DE19909595B4

DE19909595B4 - Method and apparatus for measuring the spatial power density distribution of high divergence and high power radiation

Info

Publication number: DE19909595B4
Application number: DE19909595.7A
Authority: DE
Inventors: Dr.-Ing. Kramer R.; Dr. Schwede H.
Original assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Current assignee: Primes GmbH Messtechnik fuer die Produktion mit Laserstrahlung
Priority date: 1999-03-04
Filing date: 1999-03-04
Publication date: 2015-11-12
Anticipated expiration: 2019-03-05
Also published as: DE19909595A1

Abstract

Verfahren zur Vermessung divergenter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die Leistungsdichteverteilung mit einem Pinhole punktweise abgetastet wird und die abgetastete Strahlung auf einen Streukörper oder einen Integrator oder einen Fluoreszenzschirm trifft und die aus dem Streukörper einem Integrator oder einen Fluoreszenzschirm austretende Strahlung auf einen Detektor abgebildet wird.Method for measuring divergent radiation, characterized in that the power density distribution is sampled pointwise with a pinhole and the sampled radiation impinges on a scattering body or an integrator or a fluorescent screen and the radiation emerging from the scattering body an integrator or a fluorescent screen is imaged on a detector.

Description

1. Technisches Gebiet1. Technical area

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung, mit deren Hilfe die räumlichen Leistungsdichteverteilung hochdivergente Strahlen vermessen werden kann.The invention relates to a method and a device by means of which the spatial power density distribution of highly divergent beams can be measured.

2. Stand der Technik2. State of the art

Divergente Strahlung entsteht z. B. bei der Fokussierung von Laserstrahlung. Die F-Zahlen (Verhältnis aus Strahldurchmesser und Brennweite der Fokussieroptik) liegen bei Standardapplikationen typischerweise im Bereich von F = 4 bis F = 20 ( ). Liegt die Wellenlänge der Strahlung zwischen 400 nm und 1100 nm, so kann der zu untersuchende Strahl mit handelsüblichen Optiken auf einen zweidimensionalen Detektor, z. B. CCD-Sensor, abgebildet werden. Die Abbildungsqualität der Optiken ist in der Regel so gut, daß der zu untersuchende Strahl ohne wesentliche Abbildungsfehler auf den Detektor abgebildet werden kann. Bei hohen Leistungen kann der Strahl durch geeignete Vorrichtungen im Strahlengang abgeschwächt werden. Solche Vorrichtungen sind z. B. teildurchlässige Spiegel oder absorbierende Graufilter. Im Infrarot Bereich stehen für den Bereich geringer Leistungen, analog zu den CCD-Kameras im sichtbaren, pyroelektrische Arrays zu Verfügung (z. B. Firma Spiricon, USA).Divergent radiation is produced z. B. in the focusing of laser radiation. The F numbers (ratio of beam diameter and focal length of the focusing optics) are typically in the range of F = 4 to F = 20 in standard applications ( ). If the wavelength of the radiation is between 400 nm and 1100 nm, then the beam to be examined can be coupled with commercially available optics to a two-dimensional detector, eg a detector. B. CCD sensor, are displayed. The imaging quality of the optics is usually so good that the beam to be examined can be imaged on the detector without significant aberrations. At high powers, the beam can be attenuated by suitable devices in the beam path. Such devices are for. B. partially transparent mirrors or absorbing gray filters. In the infrared range are available for the range of low power, similar to the CCD cameras in the visible, pyroelectric arrays available (eg company Spiricon, USA).

