entire beam is collected, but it is coupled out a very small fraction of the beam, so that the main beam can continue to be used and can be done on the basis of the decoupled sub-beam so simultaneously measuring the power (eg DE 196 30 607 ).

Zur Bestimmung der geometrischen Eigenschaften ist eine ortsaufgelöste Messung der Strahlintensität notwendig. Die Ortsauflösung kann durch Abtastung des Strahls erreicht werden. So zeigt die DE 35 10 937 eine Vorrichtung, bei der durch schnelles Bewegen einer nadelförmigen Sonde durch den Strahl ein Signal erzeugt wird, dessen zeitlicher Verlauf die räumliche Verteilung der Strahlintensität wiedergibt. Eine andere Möglichkeit zur ortsaufgelösten Messung des Strahlprofils zeigt die DE 101 29 274 , bei der mehrere Drahtgitterebenen den Strahl durchsetzen und aus der Erwärmung und der daraus resultierenden Widerstandsänderung der einzelnen Drähte auf die lokale Intensität rückgeschlossen werden kann. Die DE 10 2008 022 015 beschreibt ein Array aus temperaturempfindlichen Sensoren zur ortsaufgelösten Messung eines Strahlprofils, wobei das Sensor-Array einen Bruchteil der Strahlleistung empfängt, indem das Array hinter einem teildurchlässigen Spiegel angeordnet ist, der den Hauptteil der Strahlung reflektiert. To determine the geometric properties, a spatially resolved measurement of the beam intensity is necessary. The spatial resolution can be achieved by scanning the beam. That's how it shows DE 35 10 937 a device in which by rapidly moving a needle-shaped probe through the beam, a signal is generated, the time course of which reproduces the spatial distribution of the beam intensity. Another possibility for spatially resolved measurement of the beam profile shows the DE 101 29 274 in which several wire lattice planes pass through the beam and from the heating and the resulting change in resistance of the individual wires can be deduced to the local intensity. The DE 10 2008 022 015 describes an array of temperature-sensitive sensors for spatially resolved measurement of a beam profile, wherein the sensor array receives a fraction of the beam power by placing the array behind a semitransparent mirror that reflects the bulk of the radiation.

Besonders komfortabel zur ortsaufgelösten Strahlmessung ist die Verwendung eines Halbleitersensors wie einer CCD-Kamera, da hiermit das gesamte zweidimensionale Strahlprofil in einer Ebene mit einer einzigen Messung erfasst werden kann. Der Nachteil besteht darin, dass die Strahlleistung hierzu sehr gering sein muss, da sonst der Sensor übersteuert oder sogar zerstört wird. Der Sensor kann also nicht direkt in der zu vermessenden Ebene im Strahl positioniert werden, sondern der Strahl muss abgebildet und gleichzeitig stark abgeschwächt werden. Dazu wiederum muss ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt werden, wobei der ausgekoppelte Bruchteil in seinen geometrischen Eigenschaften mit dem ursprünglichen Strahl übereinstimmen muss. Particularly convenient for spatially resolved beam measurement is the use of a semiconductor sensor such as a CCD camera, as this allows the entire two-dimensional beam profile in a plane can be detected with a single measurement. The disadvantage is that the beam power for this purpose must be very low, otherwise the sensor is overdriven or even destroyed. The sensor can therefore not be positioned directly in the plane to be measured in the beam, but the beam must be imaged and at the same time greatly attenuated. For this purpose, a fraction of the beam must be coupled out, the decoupled fraction having to match its geometric properties with the original beam.

Solche Strahlteiler sind zwar prinzipiell bekannt, jedoch sind die Eigenschaften der Strahlauskopplung generell vom Strahleinfallswinkel und/oder dem Polarisationszustand des Strahls abhängig. Üblicherweise werden dazu die Reflexions-Eigenschaften einer Material-Grenzfläche ausgenutzt (Fresnel-Reflexion), oder diese Eigenschaften werden durch Strukturierung der Oberfläche beeinflusst, wodurch zusätzlich Streuung und Beugung auftritt. So wird in der DE 103 55 866 ein Strahlteiler in Form von schräggestellten Planplatten beschrieben, deren nicht wirksame Flächen mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Die DE 10 2008 028 347 beschreibt ein Messmodul zur Messung der Leistung eines Laserstrahls, bei zunächst über einen teilreflektierenden Spiegel ein Teil der Strahlung ausgekoppelt wird und eine weitere Abschwächung des ausgekoppelten Strahls durch Reflexion an unbeschichteten Glasplatten stattfindet. Although such beam splitters are known in principle, the characteristics of the beam extraction are generally dependent on the beam incidence angle and / or the polarization state of the beam. Usually, the reflection properties of a material interface are exploited (Fresnel reflection), or these properties are influenced by structuring of the surface, whereby in addition scattering and diffraction occurs. So will in the DE 103 55 866 a beam splitter in the form of inclined plane plates described, the non-effective surfaces are provided with an anti-reflection coating. The DE 10 2008 028 347 describes a measuring module for measuring the power of a laser beam, is initially coupled via a partially reflecting mirror, a portion of the radiation and a further attenuation of the decoupled beam takes place by reflection on uncoated glass plates.

Bei den in der DE 40 06 618 und in der DE 102 17 657 gezeigten Vorrichtungen wird zur Auskopplung des Strahls auf die als Strahlteiler oder als Reflektor ausgebildete Planplatte eine holografische Struktur aufgebracht, deren Beugungseffizienz den Anteil der ausgekoppelten Strahlung bestimmt. In the in the DE 40 06 618 and in the DE 102 17 657 As shown, a holographic structure is applied for coupling the beam onto the plane plate designed as a beam splitter or as a reflector, the diffraction efficiency of which determines the fraction of the decoupled radiation.

Der interessierende zu vermessende Strahl, insbesondere bei Laseranlagen und Strahlführungen für 1 µm Laserstrahlung, ist meistens divergent, wie z.B. der aus einer Faserspitze austretende Strahl oder der von einer Bearbeitungsoptik fokussierte Strahl. The beam of interest to be measured, in particular in laser systems and beam guides for 1 μm laser radiation, is usually divergent, such as e.g. the beam emerging from a fiber tip or the beam focused by a processing optics.

Die Verwendung einer schräggestellten Planplatte zur Auskopplung eines Teilstrahls aus einem divergenten Strahl ist jedoch problematisch, da der Einfallswinkel innerhalb des Strahlbündels auf der Planplatte variiert und daher der Reflexionsgrad gemäß der Fresnel-Formeln nicht konstant ist und zusätzlich von der Polarisationsrichtung des Strahls abhängt. Eine solche einfache Anordnung verändert daher das Strahlprofil und ist somit für eine exakte Strahlvermessung nicht geeignet. However, the use of an inclined plane plate for coupling a sub-beam from a divergent beam is problematic because the angle of incidence within the beam varies on the plane plate and therefore the reflectance according to the Fresnel formulas is not constant and additionally from the polarization direction of the beam depends. Such a simple arrangement therefore changes the beam profile and is thus not suitable for exact beam measurement.

Ein möglicher Weg zur Reduktion dieser Winkelabhängigkeit der Reflexion ist aus der bereits oben erwähnten DE 10 2008 028 347 bekannt. Dort wird ein weiterer Spiegel mit gleichem Umlenkwinkel verwendet, um die Winkelabhängigkeit bei der Reflexion an der schrägen Platte zu reduzieren. Die in der DE 10 2008 028 347 gezeigte Vorrichtung ist allerdings nicht zur Auskopplung aus einem divergenten Strahl geeignet, und auch nicht zur direkten Auskopplung aus einem Strahl mit hoher Leistung; dies übernimmt dort ein zusätzlicher vorgeschalteter Spiegel. Ein weiterer Nachteil der dort gezeigten Vorrichtung ist der Unterschied in der Reflexion von P- und S-polarisierten Strahlen. Weiterhin wird der Strahl dort bewusst zur Homogenisierung mit einer kleinen Winkelverteilung gestreut, womit die Vorrichtung auch nicht zur Strahl-Analyse geeignet ist, sondern nur zur Bestimmung einer relativen, zur Leistung des Strahls proportionalen Größe. One possible way to reduce this angular dependence of the reflection is from the already mentioned above DE 10 2008 028 347 known. There, another mirror with the same deflection angle is used to reduce the angular dependence in the reflection at the inclined plate. The in the DE 10 2008 028 347 However, the device shown is not suitable for decoupling from a divergent beam, nor for direct extraction from a high power beam; this takes over there an additional upstream mirror. Another disadvantage of the device shown there is the difference in the reflection of P- and S-polarized beams. Furthermore, the beam there is deliberately scattered for homogenization with a small angular distribution, so that the device is not suitable for beam analysis, but only to determine a relative, proportional to the power of the beam size.

Zur Umgehung des Problems der Winkelabhängigkeit der Reflexion ist es auch denkbar, den Strahl zunächst mittels eines Kollimations-Objektivs oder wenigstens einer Linse zu kollimieren und erst dann mittels einer Planplatte einen Teilstrahl auszukoppeln. Der Reflexionsgrad ist dann zwar innerhalb des Strahlbündels konstant, da der Einfallswinkel nicht mehr variiert, es gibt aber immer noch eine Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung. To circumvent the problem of the angular dependence of the reflection, it is also conceivable first to collimate the beam by means of a collimation objective or at least one lens and only then to decouple a partial beam by means of a plane plate. Although the reflectance is then constant within the beam, since the angle of incidence no longer varies, but there is still a dependence on the polarization direction.

Zur Verringerung der Reflexions-Unterschiede bei unterschiedlichen Polarisationszuständen ist es ist aus dem Stand der Technik bekannt, die Grenzflächen eines teilreflektierenden Spiegels mit geeigneten Beschichtungen zu versehen, z.B. mit speziellen Antireflex-Beschichtungen, die so ausgelegt sein sollen, dass der Rest-Reflexionsgrad über einen kleinen Winkel-Bereich möglichst wenig variiert und gleichzeitig die Reflexionsgrade für die beiden Polarisationsrichtungen möglichst gleich sein sollen. Zu diesem Zweck müssen mehrere dünne dielektrische Schichten auf das Substrat aufgebracht werden. Diesen Weg verfolgt beispielsweise die DE 20 2004 007 511 . Das in dieser Druckschrift offenbarte Schichtsystem für die Beschichtung eines Spiegels besteht aus 6 einzelnen Schichten, deren Schichtdicke genau eingehalten werden müssen. Es ist für den einschlägigen Fachmann offensichtlich, dass dabei produktionsbedingte Toleranzen auftreten und die gewünschte Konstanz der Reflexion nur schwer zu gewährleisten ist, insbesondere auch unter Langzeit-Bedingungen, die bei dünnen Schichten bekanntermaßen zu Veränderungen führen können aufgrund von Alterung, Luftfeuchte usw. Ein weiteres Problem ist, dass diese Beschichtung auf beiden Seiten der Platte aufgebracht werden muss und die reflektierten Strahlungsanteile von Vorder- und Rückseite der Platte miteinander interferieren können, was wiederum zu Schwankungen der gemessenen Intensität führen kann. To reduce the reflection differences in different polarization states, it is known from the prior art to provide the interfaces of a partially reflecting mirror with suitable coatings, for example with special antireflection coatings, which should be designed so that the residual reflectance over a small angle range varies as little as possible and at the same time the reflectivity for the two polarization directions should be as equal as possible. For this purpose, several thin dielectric layers must be applied to the substrate. This way, for example, pursues the DE 20 2004 007 511 , The layer system for coating a mirror disclosed in this document consists of 6 individual layers whose layer thickness must be precisely adhered to. It will be apparent to those skilled in the art that production tolerances occur and the desired consistency of reflection is difficult to ensure, especially under long-term conditions that can be known to cause changes in thin films due to aging, humidity, etc. Another The problem is that this coating must be applied on both sides of the plate and the reflected radiation components from the front and back of the plate can interfere with each other, which in turn can lead to fluctuations in the measured intensity.

