DE69200585T2 - Optische abtastmethode. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine optische Abtastmethode. Insbesondere betrifft die Erfindung eine Methode zu Abtasten von Strahlleistung eines Lasers.
• Es ist vorgeschlagen worden, Strahlleistung eines Lasers abzutasten, indem ein Teil des Lichts in dem Strahl auf einen Detektor mittels eines Glasfensters in dem Strahl abgelenkt wird, das unter einem Winkel zu der Strahlachse geneigt ist. Dies hat den Nachteil, daß ein beachtlicher Leistungsverlust in dem von dem Fenster durchgelassenen Licht hervorgerufen wird und daß eine mögliche Verzerrung in den Strahlengang eingebracht wird.
• Einer andere bekannte Technik involviert ein Abtasten eines leitenden Drahtes quer zu dem Laserstrahl. Diese Technik ist ineffizient, da Lichtenergie in dem Draht in Wärme umgewandelt werden muß.
• GB-A-2 158 942 beschreibt eine Methode des Detektierens einer vorherbestimmten Charakteristik eines Bestrahlungsstrahls, wobei ein Reflektor in dem Strahlengang festgelegt ist,und des Detektierens eines mechanischen Ansprechens des Reflektors auf ein hochfrequentes Signal in dem Strahl.
• Gemäß der Erfindung ist nunmehr vorgesehen, die Strahlleistung eines Lasers abzutasten, wobei ein langgestreckter Strahlung leitender Weg quer und im wesentlichen senkrecht zu der Achse des Laserstrahls festgelegt wird und die Strahlung, die zumindest an einem der Enden des Strahlengangs emittiert worden ist, detektiert wird, wobei die Strahlung am Ende des Strahlengangs die Strahlleistung des Laserstrahls darstellt.
• Vorteilhafterweise sind Detektionsstellen an dem(n) Ende(n) des Kanals eine beträchtliche Strecke, z.B. zumindest zweimal der Strahldurchmesser, erforderlichenfalls viel weiter von dem Strahl.
• Der Strahlung leitende Weg kann ein Glasstab sein, vorzugsweise weist der Weg ein oder mehrere optische z.B. Glas-oder Kunststoff- Fasern (d.h. Lichtleiter) auf. Der Lichtleiter kann in einer fest vorgegebenen Position quer zu dem Strahlen gang gehalten sein, um ein kontinuierliches Überwachen zu schaffen. Vorzugsweise wird der Lichtleiter abgetastet durch periodisches Ablenken oder Absetzen, insbesondere mit einem kurzen Impulsäbtast-Anlegeprofil, z.B. mit einem Zwischenraum zwischen Abtastungen von 5s oder mehr wobei die Abtastzeit vorzugsweise in dem Eereich von 1 bis 5s quer zu dem Strahlengang liegt. Wenn Stufen in einer einzigen Abtastung verwendet werden, kann der Stufen-Abstand zwischen 100 und 200 Mikrons, z.B. zwischen 250 und 500 Mikrons sein, was dem typischen Durchmesser eines Lichtleiters entspricht. Folglich gibt es keinen Strahlungverlust außerhalb der kurzen Abtastperiode und keine Verzerrung.
• Zur Erhöhung des Wirkungsgrads kann der Lichtleiter längs entlang derjenigen Hälfte seines Umfangs,welche von der ankommenden Strahlung weg weist, mit einer opaken Schicht überzogen sein. Eine derartige Schicht blendet Strahlung von der "stromaufwärtsliegenden" Seite des Lichtleiters aus.
• Entgegen der herkömmlichen Verwendung von Lichtleitern, bei welchen Licht an einem Ende eines Lichtleiters eingeleitet wird, damit es in axialer Richtung entlang der Länge des Lichtleiters geleitet und an dem gegenüberliegenden Ende austritt, tritt bei der Erfindung Strahlung durch die Wandung der (Leit-) Faser bzw. des Lichtleiters ein, um an den gegenüberliegenden Enden des Lichtleiters auszutreten.