Aus der europäischen Patentanmeldung Nr. EP 0 319 345 A2 ist ein scannendes System bekannt, welches die räumliche Energie-Verteilung eines Hochleistungs-Laserstrahls registriert und darstellt. Dabei wird aus dem zu untersuchenden Strahl mittels mehrerer aufeinanderfolgender bewegbarer Spalt-Blenden, Sektor-Blenden oder Chopper-Räder ein Segment aus dem Strahl selektiert und auf einen Detektor gerichtet. Aufgrund der räumlichen Anordnung der Blenden, insbesondere wegen des axialen Abstandes zwischen den Blenden, die den Strahl in den verschiedenen Raumrichtungen abtasten, ist die gezeigte Vorrichtung nur zur Abtastung von kollimierten Strahlen mit relativ großem Durchmesser geeignet. Da der Strahl nur in einer Querschnitts-Ebene abgetastet wird, ist die Vorrichtung nicht zur Bestimmung der Strahlparameter geeignet.From European patent application no. EP 0 319 345 A2 For example, a scanning system is known which registers and displays the spatial energy distribution of a high power laser beam. In this case, a segment is selected from the beam to be examined by means of several successive movable slit diaphragms, sector diaphragms or chopper wheels from the beam and directed to a detector. Due to the spatial arrangement of the diaphragms, in particular because of the axial distance between the diaphragms, which scan the beam in the different spatial directions, the apparatus shown is only suitable for scanning relatively large diameter collimated beams. Since the beam is scanned only in a cross-sectional plane, the device is not suitable for determining the beam parameters.

Die Patentanmeldung Nr. DE 22 10 662 A offenbart eine Vorrichtung, die kohärentes Laserlicht durch diffuse Streureflexion in inkohärentes monochromatisches Laser-Streulicht umwandelt. Es handelt sich dabei um eine lichttechnische Vorrichtung, die zur Aufgabe hat, die inhomogene Intensitätsverteilung im Querschnitt eines Laserstrahls umzuwandeln und eine gleichmäßige Ausleuchtung ausgedehnter Bereiche zu ermöglichen, beispielsweise für Zwecke der Beleuchtung oder zur Photopolymerisierung von Kunststoffen. Eine räumliche Vermessung der Laserstrahlung ist mit der gezeigten Vorrichtung nicht möglich.The patent application no. DE 22 10 662 A discloses a device that converts coherent laser light by diffuse scattering reflection into incoherent monochromatic laser scattered light. It is a lighting device that has the task to convert the inhomogeneous intensity distribution in the cross section of a laser beam and to allow a uniform illumination of extended areas, for example for the purpose of lighting or for the photopolymerization of plastics. A spatial measurement of the laser radiation is not possible with the device shown.

Aus der Druckschrift US 4,904,088 ist eine Vorrichtung zur Messung der integralen Gesamt-Leistung und der Wellenlänge eines Laserstrahls bekannt. Dazu weist die offenbarte Vorrichtung zwei Detektoren auf, die eine unterschiedliche Wellenlängen-abhängige Empfindlichkeit besitzen. Um beide Detektoren mit einem exakt gleichen Anteil der integralen Gesamtleistung des Strahls zu versorgen, wird der gesamte zu vermessende Strahl in einen kugelförmigen Integrator-Hohlraum geleitet, welcher zwei Auslässe aufweist. Die offenbarte Vorrichtung ist für eine räumliche Vermessung der Laserstrahlung nicht geeignet.From the publication US 4,904,088 For example, a device is known for measuring the overall integral power and the wavelength of a laser beam. For this purpose, the disclosed device has two detectors which have a different wavelength-dependent sensitivity. To supply both detectors with an exactly equal proportion of the total integral power of the beam, the entire beam to be measured is directed into a spherical integrator cavity having two outlets. The disclosed device is not suitable for a spatial measurement of the laser radiation.