Wird der Strahl zunächst mittels eines Objektivs oder einer Linse kollimiert oder in irgendeiner anderen Form abgebildet, bevor ein Teilstrahl ausgekoppelt wird, entsteht noch ein weiteres Problem. Beim Durchtritt der Strahlung durch die Linse wird ein minimaler Anteil der Strahlung vom Material der Linse absorbiert, was die Entstehung eines radialen Temperaturgradienten in der Linse zur Folge hat, dessen Größe von der durchstrahlten Leistung abhängt. Wegen des Temperaturkoeffizienten der Brechzahl des Linsenmaterials führt dies zu einer zusätzlichen Brechkraft, der sogenannten „thermischen Linse“. Dadurch verschiebt sich die Bildlage, ein sogenannter „Fokus-Shift“ entsteht, außerdem treten dadurch zusätzliche Aberrationen, also Abbildungsfehler, auf. If the beam is first collimated by means of an objective or a lens or imaged in some other form before a partial beam is decoupled, another problem arises. As the radiation passes through the lens, a minimal portion of the radiation is absorbed by the material of the lens, resulting in the generation of a radial temperature gradient in the lens, the magnitude of which depends on the radiated power. Because of the temperature coefficient of the refractive index of the lens material, this leads to an additional refractive power, the so-called "thermal lens". As a result, the position of the image shifts, a so-called "focus shift" arises, as well as additional aberrations, ie aberrations.

Dieser Fokus-Shift ist besonders nachteilig, wenn es bei der Vermessung hochbrillanter Strahlung darauf ankommt, höchste Abbildungsgenauigkeit zu erzielen oder die Größe des Fokus-Shift selbst zu bestimmen, z.B. von einer zu testenden Optik oder von der Endkappe einer Lichtleitfaserspitze. This focus shift is particularly disadvantageous when it comes to the measurement of high-brilliance radiation to achieve maximum imaging accuracy or to determine the size of the focus shift itself, for example. from an optic to be tested or from the end cap of an optical fiber tip.

Demnach besteht Bedarf an einer Vorrichtung zur Bestimmung des Intensitätsprofils eines Hochleistungs-Laserstrahls nahe der Strahltaille auf einen geeigneten Sensor bei gleichzeitiger Abschwächung des Strahls. Der auf den Sensor abgebildete Strahl muss also ein exaktes, unverändertes Abbild des originalen Strahls sein. Zu diesem Zweck muss die Optik den Strahl einerseits hochgenau, d.h. fehlerfrei abbilden, und zum anderen muss der Strahl um viele Zehnerpotenzen abgeschwächt werden, bzw. es muss ein entsprechend kleiner exakt repräsentativer Anteil aus dem Strahl ausgekoppelt werden, damit der eigentliche Mess-Sensor, z.B. eine CCD-Kamera, nicht durch den Strahl zerstört wird.Accordingly, there is a need for an apparatus for determining the intensity profile of a high power laser beam near the beam waist on a suitable sensor while attenuating the beam. The beam imaged on the sensor must therefore be an exact, unaltered image of the original beam. For this purpose, the optics must on the one hand highly accurate, i. on the other hand, the beam must be attenuated by many orders of magnitude, or a correspondingly smaller, precisely representative component must be coupled out of the beam so that the actual measuring sensor, e.g. a CCD camera, not destroyed by the beam.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Vorrichtung zu schaffen, bei der ein kleiner Bruchteil aus einem divergenten Laserstrahl hoher Leistung ausgekoppelt wird, ohne dass der ausgekoppelte Teilstrahl dabei in relevanten Eigenschaften verändert wird. Object of the present invention is thus to provide a device in which a small fraction of a divergent laser beam high power is coupled out without the decoupled beam part is changed in relevant properties.

KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNGBRIEF DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird durch eine Vorrichtung gemäß der Ansprüche gelöst. Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist geeignet, die Nachteile der aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen zu beseitigen, bzw. die Nachteile werden auf eine praktisch nicht mehr messbare Größe zu reduziert. The object of the invention is achieved by a device according to the claims. The device according to the invention is suitable for eliminating the disadvantages of the devices known from the prior art, or the disadvantages are reduced to a practically no longer measurable size.

Die Erfindung stellt eine Optik zur Strahlvermessung optischer Strahlung zur Verfügung, welche sich hinter einer Strahltaille divergent ausbreitet, umfassend jeweils in Strahlrichtung nacheinander angeordnet einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv bestehend aus wenigstens einer optischen Linse, sowie einen dritten teilreflektierenden Spiegel. The invention provides an optical system for optical beam radiation measurement which diverges behind a beam waist, comprising in each case a first partially reflecting mirror, a second partially reflecting mirror, a collimating lens consisting of at least one optical lens, and a third one in the beam direction partially reflecting mirror.

Für die drei teilreflektierenden Spiegel ist vorgesehen, dass diese jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen können und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen können. Weiterhin können die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils eine unbeschichtete ebene Grenzfläche aufweisen, an welcher ein kleiner Teil der Strahlung des jeweiligen Spiegels unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird.It is provided for the three partially reflecting mirrors that they can each consist of a transparent optical material and can each have at least one plane surface. Furthermore, the three partially reflecting mirrors may each have an uncoated planar interface on which a small part of the radiation of the respective mirror is reflected by utilizing the Fresnel reflection.

Zwischen der Strahltaille und dem ersten teilreflektierenden Spiegel soll in einer Ausführungsform kein optisch abbildendes Element angeordnet sein.In one embodiment, no optically imaging element should be arranged between the beam waist and the first partially reflecting mirror.

Die Reflexionsebene, die an einem Spiegel durch einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannt wird, kann für den zweiten Spiegel parallel zur Reflexionsebene am ersten Spiegel sein. Es ist zudem vorgesehen, dass der Strahl vor der Reflexion am dritten teilreflektierenden Spiegel durch das Kollimations-Objektiv kollimiert werden kann. Zudem kann die Reflexionsebene am dritten Spiegel senkrecht angeordnet sein zu den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel. The reflection plane, which is spanned by a mirror through incident and reflected beam, may be parallel to the reflection plane at the first mirror for the second mirror. It is also contemplated that the beam may be collimated by the collimating lens prior to reflection at the third partially reflective mirror. In addition, the reflection plane at the third mirror can be arranged perpendicular to the reflection planes of the first and the second mirror.

Der Einfallswinkel α2 am zweiten Spiegel bezogen auf die optische Achse des Strahls, kann in einem Bereich liegen, der durch folgende Formel definiert ist: α1(n2/n1)1/2 ≤ α2 ≤ α1(n2/n1), wobei α1 der Einfallswinkel am ersten Spiegel ist, bezogen auf die optische Achse des Strahls, und n1 und n2 die Brechzahlen des ersten und des zweiten Spiegels sind. The angle of incidence α 2 at the second mirror with respect to the optical axis of the beam, may be in a range which is defined by the formula: α1 (n 2 / n 1) 1/2 ≤ α 2 ≤ α 1 (n 2 / n 1 ), where α 1 is the angle of incidence at the first mirror with respect to the optical axis of the beam, and n 1 and n 2 are the refractive indices of the first and second mirrors.

Zwischen dem ersten teilreflektierenden Spiegel und dem zweiten teilreflektierenden Spiegel kann ein Relais-Objektiv angeordnet ist, wobei das Relais-Objektiv bezogen auf die Strahltaille einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 aufweisen kann, und wobei der Öffnungswinkel des konvergenten Strahlbündels hinter dem Relais-Objektiv etwa genauso groß sein kann wie der Öffnungswinkel des divergenten Strahlbündels vor dem Relais-Objektiv. A relay lens may be disposed between the first partially reflecting mirror and the second partially reflecting mirror, the relay lens having a magnification of about -1 relative to the beam waist, and the opening angle of the convergent beam behind the relay lens being about the same can be large as the opening angle of the divergent beam in front of the relay lens.

Weiterhin kann in Strahlrichtung dem dritten teilreflektierenden Spiegel nachfolgend ein vierter Spiegel angeordnet sein und der vierte Spiegel kann derart angeordnet sein, dass nach der Reflexion die optische Achse des reflektierten Strahls parallel zur optischen Achse des ursprünglichen Strahls angeordnet ist. Furthermore, a fourth mirror may be arranged downstream of the third partially reflecting mirror in the beam direction, and the fourth mirror may be arranged such that, after the reflection, the optical axis of the reflected beam is arranged parallel to the optical axis of the original beam.

Hinter dem dritten Spiegel oder dem vierten Spiegel kann ein Fokussier-Objektiv angeordnet sein, welches ein Bild der ursprünglichen Strahltaille in seiner Bildebene erzeugt. In der Bildebene des Fokussier-Objektivs kann ein Sensor angeordnet sein. Behind the third mirror or the fourth mirror, a focusing lens can be arranged, which produces an image of the original beam waist in its image plane. In the image plane of the focusing lens, a sensor may be arranged.

Zur Abschwächung des Strahls können hinter dem dritten Spiegel Mittel angeordnet sein, wobei diese ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend teilweise absorbierende Planplatten, so zum Beispiel Graugläser, teilweise transmittierende Planplatten, teilweise reflektierende Planplatten, ein Paar hintereinander angeordneter Polarisatoren, deren Polarisationswinkel zueinander eingestellt werden kann. To attenuate the beam, means may be arranged behind the third mirror, these being selected from the group consisting of partially absorbing plane plates, for example gray glasses, partially transmitting plane plates, partially reflecting plane plates, a pair of polarizers arranged one behind the other, whose polarization angle can be adjusted to each other ,

Die vom zweiten und vom dritten Spiegel transmittierten restlichen Strahl-Anteile können jeweils von einem Element aufgefangen werden, welches eine absorbierende Oberfläche aufweist und mit Kühlrippen zur Kühlung durch die Umgebungsluft oder Bohrungen, durch die ein Kühlmittel fließt zur Kühlung ausgestattet ist. The remaining beam portions transmitted by the second and the third mirror can each be captured by an element which has an absorbing surface and is provided with cooling fins for cooling by the ambient air or holes through which a coolant flows for cooling.