• Ein Verwenden von Lichtleitern, um die optische Leistung zu messen, die mittels eines optischen Elements, z.B. eines Beugungsgitters, abgetastet worden ist, ist beim Stand der Technik vorgeschlagen worden; jedoch wird in diesem Fall der Lichtleiter in dessen normalen Modus verwendet. Das optische Element verursacht übermäßige Strahlenverluste und eine Verzerrung. Dies kann durch Benutzen der erfingdungsgemäßen Methode in vorteilhafter Weise minimiert werden.
• Wenn ein Lichtleiter in einem Laserlichtstrahl so eingebracht wird, daß die Achse des Lichtleiters senkrecht zu der Strahlachse verläuft, geht ein bestimmter Teil des Lichts durch die Wandung der (Leit-)Faser hindurch. Infolge des Faserstreumechanismus wird ein kleiner Teil dieses Lichts in beiden Richtungen entlang der Achse des Lichtleiters innerhalb deren Öffnungswinkels gestreut. Folglich breitet sich ein Lichtsignal gleichermaßen in beiden Richtungen mit einer Intensität aus, welche zu der optischen Strahlleistung proportional ist, welche den Lichtleiter und das Leitervolumen in dem Strahl passiert. Wenn die Lichtleiter durch den Strahl abgetastet wird, 'sieht' er ein Volumen des Strahls, welches einer flachen Scheibe, die entsprechend der Form der Faser zusammengerollt ist, äquivalent ist. Da der Leitleiter normalerweise im Querschnitt gleichmäßig kreisförmig ist und angenommen werden kann, daß sich das Licht augenblicklich ausbreitet, wenn der Strahl dessen Achse kreuzt, dann hat das Integrieren des Lichts, das an einem oder an beiden Enden des Lichtleiters austritt, wenn er den Strahl mit einer konstanten Geschwindigkeit abtastet, ein Signal zur Folge, das proportoinal der mittleren Leistung des Gesamtstrahls ist, vorausgesetzt, daß sich das Profil wärend der Abtastzeit nicht ändert.
• Wenn der Lichtleiter in dem Strahl stationär gehalten ist, kann das Signal, das an jedem Ende des Leiters austritt, in Echtzeit analysiert werden, damit sich eine Darstellung des zeitlichen Impulsverlaufes des Strahles ergibt. Da die maximale Länge eines lichteinfangenden Leiters in der Größenordnung von 60mm liegt, was äquivalent dem maximalen Strahldurchmessesr ist, liegt die Durchgangszeit-Differenz für das gestreute Licht bezüglich der gesamten Einfang- bzw Aufnahmelänge bei Sub-Nanosekunden und kann als augenblicklich angesehen werden.Die Lichtleiterlänge zwischen dem Lichteinfangbereich und den Detektoren ist so, daß eine modale Dispersion des Signals infolge der Größe der Faser in einer ähnlichen Größenordnung liegt und also ignoriert werden kann. Folglich ist das Signal, das aus dem stationären Lichtleiter austritt, proportional einem sich zeitlich ändernden Linienintegral durch den Strahl.
• Wenn beispielsweise ein Lichtleiter im wesentlichen senkrecht und quer zu einem Laserlichtstrahl angeordnet ist, tritt folglich Licht an den entgegengesetzten Enden des Lichtleiters aus. Dieses Licht, das an den Enden des Lichtleiters austritt, stellt die Strahlleistung des Lasers dar, d.h. je größer die Intensität des austretenden Lichts ist, um so größer ist die Strahlleistung des Lasers. Ferner ist der Lichtverlust bei dem Strahl minimal, wenn nur ein schwacher Schatten durch den Lichtleiter geworfen wird, welcher beispielsweise 0,25mm im Durchmesser sein kann. Üblicherweise kann der Lichtleiter einen Durchmesser von 100 bis 2000 Mikron haben, und der Strahl kann einen Durchmesser von etwa 10 bis 60mm haben.