Vorrichtungen zur Vermessung der räumlichen Intensitätsverteilung eines Laserstrahls sind unter anderem aus der Fachliteratur bekannt, z. B. aus R. Kramer: „Beschreibung und Messung der Eigenschaften von CO₂ Laserstrahlung” /Kra91/. Es wird dort eine Übersicht über verschiedene bekannte Verfahren gegeben, die nach ihrem Funktionsprinzip unterteilt werden können in abtastende Verfahren mit einer Lochblende oder Lochblendenreihe, in direkt ortsauflösende Verfahren mit einer linearen oder quadratischen Anordnung von Detektoren, und in abtastende Verfahren mit rotierenden Spiegeln oder Polygonscannern. Zur Abtastung des Strahls können weiterhin reflektierende Elemente wie Nadeln, Speichen und ähnliche Elemente eingesetzt werden. Aus der gleichen Literaturquelle ist auch bekannt, dass das Detektorsignal bei Abtastung mit einer rotierenden Hohlnadel von der Strahlrichtung abhängen kann. Berechnungen weisen demnach darauf hin, dass die Empfindlichkeit gegenüber einer Veränderung der Polarisations- bzw. Strahlrichtung reduziert werden kann, wenn kleinere Abtastbohrungsdurchmesser verwendet werden.Devices for measuring the spatial intensity distribution of a laser beam are known, inter alia, from the specialist literature, for. B. from R. Kramer: "Description and measurement of the properties of CO ₂ laser radiation" / Kra91 /. It gives an overview of various known methods, which can be subdivided according to their functional principle in scanning methods with a pinhole or pinhole row, in direct local resolution method with a linear or square array of detectors, and in scanning methods with rotating mirrors or Polygon scanners. For scanning the beam further reflective elements such as needles, spokes and similar elements can be used. It is also known from the same literature that the detector signal can depend on the beam direction when scanning with a rotating hollow needle. Calculations therefore indicate that sensitivity to a change in polarization or beam direction can be reduced if smaller scan bore diameters are used.

Für die Untersuchung von der Leistungsdichteverteilung von Strahlung im fernen Infrarot bei hohen Laserleistungen (> 1 kW Dauerstrich), wie sie beispielsweise von CO₂-Lasern erzeugt wird, werden in der Regel scannende Verfahren eingesetzt. Das Prinzip eines scannenden Verfahrens ist in den + skizziert/Kra91/. Dabei wird ein kleiner Teilstrahl über einen Spiegel ( + , Pos 1) aus dem zu vermessenden Strahl (7) ausgeblendet. Dieser Teilstrahl (8) wird mit Hilfe eines Detektors (2) nachgewiesen. Durch die Rotationsbewegung legt der Spiegel entlang einer gekrümmten Bahn eine Meßspur (6) durch den Strahl. Zur Abtastung der zweiten Dimension wird die rotierende Scheibe (3), die den Spiegel an einem Ausleger (5) trägt, senkrecht zur Strahlachse verschoben.For the investigation of the power density distribution of radiation in the far-infrared at high laser powers (> 1 kW continuous wave), as it is produced for example by CO ₂ lasers, scanning methods are generally used. The principle of a scanning process is in the + outlines / Kra91 /. A small partial beam is transmitted through a mirror ( + , Pos 1 ) from the beam to be measured ( 7 ) hidden. This partial beam ( 8th ) is detected by means of a detector ( 2 ). Due to the rotational movement of the mirror along a curved path sets a measuring track ( 6 ) through the beam. For scanning the second dimension, the rotating disk ( 3 ), the mirror on a boom ( 5 ), moved perpendicular to the beam axis.

Ist der Strahldurchmesser kleiner oder in der Größenordnung der Spiegelabmessungen (1), dann werden Blenden mit kleinen Bohrungen, sogenannte Pinholes (9), vor den Spiegel montiert, um die Ortsauflösung zu erhöhen. Is the beam diameter smaller or in the order of the mirror dimensions ( 1 ), then apertures with small holes, so-called pinholes ( 9 ), mounted in front of the mirror to increase the spatial resolution.