Die nicht zur teilweisen Reflexion der Strahlung genutzten rückwärtigen Flächen von erstem, zweiten und dritten Spiegel können mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sein.The rear surfaces of the first, second and third mirrors not used for the partial reflection of the radiation can be provided with an antireflection coating.

KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES

Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein, es zeigt: The invention will be described in more detail with reference to the following figures, without being limited to the embodiments shown, it shows:

1: Schematische Darstellung einer aus dem Stand der Technik bekannten typischen Vorrichtung zur Strahlvermessung, bei der zuerst durch einen teilreflektierenden Spiegel ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt wird, und nachfolgend der Strahl kollimiert oder weiter abgebildet wird. 1 : Schematic representation of a known from the prior art apparatus for beam measurement, in which first by a partially reflecting mirror, a fraction of the beam is coupled out, and then the beam is collimated or further imaged.

2: Darstellung des Reflexionsgrades an einer Quarzglas-Luft-Grenzfläche gemäß den Fresnel-Formeln für einen Strahl mit S-Polarisationsrichtung (punktierte Kurve) und einen Strahl mit P-Polarisationsrichtung (gestrichelte Kurve). Der durchgezogene Bereich der Kurven entspricht dem Winkel-Bereich, der in der Vorrichtung nach 1 genutzten wird, bei einer Umlenkung des Strahls um 90°. 2 : Representation of the reflectance at a quartz glass-air interface according to the Fresnel formulas for a beam with S polarization direction (dotted curve) and a beam with P polarization direction (dashed curve). The solid portion of the curves corresponds to the angular range in the device according to 1 is used, with a deflection of the beam by 90 °.

3: Schematische Darstellung einer alternativen aus dem Stand der Technik bekannten typischen Vorrichtung zur Strahlvermessung, bei der zuerst der Strahl kollimiert wird, und nachfolgend durch einen teilreflektierenden Spiegel ein Bruchteil des Strahls ausgekoppelt wird. 3 : Schematic representation of an alternative known from the prior art apparatus for beam measurement, in which the beam is first collimated, and then a fractional part of the beam is coupled out by a partially reflecting mirror.

4: Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strahlvermessung in einer ersten Ausführungsform. 4 : Schematic representation of the device according to the invention for measuring the beam in a first embodiment.

5: Darstellung der Reflexion des zu vermessenden Strahlbündels an den ersten beiden Spiegeln als Teil der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Erläuterung des Prinzips der Kompensation der Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades. 5 : Representation of the reflection of the beam to be measured at the first two mirrors as part of the device according to the invention for explaining the principle of compensation of the angular dependence of the reflectance.

6: Darstellung des resultierenden Intensitätsverlaufs bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 4 für beide Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels. Der durchgezogene Bereich der Kurven ist der in der Vorrichtung nach 4 vom Strahlbündel genutzte Winkelbereich. 6 : Representation of the resulting intensity curve in the inventive device according to 4 for both polarization directions as a function of the angle of incidence. The solid portion of the curves is that in the device 4 used by the beam angle range.

7a: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um den gleichen Winkel von 45° umgelenkt wird und der resultierende Arbeitsabstand sehr klein ist. 7a : Representation of a portion of the device according to the invention with the reflection at the first two mirrors, wherein the beam is deflected at both mirrors by the same angle of 45 ° and the resulting working distance is very small.

7b: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um den gleichen Winkel von 50° umgelenkt wird. Der resultierende Arbeitsabstand ist relativ klein. 7b : Representation of a portion of the device according to the invention with the reflection at the first two mirrors, wherein the beam is deflected at both mirrors by the same angle of 50 °. The resulting working distance is relatively small.

7c: Darstellung eines Teilbereichs der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln, wobei der Strahl an beiden Spiegeln um verschiedene Winkel umgelenkt wird, zuerst um 40° und nachfolgend um 60°. Der resultierende Arbeitsabstand ist deutlich größer als bei der Verwendung gleicher Umlenkwinkel. 7c : Representation of a portion of the device according to the invention with the reflection at the first two mirrors, wherein the beam is deflected at both mirrors by different angles, first by 40 ° and subsequently by 60 °. The resulting working distance is significantly greater than when using the same deflection angle.

8: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel ein Relais-Objektiv eingefügt ist und dadurch ein wesentlich größerer Arbeitsabstand erzielt wird. 8th : Representation of the device according to the invention in a second embodiment, in which between the first and the second mirror, a relay lens is inserted and thereby a much larger working distance is achieved.

9: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einem Ausführungsbeispiel ähnlich der ersten Ausführungsform nach 4. Durch Verwendung eines Kollimations-Objektivs in Retrofokus-Bauweise wird ein kleinerer kollimierter Strahldurchmesser erzielt und dadurch eine insgesamt kompaktere Bauweise ermöglicht. 9 : Representation of the device according to the invention in an embodiment similar to the first embodiment according to 4 , By using a retrofocus collimating lens, a smaller collimated beam diameter is achieved, allowing a more compact overall design.

10: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor. 10 : Representation of the device according to the invention. Additionally shown here is the beam deflection by a fourth mirror and the focusing of the decoupled and attenuated sub-beam on a sensor.

11: Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor. 11 : Representation of the device according to the invention in a second embodiment. Additionally shown here is the beam deflection by a fourth mirror and the focusing of the decoupled and attenuated sub-beam on a sensor.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGURENDETAILED DESCRIPTION OF THE FIGURES

Das Grundprinzip der Erfindung besteht darin, durch eine spezielle räumliche Anordnung von mindestens drei teilreflektierenden Spiegeln und einem Kollimations-Objektiv die Abhängigkeiten des Reflexionsgrades vom Winkel und vom Polarisationszustand nahezu vollständig zu kompensieren, so dass die zur Kollimation oder Abbildung benötigten Objektive nicht im Leistungsstrahl sondern hinter zumindest einem Spiegel angeordnet werden können und somit auch der Fokus-Shift der Vorrichtung insgesamt vernachlässigbar klein ist. The basic principle of the invention is to almost completely compensate for the dependencies of the degree of reflection on the angle and the state of polarization by means of a special spatial arrangement of at least three partially reflecting mirrors and a collimation objective, so that the objectives required for collimation or imaging are not behind the power beam but behind at least one mirror can be arranged and thus the focus shift of the device is negligibly small overall.

Es wird dazu eine Vorrichtung zur Verfügung gestellt, die einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv und einen dritten teilreflektierenden Spiegel umfasst, wobei die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen und an diesen unbeschichteten Planflächen jeweils ein kleiner Teil der Strahlung unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird. Die Reflexionsebenen, die durch den einfallenden und reflektierten Strahl eines Spiegels aufgespannt werden, sind bei den ersten beiden Spiegeln parallel zueinander angeordnet. Zwischen dem zweiten und dem dritten Spiegel wird der Strahl durch das Kollimations-Objektiv kollimiert. Die Reflexionsebene des dritten Spiegels steht senkrecht auf den Reflexionsebenen von erstem und zweitem Spiegel. For this purpose, a device is provided which comprises a first partially reflecting mirror, a second partially reflecting mirror, a collimating lens and a third partially reflecting mirror, the three partially reflecting mirrors each consisting of a transparent optical material and each having at least one plane surface and each of these uncoated plane surfaces a small portion of the radiation is reflected by utilizing the Fresnel reflection. The reflection planes, which are spanned by the incident and reflected beam of a mirror, are arranged parallel to one another in the first two mirrors. Between the second and the third mirror, the beam is collimated by the collimating lens. The reflection plane of the third mirror is perpendicular to the reflection planes of the first and second mirrors.

1 zeigt eine typische schematische Anordnung zur Auskopplung eines Teilstrahls, wie sie in vielen dem Stand der Technik entsprechenden Vorrichtungen eingesetzt wird. Teilstrahl 73 wird aus einem Strahlbündel 71, welches sich hinter einer Strahltaille 70 ausbreitet, durch eine schräggestellten Planplatte 10 mit einer unbeschichteten Fläche 11 und einer Antireflex-beschichteten Fläche 12 ausgekoppelt. Der Hauptanteil 74 der Strahlung tritt durch die Planplatte 10 hindurch. Da der Einfallswinkel 16, 17 auf dem teilreflektierenden Spiegel 10 aufgrund der Divergenz des Strahlbündels 71 variiert, ändert sich gemäß den Frensnel-Formeln auch der Reflexionsgrad innerhalb des Strahlbündels. Dadurch wird das Strahlprofil verfälscht, weshalb diese Art der Strahlauskopplung nachteilig ist. Günstig ist, dass eine Kollimation durch ein Objektiv 50 oder eine sonstige Abbildung im abgeschwächten Teilstrahl stattfindet, wodurch thermo-optische Einflüsse des Objektivs wie z.B. der Fokus-Shift gering sind. 1 shows a typical schematic arrangement for decoupling a partial beam, as used in many of the prior art devices. partial beam 73 gets out of a beam 71 , which is behind a beam waist 70 spreads, by a tilted plan plate 10 with an uncoated surface 11 and an antireflective coated surface 12 decoupled. The main part 74 the radiation passes through the plane plate 10 therethrough. Because the angle of incidence 16 . 17 on the partially reflecting mirror 10 due to the divergence of the beam 71 varies, according to the Frensnel formulas, the reflectance within the beam changes. As a result, the beam profile is distorted, which is why this type of beam extraction is disadvantageous. It is favorable that a collimation by a lens 50 or another image takes place in the attenuated partial beam, as a result of which the thermo-optical influences of the objective, such as the focus shift, are small.