• Das Strahlungssignal von einem Ende eines Leiters kann als das Leistungsmeßsignal verwendet werden. Das andere Ende kann mit einem reflektierenden Auftrag beschichtet sein. Alternativ hierzu kann das Strahlungssignal an beiden Enden des Lichtleiters reflektiert werden, um das Leistungsmeßsignal zu bilden.
• Die vorstehend beschriebene Abtastmethode kann mit als ein Beispiel benutzt werden, um die Temperatur eines Kupferdampflasers zu bewerten. Ein Kupferdampflaser emittiert Licht bei zwei ausgeprägten Wellenlängen, nämlich gelb und grün, und die (Licht-) Menge jeder Farbe hängt von der Betriebstemperatur des Lasers ab. Grünes Licht herrscht bei niedrigeren Temperaturen vor, während die Menge an gelbem Licht mit steigender Temperatur zunimmt. Bei Anbringen eines Grünfilters an einem Ende des Lichtleiters und eines Gelbfilters an dem gegenüberliegendem Ende und durch Abtasten des Lichts, das an jedem der Filter austritt, ist es möglich, das Verhältnis von grünem zu gelben Licht in dem Laser und folglich die Betriebstemperatur des Lasers, der mittels des Lichtleiters abgetastet worden ist, herzuleiten. Dies ist ein Weg, um die in GB-A-2 249 830 beschriebene Erfindung auszuführen.
• Die vorliegende Erfindung ist sehr gut bei der Messung der Ausgangsleistung von Laserstrahlen verwendbar, deren Querschnittsdurchmesser beträchtlich größer ist der Durchmesser des Strahlung führenden Kanals, z.B. der Faser bzw. des Lichtleiters, welche(r) in dem Strahl angeordnet ist, welcher zum Durchführen der Messung verwendet worden ist. Die abgegebene Strahlleistung kann in dem Bereich von 0 bis 500W liegen.
• Die Laserstrahlen, deren Ausgangsleistung mit Hilfe der erfindungsgemäßen Methode abgetastet werden kann, ist nicht auf solche im sichtbaren Spektralbereich beschränkt. Beispielsweise kann der Laserstrahl in den Infrarot-oder Ultraviolett-Bereichen des Spektrums emittiert werden. Der Strahl kann von einem Excimerlaser sein, welcher in dem Ultraviolett-Bereich emittiert. In dem letzteren Fall kann der Lichtleiter mit einem Material beschichtet sein, welches ultraviolette Strahlung absorbiert und in einem anderen Spektralbereich, z.B. in dem sichtbaren Bereich, fluoresziert, in welchem eine Detektion von Licht, das an das Ende eines Lichtleiters übertragen worden ist, mittels herkömmlicher optischer Photo-Detektoren festgestellt werden kann, wie beispielsweise oben beschrieben.
• Eine Anzahl (Leit-)Fasern bzw. Lichtleiter kann an derselben Position in einem Laserstrahl verwendet werden, um Abtastwerte der Intensität des Strahles an dieser Position zu integrieren. Die Anzahl kann beispielsweise eine Lichtleitfaser-Matte (mat) aufweisen, wobei die optischen Signale, welche die (Lichtleit-) Fasern der Matte durchlaufen, gesammelt und mittels eines gemeinsamen Photo-Detektors detektiert werden. Eine solche Matte kann in einer Position in der Bahn des Laserstrahls festgelegt sein oder in Abhängigkeit von der Anwendung quer dazu abgetastet werden.
• Verschiedene Lichtleiter können ebenfalls an verschiedenen Positionen in axialer Richtung entlang des Strahls verwendet werden. Signale, die an verschiedene Positionen aufgenommen worden sind, können dazu verwendet werden um andere Eigenschaften des Strahls, z.B. Impulslängen und Impulsflanken für einen gepulsten Ausgangsstrahl zu bestimmen.
• Verschiedene Fasern bzw. Lichtleiter können in einer ähnlichen Weise verwendet werden, äin den Leistungsausgang verschiedener Strahlen abzutasten, z.B. um die Impulsflanken verschiedener Strahlen zu detektieren, die zusammen einem Mehrstrahlsystem verwendet sind.
