DE102007032576A1 - Measurement of the shape and refraction of a laser disk uses a test laser, emitting parallel beams, for the focused reflection to strike a detector to register angular deviations - Google Patents

Measurement of the shape and refraction of a laser disk uses a test laser, emitting parallel beams, for the focused reflection to strike a detector to register angular deviations Download PDF

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Abstract

To measure the shape and refraction of a laser disk, a test laser (1) emits displaced and parallel beams with a wavelength so that they strike a laser disk (2) at least at two different points with a wavelength equal to the emission wavelength. The reflection from the disk is focused by a lens (9) to a detector (10) with position sensitivity. The detector can register angular variations in the reflected test beams.

Description

Die Erfindung betrifft ein vereinfachtes Verfahren und eine Messanordnung zur Vermessung der Form und Aberrationen sowie der Brechkraft einer Laserscheibe. Mit Hilfe dieser erfindungsgemäßen Lösung ist es möglich nicht nur im gepumpten Zustand, sondern auch im Laserbetrieb Messungen vorzunehmen. Beispielsweise ist aus der Publikation "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers", Applied Physics B 58 (1994), p. 365 (Giesen, A. u. a.) bekannt, dass das Prinzip des Scheibenlasers darin besteht, das laseraktive Medium in Form einer nur wenige hundert Mikrometer dicken Scheibe zu gestalten, und diese im großflächigen Kontakt auf einer Wärmesenke zu montieren. Mit einer entsprechenden Verspiegelung für die Pump- und Laserwellenlänge wirkt die Scheibe im Laserresonator wie ein Spiegel.The invention relates to a simplified method and a measuring arrangement for measuring the shape and aberrations and the refractive power of a laser disk. With the aid of this solution according to the invention it is possible to carry out measurements not only in the pumped state but also in the laser mode. For example, from the publication "Scalable concept for diode-pumped high-power solid-state lasers", Applied Physics B 58 (1994), p. 365 (Giesen, A. et al.) It is known that the principle of the disk laser is to design the laser-active medium in the form of a disk only a few hundred micrometers thick, and to mount it in large-area contact on a heat sink. With a corresponding mirroring for the pump and laser wavelength, the disc in the laser resonator acts like a mirror.

Die spezielle Geometrie und Montage der Laserscheibe bewirkt eine effiziente Kühlung des Kristalls. Daraus resultiert die einfache Skalierbarkeit der Laserausgangsleistung, und zusätzlich kann die Laserstrahlung aufgrund der sich nur vergleichsweise schwach ausbildenden thermischen Linse gleichzeitig eine hohe Strahlqualität besitzen, ausgedrückt durch eine kleine Beugungsmaßzahl M2. Mit dem für diese Skalierung besonders vorteilhaften Lasermedium Yb:YAG ist es möglich, Grundmodelaser (TEM00-Mode, korrespondierend zu M2 = 1) bis in den 100-W-Leistungsbereich zu realisieren (siehe Karszewski, M. u.a. in "100 W TEM00 Operation of Yb:YAG thin disc laser with high efficiency", in Rosenberg, W. A.; Frejer, M. M. (Hrsg.)/OSA Trends in Optics and Photonics 19; Advanced Solid-State Lasers 1998. Washington DC: Optical Society of America, 1998, p. 125 ), und selbst bei kW-Lasersystemen M2 = 15–20 zu erreichen, wo vergleichbare Stablaser eine 4- bis 5-fach größere Beugungsmaßzahl besitzen (siehe hierzu auch in Stewen, C. u. a. "Yb:YAG Thin Disk Laser With 1 kW Output Power"; in: Injeyan, H.; Keller, U.; Marshall, C. (Hrsg.): OSA Trends in Optics and Photonics 34: Advanced Solid-State Lasers 2000 Washington DC: Optical Society of America, 2000, p. 35 ).The special geometry and mounting of the laser disc causes an efficient cooling of the crystal. This results in the simple scalability of the laser output power, and in addition the laser radiation due to the only comparatively weak thermal lens can simultaneously have a high beam quality, expressed by a small diffraction factor M 2 . With the laser medium Yb: YAG, which is particularly advantageous for this scaling, it is possible to realize basic mode lasers (TEM 00 mode, corresponding to M 2 = 1) up to the 100 W power range (see Karszewski, M. et al. In "100 W TEM00 Operation of Yb: YAG thin disc laser with high efficiency", in Rosenberg, WA; Frejer, MM (ed.) / OSA Trends in Optics and Photonics 19; Advanced Solid-State Lasers 1998. Washington DC: Optical Society of America, 1998, p. 125 ), and even with kW laser systems M 2 = 15-20 to achieve where comparable rod lasers have a 4- to 5-fold greater diffraction coefficient (see also in Stewen, C. et al. "Yb: YAG Thin Disk Laser With 1 kW Output Power"; in: Injeyan, H .; Keller, U .; Marshall, C. (ed.): OSA Trends in Optics and Photonics 34: Advanced Solid-State Lasers 2000 Washington DC: Optical Society of America, 2000, p. 35 ).