Der in den üblichen Vorrichtungen nach 1 auftretende winkelabhängige Reflexionsgrad ist in 2 dargestellt. Im gezeigten Beispiel wird ein Strahl mit einer numerischen Apertur von NA = 0,14 (entspricht ca. +/–8°) von einer unbeschichteten Quarzglas-Platte um 90° umgelenkt, der Strahleinfallswinkel beträgt also 45° auf der optischen Achse und variiert innerhalb des Strahlbündels im Bereich von etwa 37° bis 53° (durchgezogener Bereich der Kurven). Man erkennt, dass in diesem Beispiel der Reflexionsgrad für einen P-polarisierten Strahl um einen Faktor von rund 30 variiert, was zu einer entsprechenden Variation der Intensität über der Strahl-Apertur führt. Dadurch wird das zu messende Profil des Strahls stark verfälscht, die Anordnung ist somit zur exakten Strahlvermessung nicht geeignet. Für S-polarisierte Strahlen variiert der Reflexionsgrad um einen Faktor von ca. 2, während das Verhältnis zwischen S- und P-polarisiertem Strahl auf der optischen Achse 12,5 beträgt. The in the usual devices after 1 occurring angle-dependent reflectance is in 2 shown. In the example shown, a beam with a numerical aperture of NA = 0.14 (corresponds to approx. +/- 8 °) is deflected by 90 ° from an uncoated quartz glass plate, ie the beam incidence angle is 45 ° on the optical axis and varies within of the beam in the range of about 37 ° to 53 ° (solid area of the curves). It can be seen that in this example, the reflectance for a P-polarized beam by a factor of about 30 varies, resulting in a corresponding variation in intensity over the beam aperture. As a result, the profile of the beam to be measured is strongly distorted, the arrangement is thus not suitable for exact beam measurement. For S-polarized beams, the reflectance varies by a factor of about 2, while the ratio between S- and P-polarized beams on the optical axis is 12.5.

In 3 ist eine alternative Möglichkeit zur Auskopplung eines Teilstrahls dargestellt, wie sie ebenfalls in Vorrichtungen des Standes der Technik verwendet wird. Hier wird zuerst der sich hinter einer Strahltaille 70 ausbreitende Strahl 71 kollimiert durch ein Objektiv 50 und erst nachfolgend mit einer schräggestellten Planplatte 10 ein Teilstrahl 73 ausgekoppelt, wobei der Hauptanteil 74 der Strahlung die Planplatte transmittiert. Hierbei wird zwar die Verfälschung des Strahlprofils vermieden, da der Strahleinfallswinkel auf der Planplatte konstant ist, jedoch ist im allgemeinen der Reflexionsgrad für die beiden Polarisationsrichtungen des Strahls verschieden. Ebenfalls nachteilig sind die thermo-optischen Effekte im Kollimations-Objektiv 50. Durch die Absorption der Strahlung 71 im Objektiv 50 entsteht eine zusätzliche thermische Brechkraft 53, die einen Fokus-Shift und thermo-optischen Aberrationen (Abbildungsfehler) erzeugt. In 3 an alternative way of extracting a partial beam is shown, as it is also used in devices of the prior art. Here is the first behind a beam waist 70 spreading beam 71 collimated by a lens 50 and only subsequently with a tilted plane plate 10 a partial beam 73 decoupled, with the main portion 74 the radiation transmits the plane plate. Although the falsification of the beam profile is avoided because the angle of incidence on the plane plate is constant, the reflectivity for the two polarization directions of the beam is generally different. Also disadvantageous are the thermo-optical effects in the collimation objective 50 , By the absorption of the radiation 71 in the lens 50 creates an additional thermal power 53 which produces a focus shift and thermo-optical aberrations (aberrations).

4 zeigt eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Strahlvermessung in einer ersten Ausführungsform. Der sich hinter einer Strahltaille 70 divergent ausbreitende Strahl 71 wird zuerst, d.h. ohne vorherige Kollimation oder sonstige Abbildung, nacheinander von zwei teilreflektierenden Spiegeln 10, 20 reflektiert, so dass die Intensität des derart ausgekoppelten Teilstrahls auf einen Bruchteil abgesunken ist. Nachfolgend wird der Strahl von einem Objektiv 50 kollimiert; der kollimierte Strahl 72 wird dann von einem dritten teilreflektierenden Spiegel 30 reflektiert, wobei die Ebene, die von einfallendem und reflektiertem Strahl aufgespannt wird, die sogenannte Reflexionsebene, für den dritten Spiegel 30 senkrecht auf den Reflexionsebenen des ersten und des zweiten Spiegels steht. Um diese räumliche Anordnung zu verdeutlichen, ist eine perspektivische Form der Darstellung gewählt. Bei allen drei teilreflektierenden Spiegeln 10, 20, 30 wird zur Reflexion die unbeschichtete Grenzfläche einer Planfläche ausgenutzt. Der Hauptanteil 74 der Strahlung transmittiert durch den Spiegel 10. Durch die Spiegel 20 und 30 treten jeweils kleine Rest-Anteile 75 der Strahlung hindurch, die von nicht dargestellten Absorbern aufgefangen werden können. 4 shows a schematic representation of the device according to the invention for beam measurement in a first embodiment. He is behind a beam waist 70 divergently spreading beam 71 is first, ie without prior collimation or other mapping, successively by two partially reflecting mirrors 10 . 20 reflected, so that the intensity of the thus coupled-out partial beam has dropped to a fraction. Below is the beam from a lens 50 collimated; the collimated beam 72 is then from a third partially reflecting mirror 30 reflected, wherein the plane which is spanned by incident and reflected beam, the so-called reflection plane, for the third mirror 30 is perpendicular to the reflection planes of the first and the second mirror. To illustrate this spatial arrangement, a perspective form of the representation is selected. For all three partially reflective mirrors 10 . 20 . 30 For reflection, the uncoated interface of a plane surface is utilized. The main part 74 the radiation transmitted through the mirror 10 , Through the mirror 20 and 30 each small residual shares occur 75 the radiation through, which can be absorbed by absorbers, not shown.

5 dient zur Erläuterung des Prinzips der Kompensation der Winkelabhängigkeit des Reflexionsgrades in der erfindungsgemäßen Vorrichtung. Dazu sind die Reflexionen des zu vermessenden Strahlbündels 71 an den ersten beiden Spiegeln 10 und 20 dargestellt. Dabei wird der Strahl 71, bezogen den Strahl 76 auf der optischen Achse, am ersten Spiegel 10 um einen ersten Umlenkwinkel 15 umgelenkt und danach am zweiten Spiegel 20 um einen zweiten Umlenkwinkel 25. Betrachtet man einen Randstrahl 77 des Strahlbündels 71, so ist zu erkennen, dass der Einfallswinkel auf dem ersten Spiegel 10 beispielsweise größer ist als der Einfallswinkel des Hauptstrahls 76, auf dem zweiten Spiegel 20 ist es umgekehrt. Folglich ist der Reflexionsgrad für den Randstrahl 77 einmal größer und einmal kleiner als der Reflexionsgrad für den Hauptstrahl 76. Nach beiden Reflexionen haben sich daher die Unterschiede in der resultierenden Intensität des Strahlbündels 72 fast ausgeglichen. 5 serves to explain the principle of compensation of the angular dependence of the reflectance in the device according to the invention. These are the reflections of the beam to be measured 71 at the first two mirrors 10 and 20 shown. At the same time the beam becomes 71 , related to the beam 76 on the optical axis, on the first mirror 10 around a first deflection angle 15 diverted and then at the second mirror 20 around a second deflection angle 25 , Looking at a marginal ray 77 of the beam 71 , it can be seen that the angle of incidence on the first mirror 10 for example, greater than the angle of incidence of the main beam 76 , on the second mirror 20 it is the other way around. Consequently, the reflectance for the marginal ray 77 once larger and once smaller than the reflectance for the main beam 76 , After both reflections, therefore, the differences in the resulting intensity of the beam have 72 almost balanced.

Diese Kompensation der Winkelabhängigkeit ist in 6 anhand des resultierenden Intensitätsverlaufs für den ausgekoppelten Teilstrahl 73 bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung nach 4 für beide Polarisationsrichtungen in Abhängigkeit des Einfallswinkels dargestellt. Die Reflexion am dritten teilreflektierenden Spiegel 30 ist in dieser Darstellung ebenfalls mit eingerechnet. Der durchgezogene Bereich der Kurven ist der in der Vorrichtung nach 4 vom Strahlbündel 71 genutzte Winkelbereich. This compensation of the angle dependence is in 6 on the basis of the resulting intensity profile for the decoupled partial beam 73 in the inventive device according to 4 shown for both polarization directions as a function of the angle of incidence. The reflection on the third partially reflecting mirror 30 is also included in this illustration. The solid portion of the curves is that in the device 4 from the beam 71 used angle range.

In den 7a, 7b und 7c ist gezeigt, wie der freie Arbeitsabstand 90 der erfindungsgemäßen Vorrichtung, der sich aus dem Abstand der Vorrichtung zur Strahltaille 70 ergibt, mit den Umlenkwinkeln 15 und 25 am ersten 10 und am zweiten Spiegel 20 zusammenhängen. In den Anordnungen nach den 7a und 7b ist der Umlenkwinkel 15, 25 an beiden Spiegeln jeweils gleich. In 7a beträgt der Umlenkwinkel jeweils 45°, so dass sich für den kollimierten Strahl 72 eine günstige rechtwinklige Geometrie ergibt, jedoch ist der Arbeitsabstand 90 sehr klein, die zu vermessende Strahltaille 70 liegt nur knapp außerhalb der Vorrichtung. In 7b beträgt der Umlenkwinkel jeweils 50°, so dass das Kollimations-Objektiv 50 näher an den Strahl angeordnet werden kann, der resultierende Arbeitsabstand 90 ist daher etwas größer, aber immer noch relativ klein. In the 7a . 7b and 7c is shown as the free working distance 90 the device according to the invention, arising from the distance of the device to the beam waist 70 results, with the deflection angles 15 and 25 at first 10 and at the second mirror 20 related. In the arrangements after the 7a and 7b is the deflection angle 15 . 25 the same at both mirrors. In 7a the deflection angle is in each case 45 °, so that for the collimated beam 72 gives a favorable rectangular geometry, but the working distance 90 very small, the beam waist to be measured 70 is just outside the device. In 7b the deflection angle is 50 °, so that the collimation lens 50 can be arranged closer to the beam, the resulting working distance 90 is therefore a bit bigger, but still relatively small.

Erst bei Verwendung unterschiedlicher Umlenkwinkel 15 und 25 an dem ersten 10 und dem zweiten Spiegel 20, wie in 7c gezeigt, können sich alle optischen Elemente gut an den Strahl anschmiegen, und man erhält einen deutlich größeren Arbeitsabstand 90. Hierbei ist der Umlenkwinkel 15 am ersten Spiegel 10 (beispielsweise 40°) kleiner als der Umlenkwinkel 25 am zweiten Spiegel 20 (beispielsweise 60°). Only when using different deflection angle 15 and 25 at the first 10 and the second mirror 20 , as in 7c As shown, all the optical elements can cling well to the beam and you get a much larger one working distance 90 , Here is the deflection angle 15 at the first mirror 10 (For example, 40 °) smaller than the deflection angle 25 at the second mirror 20 (for example 60 °).