• Die Intensität von Strahlung, die an dem Ende eines Lichtleiters austritt, kann in die vorliegende Erfindung verwirklichenden Methoden durch eine der Methoden detektiert werden, die Fachleuten auf dem Gebiet der Elektro-Optik bekannt sind. Beispielsweise kann ein lichtempfindlicher Widerstand für diesen Zweck in einer Detektorschaltung verwendet werden. Alternativ hierzu kann eine Photodiode, welche einen Photostrom erzeugt, verwendet werden. In dem Fall, daß ein Lichtleiter quer zu dem zu messenden Strahl abgelenkt wird, wird das Signal am Detektorausgang durch einen Integrator integriert. Hierdurch werden die augenblicklichen Leistungsanzeigewerte addiert, wenn der Lichtleiter den Strahl passiert. Diese Summe stellt dann die gesamte Leistungsabgabe des Strahls dar. Der Ausgang des Integrators wird dann erforderlichenfalls an eine Abtast-Halte- Schaltung angelegt, um den Ausgang des Integrators am Ende einer Abtastperiode abzutasten und dann zu halten. Der Ausgang der Abtast-Halte-Schaltung wird erforderlichenfalls an ein Anzeigegerät, z.B. ein bekanntes Anzeigegerät, wie ein Digital- oder Analogvoltmeter angelegt. Er kann dann als ein Leistungslesewert angezeigt werden, der gegenüber einer bekannten Leistungsmessung kalibriert ist.
• Eine Ausfürungsform der Erfindung wird nunmehr beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in welcher:
• Fig.1 ein schematisches Blockdiagramm einer Anordnung zum Messen der Ausgangsleistung eines Laserstrahls ist.
• In Fig.1 ist ein Laserstrahl 1 im Querschnitt dargestellt. Der Strahl 1 kann der Ausgang eines Kupferdampflasers sein. Ein Glaslichtleiter 3 mit üblicher Weise einem Durchmesser von 250µm der in einer (nicht dargestellten) Halteeinrichtung mit optischen Anschlußteilen an den jeweiligen Enden des Lichtleiters angeordnet ist, wird in einer Ebene (der Zeichenebene) senkrecht zu dem Strahl 1 zurückgehalten, und die Halteeinrichtung und der Lichtleiter 3 sind in ihrer Position bezüglich eines Scanners 5 in einer Richtung X quer zu dem Strahl 1 abgesetzt. Das Licht, das aus dem Strahl 1 aufgenommen worden ist und den Lichtleiter 3 durchläuft, wird an den Enden des Lichtleiters 3 durch Photodetektoren 7 bzw. 9 detektiert. Der Ausgang der Photodetektoren wird durch eine Summiereinheit 11 addiert. Die Summiereinheit 11 addiert die augenblicklichen Ausgangswerte der Photodetektoren 7,9 für jede Position des Lichtleiters, wenn er quer zu dem Strahl 1 abtastet. Die augenblicklichen Ausgangwerte werden mittels eines Integrators 12 integriert, dessen Ausgang periodisch abgetastet und dann durch eine Abtast-Halte-Schaltung 15 gehalten wird, die einen analogen Abgabewert auf einem Anzeigegerät 17, z.B. einem Digitalvoltmeter, schafft. Der Ablesewert auf dem Anzeigegerät 17 gibt ein Maß für die abgetastete Leistung des Strahles.
• Das Ausgangssignal von der Summiereinheit 11 ergibt eine Anzeige, wo der Strahl beginnt und endet, wenn der Lichtleiter 3 ihn quert. Dieses Signal wird einem Vergleicher 19 (sowie dem Integrator 13 ) zugeführt, um den Rand des Strahls 1 zu detektieren, um dadurch ein Triggersignal in einer Triggereinheit 18 zu erzeugen, um den Beginn und das Ende einer Abtastphase der Abtast-Halte-Schaltung 15 zu steuern,wobei die Haltephase dieser Schaltung auf die Abtastphase folgt,während der Lichtleiter 3 in seine Ausgangaposition zurückgebracht wird.