Der Strahlengang um den ausgeblendeten Teilstrahl wird in der Regel gekapselt, um Streustrahlung sicher abzuschirmen. Der von dem Spiegel in Richtung Detektor reflektierte Strahl kann durch Vielfachreflexion an den Wänden (15) (Wellenleiterprinzip, ), Freiraumpropagation oder optische Abbildung zum Detektor gelangen. Der Transmissionsgrad der Strahlung vom Spiegel zum Detektor ist bei allen Anordnungen der Strahlausbreitung vom Spiegel (1) zum Detektor (2) stark von der Divergenz des einfallenden Strahls abhängig. In ist der Fall dargestellt, daß wegen der großen Divergenz der Strahlung die hochdivergenten Anteile erst gar nicht in den Wellenleiter eintreten. An den mit Kreisen gekennzeichneten Stellen (11) wird der Strahl nicht mehr in den Wellenleiter reflektiert. Jede Reflexion im Strahlengang führt zu einer zusätzlichen Dämpfung. Insbesondere die hochdivergenten Anteile werden oft reflektiert bzw. bei freier Propagation gehen die hochdivergenten Anteile direkt verloren. Das bedeutet, das Meßergebnis wird stark beeinflußt von der Strahldivergenz. Die Praxis zeigt jedoch, daß bei der Verwendung von Pinholes mit Bohrungsdurchmessern im Bereich der Wellenlänge die Divergenzabhängigkeit reduziert wird.The beam path around the blanked sub-beam is usually encapsulated to safely shield stray radiation. The reflected beam from the mirror towards the detector can be due to multiple reflection on the walls ( 15 ) (Waveguide principle, ), Free space propagation or optical imaging to the detector. The transmittance of the radiation from the mirror to the detector is in all arrangements of the beam propagation from the mirror ( 1 ) to the detector ( 2 ) strongly dependent on the divergence of the incident beam. In the case is shown that due to the large divergence of the radiation, the highly divergent shares do not even enter the waveguide. At the points marked with circles ( 11 ), the beam is no longer reflected in the waveguide. Every reflection in the beam path leads to additional attenuation. In particular, the highly divergent shares are often reflected or in free propagation the highly divergent shares are lost directly. This means that the measurement result is strongly influenced by the beam divergence. However, practice shows that using pinholes with bore diameters in the range of wavelength reduces divergence dependency.

Die Strahlung, die von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt wird, wird typischerweise mit Optiken fokussiert, deren F-Zahl im Bereich von F = 1 bis F = 1,5 liegt. In diesem Fall können die zuerst beschriebenen abbildenden Systeme nicht verwendet werden, weil zum einen die Abbildungsoptiken selbst nicht mehr zu vernachlässigende Fehler verursachen. Zum anderen sind keine Abschwächer verfügbar, die in diesem Leistungsbereich eingesetzt werden können. Bei teiltransmittierenden Spiegeln tritt das Problem auf, daß die Reflektivität von der Einfallsrichtung der Strahlung abhängt. Bei divergenter Strahlung ist es in der Regel nicht möglich, den Strahl so zu parallelisieren, daß der Strahl über dem Querschnitt gleichmäßig abgeschwächt wird. Die Meßergebnisse werden in diesem Fall durch den Abschwächer verfälscht.The radiation generated by high power diode lasers is typically focused with optics whose F number ranges from F = 1 to F = 1.5. In this case, the imaging systems described first can not be used because, on the one hand, the imaging optics themselves cause no longer negligible errors. On the other hand, there are no attenuators available that can be used in this power range. In the case of partially transmitting mirrors, the problem arises that the reflectivity depends on the direction of incidence of the radiation. With divergent radiation, it is usually not possible to parallelize the beam so that the beam is uniformly attenuated over the cross section. The measurement results are falsified in this case by the attenuator.

Der Einsatz Graufiltern ist bei Hochleistungs-Diodenlasern nicht möglich, weil die Strahlleistung im Bereich von mehreren Kilowatt die Absorber überhitzt.The use of gray filters is not possible with high-power diode lasers because the beam power in the range of several kilowatts overheats the absorber.

Bei der Vermessung von Laserstrahlung, die von Hochleistungs-Diodenlasern erzeugt wird, können deshalb diese Verfahren nicht mehr angewendet werden.Therefore, when measuring laser radiation generated by high-power diode lasers, these methods can no longer be used.