8 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem zweiten Ausführungsbeispiel, bei dem zwischen dem ersten 10 und dem zweiten Spiegel 20 ein Relais-Objektiv 55 eingefügt ist und dadurch ein wesentlich größerer Arbeitsabstand erzielt wird, d.h. die Strahltaille 70 ist deutlich weiter von der Vorrichtung entfernt. Gleichzeitig erhält man einen kleineren Durchmesser für den kollimierten Strahl 72 und 73, wodurch eine kompaktere Bauweise ermöglicht wird, wie an den kleineren Abmessungen des dritten Spiegels 30 erkennbar ist. Da hierbei der Strahl nur durch einen teilreflektierenden Spiegel 10 abgeschwächt wird, bevor ein Objektiv 55 im Strahl angeordnet ist, sind die thermo-optischen Effekte in dieser Ausführungsform nicht so weit reduziert wie in der ersten Ausführungsform. 8th shows the device according to the invention in a second embodiment, in which between the first 10 and the second mirror 20 a relay lens 55 is inserted and thereby a much greater working distance is achieved, ie the beam waist 70 is much further away from the device. At the same time, a smaller diameter is obtained for the collimated beam 72 and 73 , which allows a more compact design, as with the smaller dimensions of the third mirror 30 is recognizable. Here, the beam only by a partially reflecting mirror 10 is attenuated before a lens 55 is arranged in the beam, the thermo-optical effects in this embodiment are not reduced as much as in the first embodiment.

In 9 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung dargestellt in einem Ausführungsbeispiel ähnlich der ersten Ausführungsform nach 4. In diesem Ausführungsbeispiel wird ein Kollimations-Objektiv 51 in Retrofokus-Bauweise verwendet. Die Retrofokus-Bauweise bewirkt, dass die Schnittweite des Objektivs, d.h. der Abstand vom Fokus, also der Strahltaille 70, zur ersten Linsenfläche des Kollimations-Objektivs 51, größer ist als die effektive Brennweite des Objektivs 51. Damit wird ein kleinerer kollimierter Strahldurchmesser 72 sowie 73 erzielt und dadurch eine insgesamt kompaktere Bauweise ermöglicht. In 9 the device according to the invention is shown in an embodiment similar to the first embodiment according to 4 , In this embodiment, a collimating lens 51 used in retro-focus construction. The retrofocus design causes the focal length of the lens, ie the distance from the focus, ie the beam waist 70 , to the first lens surface of the collimating lens 51 , greater than the effective focal length of the lens 51 , This will result in a smaller collimated beam diameter 72 such as 73 achieved, thereby enabling a more compact overall design.

10 zeigt die erfindungsgemäße Vorrichtung in der ersten Ausführungsform analog zu 4 oder 9, wobei weitere Komponenten zur vollständigen Abbildung des Strahls 71 mit seiner Strahltaille 70 gezeigt sind. Zusätzlich dargestellt ist hier die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel 40, womit der ausgekoppelte Teilstrahl wieder parallel zum ursprünglichen Strahl 71 ausgerichtet wird, und die Fokussierung 60 des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor 80. Das Fokussier-Objektiv 60 ist in Tele-Bauweise ausgeführt, d.h. die Schnittweite von der letzten Linse zur Bild-Ebene 80 ist kleiner als die effektive Brennweite des Objektivs, womit eine kompakte Bauweise des Gesamtsystems insbesondere bei höheren Vergrößerungen des Systems unterstützt wird. 10 shows the device according to the invention in the first embodiment by analogy 4 or 9 , with other components for complete imaging of the beam 71 with his beam waist 70 are shown. Additionally shown here is the beam deflection by a fourth mirror 40 , whereby the decoupled partial beam again parallel to the original beam 71 is aligned, and the focus 60 of the decoupled and attenuated sub-beam to a sensor 80 , The focusing lens 60 is designed in tele-construction, ie the focal distance from the last lens to the image plane 80 is smaller than the effective focal length of the lens, thus supporting a compact overall system design, especially at higher magnifications of the system.

In 11 ist die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform analog zu 8 dargestellt, wobei weitere Komponenten zur vollständigen Abbildung des Strahls gezeigt sind. Zusätzlich dargestellt ist die Strahlumlenkung durch einen vierten Spiegel 40, womit der ausgekoppelte Teilstrahl wieder parallel zum ursprünglichen Strahl 71 ausgerichtet wird, und die Fokussierung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor 80. Das Fokussier-Objektiv 60 ist in Tele-Bauweise ausgeführt. In 11 the device according to the invention in a second embodiment is analogous to 8th shown, wherein other components for complete imaging of the beam are shown. In addition, the beam deflection is represented by a fourth mirror 40 , whereby the decoupled partial beam again parallel to the original beam 71 is aligned, and the focus of the decoupled and attenuated sub-beam on a sensor 80 , The focusing lens 60 is executed in tele-construction.

AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Die Erfindung umfasst in einer grundlegenden Ausführungsform drei teilreflektierende Spiegel und ein Kollimations-Objektiv in einer speziellen räumlichen Anordnung. Der zu vermessende Strahl weist eine Strahltaille 70 auf, die gebildet sein kann durch einen Strahlaustritt wie beispielsweise eine Lichtleitfaserspitze, oder durch die Ausbildung eines Strahlfokus hinter einer Optik. Hinter der Strahltaille 70 breitet sich der Strahl aus und bildet ein divergentes Strahlbündel 71. Ein erster teilreflektierender Spiegel 10 ist im Strahl 71 angeordnet und koppelt durch Reflexion einen kleinen Anteil der Strahlung aus, die dadurch um einen gewissen Winkel 15 umgelenkt wird, wogegen der Hauptanteil 74 des Strahls 71 durch den Spiegel 10 transmittiert und nachfolgend auf eine Strahlfalle 85 oder ein Strahlleistungs-Messgerät auftreffen kann. Der reflektierte Anteil des Strahls trifft auf den zweiten teilreflektierenden Spiegel 20, welcher wiederum einen Anteil reflektiert und dadurch um einen Winkel 25 umlenkt, während ein Rest-Anteil 75 des Strahls durch den Spiegel 20 transmittiert und hinter dem Spiegel von einem nicht dargestellten Absorber aufgefangen wird. Nach der Reflexion durch den zweiten Spiegel 20 wird der Strahl von einem Kollimations-Objektiv 50 kollimiert, der Strahl bildet nach der Kollimation also ein nahezu paralleles Strahlbündel 72. Der kollimierte Strahl 72 wird nun durch einen dritten teilreflektierenden Spiegel 30 reflektiert. Bei dieser Reflexion steht die Reflexionsebene, die durch den einfallenden und reflektierten Strahl eines Spiegels aufgespannt wird, senkrecht auf den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel. Nach der Reflexion am dritten Spiegel 30 steht nun ein kollimiertes, abgeschwächtes Strahlbündel 73 zur Verfügung, welches ein genaues Abbild des ursprünglichen Strahls 71 darstellt. Dieser Teilstrahl 73 kann nun beispielsweise mittels einem Fokussier-Objektiv 60 auf einen Sensor 80, z.B. eine CCD-Kamera, abgebildet werden. The invention comprises in a basic embodiment three partially reflecting mirrors and a collimating lens in a special spatial arrangement. The beam to be measured has a beam waist 70 which may be formed by a beam exit, such as an optical fiber tip, or by the formation of a beam focus behind an optic. Behind the beam waist 70 the beam spreads and forms a divergent beam 71 , A first partially reflective mirror 10 is in the beam 71 arranged and coupled by reflection a small proportion of the radiation, thereby by a certain angle 15 is redirected, whereas the main part 74 of the beam 71 through the mirror 10 transmitted and subsequently to a beam trap 85 or a beam power meter can hit. The reflected portion of the beam hits the second partially reflecting mirror 20 which in turn reflects a portion and thereby at an angle 25 diverts while a residual share 75 the beam through the mirror 20 is transmitted and collected behind the mirror by an absorber, not shown. After reflection by the second mirror 20 The beam is from a collimation lens 50 collimated, the beam thus forms after collimation an almost parallel beam 72 , The collimated beam 72 is now through a third partially reflecting mirror 30 reflected. In this reflection, the plane of reflection, which is spanned by the incident and reflected beam of a mirror, is perpendicular to the reflection planes of the first and second mirrors. After the reflection at the third mirror 30 is now a collimated, attenuated beam 73 available, which is an accurate reflection of the original beam 71 represents. This partial beam 73 can now, for example, by means of a focusing lens 60 on a sensor 80 , eg a CCD camera.

Der ausgekoppelte Teilstrahl 73 soll ein genaues Abbild des ursprünglichen Strahls 71 darstellen. Dies wird durch die im folgenden erläuterte Funktionsweise gewährleistet. The decoupled partial beam 73 intended to be an exact replica of the original ray 71 represent. This is ensured by the operation explained below.

Durch die Reflexion an den ersten beiden Spiegeln 10 und 20 wird die Winkelabhängigkeit der Reflexion kompensiert, da z.B. ein Randstrahl 77, der auf dem ersten Spiegel 10 einen größeren Einfallswinkel aufweist als der Hauptstrahl 76, bei der Reflexion am zweiten Spiegel 20 einen kleineren Winkel als der Hauptstrahl 76 besitzt (vgl. dazu 5). Aufgrund der Winkelabhängigkeit der Reflexion hat der Randstrahl somit am ersten Spiegel beispielsweise einen größeren Reflexionsgrad als der Hauptstrahl, während am zweiten Spiegel der Reflexionsgrad kleiner ist. Nach der zweimaligen Reflexion sind dadurch die Unterschiede in der resultierenden Intensität fast ausgeglichen. Die Winkelabhängigkeit ist dadurch nahezu beseitigt, der sehr kleine Restfehler ist nun vorteilhafterweise symmetrisch zur optischen Achse und stört nicht mehr. Through the reflection on the first two mirrors 10 and 20 the angular dependence of the reflection is compensated, because eg a marginal ray 77 who is on the first mirror 10 has a larger angle of incidence than the main beam 76 , when reflecting on the second mirror 20 a smaller angle than the main beam 76 owns (cf 5 ). Due to the angular dependence of the reflection of the edge beam thus has, for example, at the first mirror a greater degree of reflection than the main beam, while at the second mirror, the reflectance is smaller. After the two-time reflection, the differences in the resulting intensity are almost balanced. The angular dependence is thereby almost eliminated, the very small residual error is now advantageously symmetrical to the optical axis and no longer disturbs.