Dennoch bewirkt trotz effizienter Kühlung der durch radiale Temperaturgradienten verursachte Brechzahlverlauf innerhalb der Laserscheibe infolge der temperaturabhängigen Brechzahl n(T) die Ausbildung einer Linse. Außerdem können aufgrund unterschiedlicher Polarisierbarkeit von Elektronen des unteren und oberen Laserniveaus sogenannte elektronische Anteile einer Brechzahländerung n(e) auftreten (siehe Antipov, O. L. u. a. in "Electronic mechanism for refractiv-index changes in intensively pumped Yb:YAG laser crystals"; Opt. Lett., vol. 31, pp. 763–765, 2006 ).Nevertheless, despite effective cooling, the refractive index profile within the laser disk caused by radial temperature gradients causes the formation of a lens due to the temperature-dependent refractive index n (T). In addition, due to different polarizability of electrons of the lower and upper laser level so-called electronic components of a refractive index change n (e) occur (see Antipov, OL et al. In "Electronic mechanism for refractive index changes in intensively pumped Yb: YAG laser crystals"; Opt. Lett., Vol. 31, pp. 763-765, 2006 ).

Schließlich kann sich aufgrund des axialen Temperaturgradienten die Scheibe verbiegen und dadurch eine konkave oder konvexe Flächenform annehmen.After all may be due to the axial temperature gradient, the disc bend and thereby a concave or convex surface shape accept.

Deshalb tritt auch in Scheibenlasern eine von der Pumpleistung abhängige fokussierende oder defokussierende Wirkung der als Spiegel fungierenden Laserscheibe auf, die jedoch im Vergleich zu Stablasern viel geringer ist. Man kann die Verformung der Scheibe und die Wirkung der n(T, e)-Linse zusammen als thermische Linse bezeichnen. Im engeren Sinne bezeichnet man den näherungsweise parabolischen Verlauf von Brechzahl und/oder Krümmung als thermische Linse und beschreibt deren Wirkung durch Angabe einer Brechkraft D bzw. Brennweite f = D–1 oder auch im Fall der als Spiegel wirkenden Laserscheibe eines Krümmungsradius R = f = D–1. Die oben genann ten Quellen geben jedoch keinen Hinweis darauf, wie die Brechkraft dieser thermischen Linse zu bestimmen ist. In genauer Kenntnis dessen wäre es möglich, den Resonator mit dem bekannten ABCD-Matrix-Formalismus zu berechnen, und durch entsprechende Wahl der Krümmungsradien der anderen Resonatorspiegel und deren Abstände zueinander dahingehend zu optimieren, dass er dynamisch stabil ist (siehe V. Magni: "Multielement stable resonators containing a variable lens"; J. Opt. Soc. Am. A; vol. 4, pp. 1962–1969, 1987 ).Therefore, even in disk lasers, a pumping power-dependent focussing or defocusing effect of the laser disk acting as a mirror occurs, which is much lower in comparison to bar lasers. The deformation of the disk and the effect of the n (T, e) lens together can be called a thermal lens. In the narrower sense, the approximately parabolic course of refractive index and / or curvature is referred to as a thermal lens and describes its effect by specifying a refractive power D or focal length f = D -1 or also in the case of the mirror acting as a laser disc of a radius of curvature R = f = D -1 . However, the above-mentioned sources give no indication as to how the refractive power of this thermal lens is to be determined. In detail, it would be possible to calculate the resonator with the known ABCD matrix formalism and to optimize it by dynamically stable by choosing the radii of curvature of the other resonator mirrors and their distances to each other accordingly (see V. Magni: "Multielement stable resonators containing a variable lens"; J. Opt. Soc. At the. A; vol. 4, pp. 1962-1969, 1987 ).