Die scannenden Verfahren, die im Wellenlängenbereich des fernen Infrarot vielfach eingesetzt werden, können im Bereich des nahen Infrarot und der sichtbaren Strahlung nicht eingesetzt werden, weil der Durchmesser des Pinhole mit ca. 10 μm bis 20 μm deutlich größer als die Wellenlänge von ca. 0,85 μm ist. In diesem Fall tritt so gut wie keine Beugung am Pinhole auf und die Transmissionscharakteristik des Pinhole-Detektionssystems ist stark von der Einfallsrichtung des Strahls auf das Pinhole abhängig. Bild 5 zeigt eine Messung mit einem Standard-Pinholesystem im divergenten Strahl eines eines 1,5 kW-Diodenlasers und eine Messung mit einem erfindungsgemäßen Verfahren (Highdiv-Spitze) und zugehöriger Vorrichtung zu sehen. Deutlich ist die Veränderung der gemessenen Radien zu erkennen, die von der winkelabhängigen Transmission verursacht wird.The scanning methods, which are widely used in the wavelength range of the far infrared, can not be used in the range of the near infrared and the visible radiation, because the diameter of the pinhole with approx. 10 μm to 20 μm is clearly larger than the wavelength of approx , 85 μm. In this case, almost no diffraction occurs at the pinhole, and the transmission characteristic of the pinhole detection system greatly depends on the direction of incidence of the beam on the pinhole. Figure 5 shows a measurement with a standard pinhole in the divergent beam of a 1.5 kW diode laser and a measurement with a method according to the invention (high-diver tip) and associated device to see. The change in the measured radii, which is caused by the angle-dependent transmission, can be clearly recognized.

Den Pinholedurchmesser in die Größenordnung der Wellenlänge zu reduzieren, um die Beugung am Pinhole zu nutzen und so divergenzabhängige Dämpfung zu reduzieren, ist mit bekannter Technik nicht wirtschaftlich möglich.To reduce the pinhole diameter in the order of the wavelength to use the diffraction at the pinhole and so to reduce divergence-dependent attenuation is not economically possible with known technology.

Darstellung der ErfindungPresentation of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein räumlichabtastendes Verfahren der eingangs genannten Art zu verbessern, so daß bei der Messung von Strahlung mit hoher Divergenz und Leistung die Meßergbnisse unabhängig von der Divergenz der Strahlung werden und damit eine Messung der tatsächlichen Leistungsdichteverteilung möglich wird.The invention has for its object to improve a spatially scanning method of the type mentioned, so that in the measurement of radiation with high divergence and power the Meßergbnisse regardless of the divergence of the radiation and thus a measurement of the actual power density distribution is possible.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Pinhole mit sehr kleinem Schachverhältnis mit einer Vorrichtung gekoppelt wird, die unabhängig von der Divergenz der Strahlung immer einen festen Bruchteil der einfallenden Strahlung auf den Detektor lenkt. So eine Vorrichtung kann ein Streukörper (10), eine Integratorkugel (12) oder ein Fluoreszenzschirm (13) sein.The object is achieved in that a pinhole is coupled with a very small chess ratio with a device that always directs a fixed fraction of the incident radiation to the detector regardless of the divergence of the radiation. Such a device can be a scattering body ( 10 ), an integrator sphere ( 12 ) or a fluorescent screen ( 13 ) be.

Das Pinhole muß ein kleines Schachtverhältnis (Bohrungstiefe/Bohrungsdurchmesser) haben, damit keine oder nur eine geringe Anzahl von Reflexionen innerhalb des Pinhole auftritt. Diese Reflexionen können dazu führen, daß an den gegebenenfalls rauhen Wänden der Bohrung der divergente Teil der eintretenden Strahlung absorbiert oder nach oben zurück reflektiert wird. So ergibt sich eine divergenzabhängige Dämpfung im Pinhole. Aus diesem Grund sind Schachtverhältnisse in der Größe von kleiner gleich eins anzustreben.The pinhole must have a small chute ratio (bore depth / bore diameter) so that no or only a small number of reflections occur within the pinhole. These reflections can cause the divergent part of the incoming radiation to be absorbed or reflected back up at the possibly rough walls of the bore. This results in a divergence-dependent attenuation in the pinhole. For this reason, shafts in the size of less than or equal to one are desirable.