Zur Kompensation der verbleibenden unterschiedlichen Strahlintensitäten für die beiden Polarisationsrichtungen wird die Reflexion an einem dritten teilreflektierenden Spiegel 30 benötigt. Um den Unterschied ausgleichen zu können, statt diesen weiter zu vergrößern, muss der dritte Spiegel 30 in eine Richtung senkrecht zu den anderen beiden Spiegeln 10 und 20 reflektieren. Das erneute Auftreten einer Variation der Reflexion durch unterschiedliche Einfallswinkel im Strahlbündel wird dabei verhindert durch die Kollimation mittels des Kollimations-Objektivs 50, welches daher vor dem dritten Spiegel 30 angeordnet ist. To compensate for the remaining different beam intensities for the two polarization directions, the reflection on a third partially reflecting mirror 30 needed. In order to be able to compensate for the difference, instead of enlarging it further, the third mirror must be used 30 in a direction perpendicular to the other two mirrors 10 and 20 reflect. The re-occurrence of a variation of the reflection by different angles of incidence in the beam is prevented by the collimation by means of the collimating lens 50 which is therefore in front of the third mirror 30 is arranged.

6 zeigt die resultierende Intensität des Strahls für beide Polarisatonsrichtungen im kollimierten Strahl 73 für das in 4 oder 9 gezeigte Ausführungsbeispiel; die verbleibende Variation der Intensität ist für einen polarisierten Strahl in beiden Polarisationsrichtungen äußerst gering und für einen unpolarisierten Strahl, den man sich aus beiden Polarisations-Anteilen zusammengesetzt denken kann und die resultierende Intensität sich daher aus dem Mittelwert der beiden Kurven ergibt, praktisch nicht mehr messbar. 6 shows the resulting intensity of the beam for both polarization directions in the collimated beam 73 for the in 4 or 9 embodiment shown; the residual variation in intensity is extremely small for a polarized beam in both directions of polarization, and for an unpolarized beam that can be thought of as being composed of both polarization components, and the resulting intensity therefore results from the average of the two curves, is practically immeasurable ,

Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann verschiedene Ausführungsformen aufweisen. Allen Ausführungsformen gemeinsam sind folgende wesentliche Merkmale:

  • – Verwendung von mindestens 3 teilreflektierenden Spiegeln, die zur teilweisen Reflexion des Strahls die unbeschichtete Grenzfläche des Materials ausnutzen;
  • – der erste Spiegel ist direkt im zu vermessenden, divergenten Strahl angeordnet, d.h. zwischen der zu abzubildenden Strahl-Ebene (die Strahl-Taille, der Strahl-Fokus oder die Strahl-Austrittsebene) und dem ersten Spiegel befindet sich kein abbildendes optisches Element;
  • – die von einfallendem und reflektiertem Strahl eines Spiegels aufgespannte Ebene, die Reflexions-Ebene, ist bei den ersten beiden Spiegeln gleich;
  • – nach der Reflexion an den ersten beiden Spiegeln wird der Strahl durch ein Kollimations-Objektiv kollimiert;
  • – nach der Kollimation des Strahls wird dieser durch den dritten Spiegel reflektiert, hierbei steht die durch einfallenden und reflektierten Strahl gebildete Ebene senkrecht auf der entsprechenden Ebene der ersten beiden Spiegeln.
The device according to the invention can have various embodiments. Common to all embodiments are the following essential features:
  • - using at least 3 partially reflective mirrors which utilize the uncoated interface of the material to partially reflect the beam;
  • The first mirror is arranged directly in the divergent beam to be measured, ie there is no imaging optical element between the beam plane to be imaged (the beam waist, the beam focus or the beam exit plane) and the first mirror;
  • The plane spanned by the incident and reflected beam of a mirror, the reflection plane, is the same in the first two mirrors;
  • After reflection at the first two mirrors, the beam is collimated by a collimating lens;
  • - After the collimation of the beam, this is reflected by the third mirror, in this case, the plane formed by incident and reflected beam is perpendicular to the corresponding plane of the first two mirrors.

Aus den Merkmalen der Erfindung ergeben sich folgende besondere Vorteile:

  • – Der Fokus-Shift (bzw. die Laserleistungs-induzierte Fokus-Verschiebung) ist äußerst gering und praktisch nicht mehr messbar.
  • – Sehr genaue Übertragung des Strahlprofils vom ursprünglichen Strahl in den abgeschwächten Mess-Strahl.
  • – Praktisch keine Abhängigkeit von der Polarisationsrichtung des Strahls.
  • – Hohe exakte Abschwächung, typischerweise um mehr als drei Größenordnungen.
The features of the invention provide the following special advantages:
  • - The focus shift (or the laser power-induced focus shift) is extremely low and virtually impossible to measure.
  • - Very accurate transmission of the beam profile from the original beam into the attenuated measuring beam.
  • - Virtually no dependence on the polarization direction of the beam.
  • - High exact attenuation, typically more than three orders of magnitude.

Die wesentlichen Eigenschaften des Systems werden durch die unmittelbaren physikalischen Zusammenhänge an den Grenzflächen der Spiegel definiert, so dass es keine produktionstechnischen Toleranzen und Abweichungen gibt. The essential properties of the system are defined by the immediate physical relationships at the interfaces of the mirrors, so that there are no production tolerances and deviations.

Zur Abbildung des ausgekoppelten und abgeschwächten Teilstrahls auf einen Sensor dient ein Fokussier-Objektiv.A focusing lens is used to image the decoupled and attenuated partial beam onto a sensor.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung können folgende Merkmale aufweisen: Die Rückseite der teilreflektierenden Spiegel kann zur Minderung von Streulicht Antireflexbeschichtet sein. Further embodiments of the invention may have the following features: The rear side of the partially reflecting mirrors may be antireflected to reduce stray light.

Mittels eines vierten Spiegels, vorzugsweise zwischen drittem Spiegel und Fokussier-Objektiv angeordnet, kann die Achse des abgeschwächten Mess-Strahls wieder parallel zur Achse des Eingangsstrahls ausgerichtet werden. By means of a fourth mirror, preferably arranged between third mirror and focusing lens, the axis of the attenuated measuring beam can be aligned again parallel to the axis of the input beam.

Zwischen erstem und zweitem Spiegel kann sich ein Relais-Objektiv befinden, welches einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 besitzt. Auf diese Weise kann der freie Arbeitsabstand des Gesamtsystems zur Mess-Ebene (der zu vermessenden Strahltaille) deutlich erhöht werden. Between the first and second mirror, a relay lens can be located, which has a magnification of about -1. In this way, the free working distance of the entire system to the measurement level (the beam waist to be measured) can be significantly increased.

Zur Optimierung des Arbeitsabstandes in einer Ausführungsform mit direkt hintereinander angeordnetem ersten und zweiten Spiegel ist es sinnvoll, den Reflexionswinkel auf erstem und zweitem Spiegel unterschiedlich auszuführen, nämlich den Reflexionswinkel auf dem ersten Spiegel kleiner zu wählen. Die Brechzahl des ersten Spiegels ist dann ebenfalls kleiner zu wählen; die Reflexionswinkel und die Brechzahlen von erstem und zweitem Spiegel stehen in einem bestimmten Verhältnis zueinander. In order to optimize the working distance in an embodiment with first and second mirrors arranged directly behind one another, it makes sense to design the reflection angle on the first and second mirrors differently, namely to select the reflection angle on the first mirror to be smaller. The refractive index of the first mirror is then also smaller to choose; the reflection angles and the refractive indices of the first and second mirrors are in a specific relationship to each other.

Die Brechzahl des ersten Spiegels kann möglichst klein gewählt werden, damit der Reflexionsgrad gering ist. The refractive index of the first mirror can be chosen as small as possible, so that the reflectance is low.

Der dritte, im kollimierten Strahl stehende Spiegel kann keilförmig aufgebaut sein, d.h. unbeschichtete Vorderseite und antireflex-beschichtete Rückseite sind nicht parallel zueinander sondern schließen einen kleinen Winkel ein. The third mirror, which is in the collimated beam, may be wedge-shaped; uncoated front and anti-reflective coated back are not parallel to each other but include a small angle.

Um einen besonders geringen Fokus-Shift zu erhalten, ist es sinnvoll, ein kollimierendes oder abbildendes Optisches System erst nach dem zweiten teilreflektierenden Spiegel anzuordnen. Leider wird durch diese Anordnung besonders viel Arbeitsabstand „verbraucht“, d.h. die zu vermessende Strahlebene (die Strahltaille) läuft Gefahr, in den reflektierten Strahl hineinzulaufen. Dies könnte zur Vermessung des Strahlfokus einer Bearbeitungsoptik noch vertretbar ein, die Vermessung des Strahls aus einer Lichtleitfaser, insbesondere mit einer angeschweißten Endkappe, kann dadurch unmöglich werden. To obtain a particularly low focus shift, it makes sense to arrange a collimating or imaging optical system only after the second partially reflecting mirror. Unfortunately, this arrangement "consumes" extra working distance, i. the beam plane to be measured (the beam waist) runs the risk of running into the reflected beam. This could be acceptable for measuring the beam focus of a processing optics, the measurement of the beam from an optical fiber, in particular with a welded end cap, can be impossible.

Zur Optimierung des Arbeitsabstandes ist es erforderlich, die Einfallswinkel auf den beiden Spiegeln, bezogen auf die optische Achse, bzw. die Umlenkwinkel des Strahlbündels an den Spiegeln unterschiedlich zu wählen, damit sich die optischen Elemente möglichst nah an den Strahl „anschmiegen“ können. 7 zeigt dazu beispielhaft verschiedene Anordnungen. Es ist zu erkennen, dass Vorrichtungs-Varianten mit gleichen Umlenkwinkeln auf den ersten beiden Spiegeln (7a und 7b) nicht zu einem maximalen Arbeitsabstand führen, dies gelingt erst mit verschiedenen Umlenkwinkeln (7c).To optimize the working distance, it is necessary to choose different angles of incidence on the two mirrors, relative to the optical axis, or the deflection angle of the beam at the mirrors, so that the optical elements as close to the beam "snuggle" can. 7 shows by way of example various arrangements. It can be seen that device variants with the same deflection angles on the first two mirrors ( 7a and 7b ) do not lead to a maximum working distance, this succeeds only with different deflection angles ( 7c ).

Bei verschiedenen Umlenkwinkeln auf dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel verliert man jedoch den Vorteil der optimalen Kompensation der winkelabhängigen Reflexion, was wieder zu einer variierenden Intensität über der Strahlapertur führt und damit zur Verfälschung des Strahlprofils. At different deflection angles on the first mirror and the second mirror, however, one loses the advantage of optimal compensation of the angle-dependent reflection, which again leads to a varying intensity over the beam aperture and thus to the falsification of the beam profile.

Um dieses Problem zu umgehen, wählt man für den ersten und den zweiten Spiegel Materialien mit unterschiedlichen Brechzahlen. Bei einem geeigneten Verhältnis der Brechzahlen, welches vom Verhältnis der Strahl-Umlenkwinkel abhängt, erhält man wieder eine optimale Kompensation der Winkelabhängigkeit. To get around this problem, choose materials with different refractive indices for the first and second mirrors. With a suitable ratio of the refractive indices, which depends on the ratio of the beam deflection angle, one obtains again an optimal compensation of the angular dependence.