Claims (10)

1. Methode zum Abtasten der Strahlleistung eines Laserstrahls, welche Methode aufweist ein Festlegen einer langgestreckten Strahlung führenden Bahn quer und im wesentlichne senkrecht zu der Achse des Strahls und ein Detektieren von Strahlung, die zumindest an einem der Enden des Strahlungswegs emittiert worden ist, wobei die Strahlung am Ende des Strahlungswegs von dem Strahl aus aufgenommen wird und die Strahlleistung des Laserstrahls darstellt.

2. Methode, wie in Anspruch 1 beansprucht, bei welcher die Strahlung führende Bahn durch Festlegen eines Lichtleiters quer zu der Achse erhalten wird.

3. Methode, wie in Anspruch 2 beansprucht, welche ein örtl- ches Festlegen einer Anzahl (Lichtleit-)Fasern quer zu der Achse des Laserstrahls enthält.

4. Methode, wie in Anspruch 2 oder 3 beansprucht, bei welcher eine opake Schicht auf der Oberfläche des Lichtleiters vorgesehen ist, welcher von der auftreffenden Strahlung weg gerichtet ist.

5. Methode, wie in Anspruch 1, Anspruch 2, Anspruch 3 oder An-Spruch 4 beansprucht, bei welcher die Strahlung, die an beiden Enden der Strahlung führenden Bahn emittiert worden ist, mittels Detektoren festgestellt wird und ein Signal, welches die zwei darstellt, addiert wird, um eine Summe zu bilden.

6. Methode, wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, welche ein Halten der Strahlung führenden Bahn in einer festgelegten Position umfaßt, um ein kontinuierliches Überwachen des Laserstrahls zu schaffen.

7. Methode, wie in einem der Ansprüche 1 bis 5 beansprucht, bei welcher die Strahlung führende Bahn durch Ablenken oder Absetzen quer zu dem Strahl abgetastet wird und Signale, welche die trahlleistung an verschiedenen Positionen des Abtastens darstellen, integriert werden, um ein Signal zu bilden, welches die gesamte Laserstrahlleistung darstellt.

8. Methode, wie in Anspruch 2, bei welcher eine vielzahl von (Lichtleit-)Fasern quer zu dem Strahl festgelegt werden und die Strahlungssignale an den Enden der Fasern (Lichtleitern) alle detektiert werden.

9. Methode, wie in Anspruch 2 beansprucht, welche einschließt das Verwenden von mindestens zwei Laserstrahlen, die jeweils einen Lichtleiter haben, welcher quer zu dem Strahl in der Weise festgelegt ist, die im Anspruch 1 beschrieben ist, und ein Detektieren von Strahlung an zu mindest einem Ende von zwei oder von allen Lichtleitern einschließt.

10. Anordnung zum Durchführen einer Methode, wie in Anspruch 7 beansprucht ist, welche umfaßt einer Laser, der einen Ausgangsstrahl erzeugt, zumindest eine (Lichtleit-)Faser bzw. einen Lichtleiter, der vor dem Laser in der in Anspruch 1 definierten Weise gehaltert ist und angeordnet ist, um während des Betriebs durch Ablenken oder Absetzen quer zu dem Laserstrahl abgetastet zu werden, zumindest einen Photodetektor, um an dem Ende des oder jedes Lichtleiters Strahlung zu detektieren, welche von dem oder jedem Lichtleiter auf genommen worden ist, und einen Integrator zum Integrieren des Signals, das mittels des Photodetektors oder Photodetektoren detektiert worden ist, um ein Signal zu bilden, das die gesamte Laserstrahlleistung darstellt.