Die aus dem Pinhole austretende Strahlung trifft auf eine Vorrichtung, deren Ziel es ist, unabhängig von der Divergenz der einfallenden Strahlung einen gleichmäßigen Bruchteil auf den Detektor zu lenken. Ein solche mögliche Vorrichtung ist ein Streukörper ( ).The radiation emerging from the pinhole strikes a device whose aim is to direct a uniform fraction onto the detector, regardless of the divergence of the incident radiation. Such a possible device is a scattering body ( ).

Bei einem Streukörper ist durch interne Streuung die Emission in nahezu alle Raumrichtungen gleich. Ausgenommen ist der Auftreffpunkt des Strahls und benachbarte Bereiche. Aus diesem Grund wird der Streukörper vorzugsweise von der einen Seite her beleuchtet und von der anderen Seite her beobachtet. Bei dieser Anordnung ist die in Beobachtungsrichtung emittierte Strahlleistung unabhängig von der Einfallsrichtung der auftreffenden Strahlung.In the case of a scattering element, the emission is the same in almost all spatial directions due to internal scattering. Excluded is the point of impact of the beam and adjacent areas. For this reason, the scattering body is preferably illuminated from one side and observed from the other side. In this arrangement, the beam power emitted in the observation direction is independent of the direction of incidence of the incident radiation.

Eine weitere mögliche Vorrichtung ist eine Integratorkugel (Ulbrichtkugel – ). Bei der Integratorkugel tritt der zu untersuchende Strahl durch eine Bohrung in die Kugel ein und wird dann an der Innenseite solange hin und her reflektiert, bis die gesamte Innenfläche der Kugel gleichmäßig bestrahlt ist. Durch eine zweite Bohrung wird ein Teil der Strahlung ausgekoppelt und auf einen Detektor abgebildet.Another possible device is an integrator sphere (integrating sphere - ). In the integrator sphere, the beam to be examined enters through a hole in the ball and is then reflected back and forth on the inside until the entire inner surface of the ball is uniformly irradiated. Through a second bore, a portion of the radiation is decoupled and imaged onto a detector.

Eine weitere mögliche Vorrichtung ist ein Fluoreszenzschirm, bei dem die durch das Pinhole tretende Strahlung auf ein fluoreszierenden Material fällt ( ). Die dann isotrop bei der Fluoreszenz emittierte Strahlung wird dann von einem Detektor aufgenommen. Sinnvollerweise blendet ein Filter (14) die Lasergrundwellenlänge vor dem Detektor aus.Another possible device is a fluorescent screen in which the radiation passing through the pinhole falls on a fluorescent material ( ). The then isotropically emitted at the fluorescence radiation is then recorded by a detector. It makes sense to hide a filter ( 14 ) the laser fundamental wavelength in front of the detector.

Mit der Anordnung des Streukörpers bzw. der Integratorkugel oder dem Fluoreszenzschirm hinter dem Pinhole ist es möglich, hochdivergente Strahlung abzutasten und zu vermessen. Die Abhängigkeit des Meßergebnisses von der Richtung des einfallenden Strahls wird mit dieser Vorrichtung eliminiert.With the arrangement of the scattering body or the integrator sphere or the fluorescent screen behind the pinhole, it is possible to scan and measure highly divergent radiation. The dependence of the measurement result on the direction of the incident beam is eliminated with this device.

Claims

Method for measuring divergent radiation, characterized in that the power density distribution is scanned pointwise with a pinhole and the scanned radiation strikes a scattering body or an integrator or a fluorescent screen and the radiation emerging from the scattering body an integrator or a fluorescent screen is imaged onto a detector.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the scattering body, the integrator sphere or the fluorescent screen are arranged directly behind the pinhole.

Apparatus for carrying out the method according to claim 1, characterized in that the chute ratio of the pinhole (depth divided by diameter) is chosen to be less than or equal to one in order to minimize reflections within the pinhole

Method according to Claim 1, characterized in that, when a fluorescent screen is used, a filter between the fluorescent screen and the detector allows only the wavelength of the fluorescence radiation to pass.