Eine optimale Kompensation der Winkelabhängigkeit der Reflexion, d.h. eine minimale restliche Variation der Intensität, erhält man dann, wenn die resultierende Intensitätskurve nach den beiden Reflexionen symmetrisch zum Hauptstrahl verläuft, also symmetrisch zum Strahl auf der optischen Achse (vgl. dazu 6). Der resultierende Intensitäts-Verlauf hat also auf der optischen Achse ein Extremum (Minimum oder Maximum). Nun ist es allerdings so, dass bei verschiedenen Brechzahlen für ersten Spiegel und zweiten Spiegel sich unterschiedliche optimale Winkel ergeben, je nachdem, ob man einen unpolarisierten, einen P-polarisierten oder einen S-polarisierten Strahl betrachtet. Für einen unpolarisierten Strahl ergibt sich näherungsweise folgender Zusammenhang für die optimalen Einfallswinkel: α21 ≈ (n2/n1)1/2 [Formel 1] Erläuterung der Formelsymbole:

α1
Einfallswinkel auf erstem Spiegel, bezogen auf die optische Achse (= halber Umlenkwinkel am ersten Spiegel)
α2
Einfallswinkel auf zweitem Spiegel, bezogen auf die optische Achse (= halber Umlenkwinkel am zweiten Spiegel)
n1
Brechzahl des ersten Spiegels
n2
Brechzahl des zweiten Spiegels
Optimal compensation of the angular dependence of the reflection, ie a minimal residual variation of the intensity, is obtained when the resulting intensity curve after the two reflections is symmetrical to the principal ray, that is symmetrical to the ray on the optical axis (cf. 6 ). The resulting intensity curve thus has an extremum (minimum or maximum) on the optical axis. However, different refractive indices for the first mirror and the second mirror give different optimal angles, depending on whether one considers an unpolarized, a P-polarized or an S-polarized beam. For an unpolarized beam, approximately the following relationship for the optimum angles of incidence arises: α 2 / α 1 ≈ (n 2 / n 1 ) 1/2 [Formula 1] Explanation of the formula symbols:
α 1
Angle of incidence on the first mirror, relative to the optical axis (= half deflection angle at the first mirror)
α 2
Incident angle on the second mirror, relative to the optical axis (= half deflection angle at the second mirror)
n 1
Refractive index of the first mirror
n 2
Refractive index of the second mirror

Für einen polarisierten Strahl ergeben sich andere optimale Winkel, und zwar abhängig von der Polarisationsrichtung leicht unterschiedliche Winkel. Für einen polarisierten Strahl beliebiger Orientierung ist daher ein mittlerer optimaler Winkel zu verwenden, für diesen gilt näherungsweise: α21 ≈ n2/n1 [Formel 2] For a polarized beam, there are other optimal angles, and slightly different angles depending on the polarization direction. For a polarized beam of arbitrary orientation, therefore, a mean optimum angle is to be used, for this applies approximately: α 2 / α 1 ≈ n 2 / n 1 [formula 2]

Somit liegt also bei gegebenen Brechzahlen und gegebenem Einfallswinkel für den ersten Spiegel der optimale Einfallswinkel auf dem zweiten Spiegel in folgendem Bereich: α1(n2/n1)1/2 ≤ α2 ≤ α1(n2/n1) [Formel 3] Thus, for given refractive indices and given angle of incidence for the first mirror, the optimum angle of incidence on the second mirror is in the following range: α 1 (n 2 / n 1 ) 1/2 ≦ α 2 ≦ α 1 (n 2 / n 1 ) [Formula 3]

Hat man keine Information über den Polarisationszustand, d.h. kann dieser beliebig sein als auch der Strahl unpolarisiert sein, so ist es sinnvoll, als Kompromiss etwa ein Winkelverhältnis zu wählen, welches sich als Mittelwert aus Formel 1 und 2 ergibt: α21 ≈ [(n2/n1)1/2 + (n2/n1)]/2 [Formel 4] If one has no information about the state of polarization, ie if it can be arbitrary as well as the beam can be unpolarized, then it makes sense to choose as compromise, for example, an angular ratio which results as mean value of formulas 1 and 2: α 2 / α 1 ≈ [(n 2 / n 1 ) 1/2 + (n 2 / n 1 )] / 2 [Formula 4]

Die 10 und 11 zeigen Varianten der Vorrichtung in erweiterter Form. Der vierte Spiegel dient dazu, die Strahlachse wieder parallel zum Eingangsstrahl auszurichten, und mittels eines Fokussier-Objektivs wird der Strahl auf einen Sensor (z.B. Kamera-Chip) abgebildet. Weitere Komponenten, die zum Betrieb der Vorrichtung sinnvoll sind, aber nicht funktional notwendig sind, wie z.B. Strahl-Absorber hinter dem zweiten und dem dritten Spiegel, oder eine weitere Abschwächung des Strahls vor dem Sensor, sind hier nicht dargestellt. The 10 and 11 show variants of the device in an expanded form. The fourth mirror is used to align the beam axis again parallel to the input beam, and by means of a focusing lens, the beam is imaged onto a sensor (eg camera chip). Other components that are useful for operating the device but are not functionally necessary, such as jet absorber behind the second and the third mirror, or a further attenuation of the beam in front of the sensor, are not shown here.

Geeignete Materialien für die Spiegel sind prinzipiell die gleichen Materialien, die auch sonst für optische Elemente wie Linsen bei höchsten Laserleistungen geeignet sind. Dies sind insbesondere Kristallgläser, welche mit besonders hohem Reinheitsgrad hergestellt werden können und daher eine sehr geringe Absorption aufweisen, beispielsweise Quarzglas, Calciumfluorid, Saphir oder Zinksulfid. Suitable materials for the mirrors are in principle the same materials that are otherwise used for optical elements such as lenses at highest Laser powers are suitable. These are in particular crystal glasses, which can be produced with a particularly high degree of purity and therefore have a very low absorption, for example quartz glass, calcium fluoride, sapphire or zinc sulfide.

Als Material für den Spiegel 1 bietet sich die Verwendung von Quarzglas an; zum einen hat Quarzglas eine relativ geringe Brechzahl, so dass ein besonders hoher Anteil der Strahlung transmittiert wird und nur ein geringer Anteil ausgekoppelt wird, und zum zweiten besitzt Quarzglas einen äußerst geringen Temperatur-Ausdehnungskoeffizienten, so dass die Störung der Wellenfront des ausgekoppelten Strahls durch thermo-optische Effekte auch bei höchsten Strahlleistungen besonders gering ist. The material for the mirror 1 is the use of quartz glass; on the one hand quartz glass has a relatively low refractive index, so that a particularly high proportion of the radiation is transmitted and only a small portion is coupled out, and secondly quartz glass has an extremely low temperature expansion coefficient, so that the disturbance of the wavefront of the coupled-out beam by thermo -optical effects is very low even at the highest beam power.

Die in der 4 bzw. in 9 oder 10 gezeigte Ausführungsform der Erfindung kann mit folgenden Zahlenbeispielen eingesetzt werden. Auf dem ersten Spiegel wird ein Einfallswinkel von 20° verwendet und auf dem zweiten Spiegel ein Einfallswinkel von 30°. Damit ergibt sich, wie in 7c dargestellt, ein günstiger Arbeitsabstand. Als Material für den ersten Spiegel ist Quarzglas (d.h. n1 = 1,45) gewählt, da dieses Material sehr gut für höchste Laserleistungen geeignet ist und aufgrund der kleinen Brechzahl eine geringe Fresnel-Reflexion von im Mittel ca. 3,5% besitzt. Aus dem vorliegenden Winkel-Verhältnis am zweiten Spiegel und dem ersten Spiegel ergibt sich nach Formel 4 eine optimale Brechzahl für den zweiten Spiegel von n2 ≈ 2,46. Ein geeignetes Material mit einer in der Nähe liegenden Brechzahl ist Zinksulfid (ZnS) mit einer Brechzahl von 2,29. Die Brechzahlpaarung 2,29 / 1,45 und ein Einfallswinkel von 20° auf dem ersten Spiegel ergibt nach Formel 3 einen Bereich für den optimalen Einfallswinkel auf dem zweiten Spiegel zwischen 25,1° und 31,6°. Der in dem Ausführungsbeispiel gewählte Winkel von 30° liegt also gut im optimalen Bereich.The in the 4 or in 9 or 10 embodiment of the invention shown can be used with the following numerical examples. An incident angle of 20 ° is used on the first mirror and an angle of incidence of 30 ° on the second mirror. This results in how in 7c shown, a favorable working distance. The material used for the first mirror is quartz glass (ie n 1 = 1.45), since this material is very well suited for highest laser powers and has a low Fresnel reflection of about 3.5% on average due to the small refractive index. From the present angle ratio at the second mirror and the first mirror results according to formula 4, an optimal refractive index for the second mirror of n 2 ≈ 2.46. A suitable material with a near refractive index is zinc sulphide (ZnS) with a refractive index of 2.29. The refractive index pairing 2.29 / 1.45 and an angle of incidence of 20 ° on the first mirror according to formula 3 gives a range for the optimum angle of incidence on the second mirror between 25.1 ° and 31.6 °. The selected angle of 30 ° in the embodiment is thus well in the optimum range.

Aufgrund der Reflexionen an den ersten beiden Spiegeln beträgt das Verhältnis zwischen S- und P-polarisierter Strahlung 2,4. Dieses Verhältnis muss nach der Kollimation kompensiert werden. Dies erfolgt durch die Reflexion am dritten Spiegel. Eingesetzt werden kann dafür ein Spiegel aus Zinksulfid mit einem Einfallswinkel von 37,8°, oder alternativ ein Spiegel aus Saphir mit einem Einfallswinkel von 33,2°, oder ein Spiegel aus Quarzglas mit einem Einfallswinkel von 30,2°. Wird als dritter Spiegel ein Spiegel aus Zinksulfid mit dem Winkel von 37,8° gewählt, dann resultiert nach den Reflexionen an den drei Spiegeln eine Abschwächung der Leistung des ausgekoppelten Teilstrahls auf etwa 0,07% der Leistung des Eingangsstrahls. Due to the reflections on the first two mirrors, the ratio between S- and P-polarized radiation is 2.4. This ratio must be compensated after the collimation. This is done by the reflection on the third mirror. It can be used for a mirror of zinc sulfide with an angle of incidence of 37.8 °, or alternatively a mirror made of sapphire with an angle of incidence of 33.2 °, or a mirror made of quartz glass with an angle of incidence of 30.2 °. If a mirror of zinc sulfide with the angle of 37.8 ° is selected as the third mirror, then the reflections at the three mirrors result in a weakening of the power of the coupled-out partial beam to approximately 0.07% of the power of the input beam.

Die effektive Brennweite des Kollimations-Objektivs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 50 mm bis 500 mm, wenn erster und zweiter Spiegel direkt nacheinander angeordnet sind und kein Relais-Objektiv eingesetzt wird. The effective focal length of the collimating lens is preferably in a range of 50 mm to 500 mm, when the first and second mirrors are arranged directly one after the other and no relay lens is used.

Wird ein Relais-Objektiv zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel eingesetzt, dann liegt die Brennweite des Kollimations-Objektivs vorzugsweise in einem Bereich von –50 mm bis –200 mm. When a relay lens is inserted between the first and second mirrors, the focal length of the collimating lens is preferably in a range of -50 mm to -200 mm.

Die effektive Brennweite des Fokussier-Objektivs liegt vorzugsweise in einem Bereich von 100 mm bis 1000 mm. The effective focal length of the focusing lens is preferably in a range of 100 mm to 1000 mm.

Der durch das Brennweiten-Verhältnis von Fokussier-Objektiv zu Kollimations-Objektivs definierte Abbildungsmaßstab liegt vorzugsweise in einem Bereich von 1 bis 10. The magnification ratio defined by the focal length ratio of the focusing lens to the collimation objective is preferably in a range of 1 to 10.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1010
erster teilreflektierender Spiegel first partially reflecting mirror
1111
unbeschichtete Grenzfläche des ersten Spiegelsuncoated interface of the first mirror
1212
Antireflex-Beschichtung Anti-reflection coating
1515
Strahl-Umlenkwinkel des ersten SpiegelsBeam deflection angle of the first mirror
1616
kleinerer Einfallswinkel als auf der optischen Achse smaller angle of incidence than on the optical axis
1717
größerer Einfallswinkel als auf der optischen Achse greater angle of incidence than on the optical axis
2020
zweiter teilreflektierender Spiegel second partially reflecting mirror
2121
unbeschichtete Grenzfläche des zweiten Spiegelsuncoated interface of the second mirror
2222
Antireflex-Beschichtung Anti-reflection coating
2525
Strahl-Umlenkwinkel des zweiten SpiegelsBeam deflection angle of the second mirror
3030
dritter teilreflektierender Spiegelthird partially reflecting mirror
3131
unbeschichtete Grenzfläche des dritten Spiegelsuncoated interface of the third mirror
3232
Antireflex-BeschichtungAnti-reflection coating
4040
vierter Spiegelfourth mirror
5050
Kollimations-ObjektivCollimating lens
5151
Kollimations-Objektiv in Retrofokus-Bauweise Collimation lens in retrofocus construction
5353
Entstehung einer thermischen Linse durch Absorption der LaserstrahlungFormation of a thermal lens by absorption of the laser radiation
5555
Relais-ObjektivRelay Lens
6060
Fokussier-ObjektivFocusing lens
7070
Strahlfokus, Strahltaille oder Strahlaustrittsebene, sowie zu vermessende Ebene des StrahlsBeam focus, beam waist or beam exit plane, as well as the plane of the beam to be measured
7171
divergentes Strahlbündel divergent beam
7272
kollimiertes Strahlbündelcollimated beam
7373
ausgekoppelte Teilstrahlung zur weiteren Abbildung auf einen Sensor decoupled partial radiation for further imaging on a sensor
7474
Hauptanteil des ursprünglichen StrahlbündelsMain part of the original beam
7575
transmittierter Rest-Anteil des Strahlbündels transmitted residual portion of the beam
7676
Hauptstrahl bzw. Strahl auf der optischen Achse des Strahlbündels Main beam or beam on the optical axis of the beam
7777
einzelner Randstrahl des Strahlbündelssingle marginal ray of the beam
8080
Bildebene mit Sensor, z.B. CCD-KameraImage plane with sensor, e.g. CCD camera
8585
Strahlfalle, Absorber oder Strahlleistungs-Messgerät Jet trap, absorber or beam power meter
9090
Arbeitsabstandworking distance

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

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Claims (17)

Optik zur Strahlvermessung optischer Strahlung, welche sich hinter einer Strahltaille divergent ausbreitet, umfassend jeweils in Strahlrichtung nacheinander angeordnet einen ersten teilreflektierenden Spiegel, einen zweiten teilreflektierenden Spiegel, ein Kollimations-Objektiv bestehend aus wenigstens einer optischen Linse, sowie einen dritten teilreflektierenden Spiegel. Optics for beam measurement of optical radiation, which propagates divergently behind a beam waist, comprising in each case in the beam direction successively arranged a first partially reflecting mirror, a second partially reflecting mirror, a collimating lens consisting of at least one optical lens, and a third partially reflecting mirror. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils aus einem transparenten optischen Material bestehen und jeweils mindestens eine Planfläche aufweisen.Apparatus according to claim 1, characterized in that the three partially reflecting mirror each consist of a transparent optical material and each having at least one planar surface. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drei teilreflektierenden Spiegel jeweils eine unbeschichtete ebene Grenzfläche aufweisen, an welcher ein kleiner Teil der Strahlung des jeweiligen Spiegels unter Ausnutzung der Fresnel-Reflexion reflektiert wird.Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the three partially reflecting mirrors each have an uncoated flat boundary surface on which a small part of the radiation of the respective mirror is reflected by utilizing the Fresnel reflection. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Strahltaille und dem ersten teilreflektierenden Spiegel kein optisch abbildendes Element angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that no optically imaging element is arranged between the beam waist and the first partially reflecting mirror. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass diese derart ausgestaltet ist, dass die Reflexionsebene, die an einem Spiegel durch einfallenden und reflektierten Strahl aufgespannt wird, für den zweiten Spiegel parallel zur Reflexionsebene am ersten Spiegel ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed such that the reflection plane, which is spanned at a mirror by incident and reflected beam, for the second mirror is parallel to the reflection plane at the first mirror. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahl vor der Reflexion am dritten teilreflektierenden Spiegel durch das Kollimations-Objektiv kollimiert wird.Device according to one of the preceding claims, characterized in that the beam is collimated by the collimating lens before reflection at the third partially reflecting mirror. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, dass diese derart ausgestaltet ist, dass die Reflexionsebene am dritten Spiegel senkrecht angeordnet ist zu den Reflexionsebenen vom ersten und vom zweiten Spiegel. Device according to one of the preceding claims, characterized in that it is designed such that the reflection plane at the third mirror is perpendicular to the reflection planes of the first and the second mirror. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfallswinkel α2 am zweiten Spiegel bezogen auf die optische Achse des Strahls, in einem Bereich liegt, der durch folgende Formel definiert ist: α1(n2/n1)1/2 ≤ α2 ≤ α1 (n2/n1), wobei α1 der Einfallswinkel am ersten Spiegel ist, bezogen auf die optische Achse des Strahls, und n1 und n2 die Brechzahlen des ersten und des zweiten Spiegels sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the angle of incidence α 2 at the second mirror with respect to the optical axis of the beam, in a range defined by the following formula: α 1 (n 2 / n 1 ) 1/2 ≦ α 2 ≦ α 1 (n 2 / n 1 ), where α 1 is the incident angle at the first mirror with respect to the optical axis of the beam, and n 1 and n 2 are the refractive indices of the first and second mirrors. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem ersten teilreflektierenden Spiegel und dem zweiten teilreflektierenden Spiegel ein Relais-Objektiv angeordnet ist.Device according to one of the preceding claims, characterized in that a relay objective is arranged between the first partially reflecting mirror and the second partially reflecting mirror. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Relais-Objektiv bezogen auf die Strahltaille einen Abbildungsmaßstab von etwa –1 aufweist, und wobei der Öffnungswinkel des konvergenten Strahlbündels hinter dem Relais-Objektiv etwa genauso groß ist wie der Öffnungswinkel des divergenten Strahlbündels vor dem Relais-Objektiv. Apparatus according to claim 9, characterized in that the relay lens relative to the beam waist has a magnification of about -1, and wherein the opening angle of the convergent beam behind the relay lens is about the same size as the opening angle of the divergent beam in front of the relay -Lens. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Strahlrichtung dem dritten teilreflektierenden Spiegel nachfolgend ein vierter Spiegel angeordnet ist. Device according to one of the preceding claims, characterized in that in the beam direction of the third partially reflecting mirror is subsequently arranged a fourth mirror. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Spiegel derart angeordnet ist, dass nach der Reflexion die optische Achse des reflektierten Strahls parallel zur optischen Achse des ursprünglichen Strahls angeordnet ist. Apparatus according to claim 11, characterized in that the fourth mirror is arranged such that after the reflection, the optical axis of the reflected beam is arranged parallel to the optical axis of the original beam. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem dritten Spiegel oder dem vierten Spiegel ein Fokussier-Objektiv angeordnet ist, welches ein Bild der ursprünglichen Strahltaille in seiner Bildebene erzeugt. Device according to one of the preceding claims, characterized in that behind the third mirror or the fourth mirror, a focusing lens is arranged, which generates an image of the original beam waist in its image plane. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass in der Bildebene des Fokussier-Objektivs ein Sensor angeordnet ist. Apparatus according to claim 13, characterized in that in the image plane of the focusing lens, a sensor is arranged. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass hinter dem dritten Spiegel Mittel zur Abschwächung des Strahls angeordnet sind, wobei diese ausgewählt sind aus der Gruppe umfassend teilweise absorbierende Planplatten wie Graugläser, teilweise transmittierende Planplatten, teilweise reflektierende Planplatten, ein Paar hintereinander angeordneter Polarisatoren, deren Polarisationswinkel zueinander eingestellt werden kann. Device according to one of the preceding claims, characterized in that behind the third mirror means for attenuating the beam are arranged, which are selected from the group comprising partially absorbing plan plates such as gray glasses, partially transmitting plan plates, partially reflecting plan plates, a pair of successively arranged polarizers , whose polarization angle can be adjusted to each other. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die vom zweiten und vom dritten Spiegel transmittierten restlichen Strahl-Anteile jeweils von einem Element aufgefangen werden, welches eine absorbierende Oberfläche aufweist und mit Kühlrippen zur Kühlung durch die Umgebungsluft oder Bohrungen, durch die ein Kühlmittel fließt zur Kühlung ausgestattet ist. Device according to one of the preceding claims 1 to 10, characterized in that the second and the third mirror transmitted residual beam components are each collected by an element having an absorbent surface and with cooling fins for cooling by the ambient air or holes through which has a coolant flowing for cooling. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nicht zur teilweisen Reflexion der Strahlung genutzten rückwärtigen Flächen von erstem, zweiten und dritten Spiegel mit einer Antireflex-Beschichtung versehen sind. Device according to one of the preceding claims, characterized in that not for the partial reflection of the radiation used rear surfaces of the first, second and third mirror are provided with an anti-reflection coating.
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