Darüber hinaus bewirkt das Pumpen der Scheibe auch thermisch induzierte Verformungen und Brechzahlverläufe, die von einer Sphäre bzw. einem parabolischen Verlauf abweichen. Die reflektierte Wellenfront erleidet dadurch Aberrationen, wodurch die Skalierung der Leistung von Grundmodelasern begrenzt bzw. die Strahlqualität zu Beugungsmaßzahlen M2 > 1 verschlechtert wird.In addition, the pumping of the disk also causes thermally induced deformations and Brechzahlverläufe, which differ from a sphere or a parabolic curve. As a result, the reflected wavefront suffers aberrations, which limits the scaling of the power of fundamental model lasers or the beam quality is degraded to diffraction magnitudes M 2 > 1.

Es ist außerdem von großem Interesse, die Vermessung der thermisch induzierten Linse und Aberrationen nicht nur im gepumpten Zustand, sondern auch im Laserbetrieb vorzunehmen, weil sich die Temperaturverläufe sowie n(e) in der Regel in beiden Fällen unterscheiden können.It is also of great interest, the surveying the thermally induced lens and aberrations not only in the pumped Condition, but also in the laser mode, because the temperature gradients and n (e) usually differ in both cases can.

Aus dem Stand der Technik sind hierzu Verfahren und Anordnungen bekannt, die in interferometrische sowie nicht-interferometrische Methoden unterschieden werden können.Out The prior art discloses methods and arrangements for this purpose, in interferometric and non-interferometric methods can be distinguished.

Mit interferometrischen Messverfahren, die beispielsweise ein Mach-Zehnder-Interferometer benutzen ( Mudge, D. u. a.: "Power Scalable TEM00 CW Nd:YAG Laser with Thermal Lens Compensation"; IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electronics, vol. 6, pp. 643–649, 2000 ), kann prinzipiell die Wellenfront mit hoher Auflösung detektiert werden, was der Forderung nach Bestimmung thermisch induzierter Aberrationen bzw. Deformationen der Wellenfront und der Brechkraft der thermischen Linse entspricht. Besonders nachteilig ist bei diesen Verfahren jedoch, dass aufgrund der Interferenz zwischen einer Objekt- und Referenzwelle besonders hohe Anforderungen an die Stabilität des Aufbaus sowie an die Kohärenz der verwendeten Lichtquelle gestellt werden. Interferometrische Messaufbauten sind daher nur mit vergleichsweise großem gerätetechnischem Aufwand zu realisieren.With interferometric measuring methods using, for example, a Mach-Zehnder interferometer ( Mudge, D. et al .: "Power Scalable TEM00 CW Nd: YAG Laser with Thermal Lens Compensation"; IEEE J. of Selected Topics in Quant. Electronics, vol. 6, pp. 643-649, 2000 In principle, the wavefront can be detected with high resolution, which requires the determination of thermally induced aberrations or deformations of the wavefront and the refractive power of the thermal lens corresponds. However, it is particularly disadvantageous in these methods that due to the interference between an object and reference wave, particularly high demands are placed on the stability of the structure and on the coherence of the light source used. Interferometric measurement setups can therefore only be realized with comparatively great equipment complexity.

Nicht-interferometrische Verfahren überwinden zumindest den oben genannten Hauptnachteil der interferometrischen Messverfahren. Vergleichsweise einfache Methoden beruhen darauf, die Fokussierung oder Ablenkung eines kollimierten Probestrahls zu messen und daraus die Brechkraft der thermischen Linse zu ermitteln (siehe Hodgson, N.; Weber, H.: Laser Resonators and Beam Propagation, 2nd edition, Springer Series in Optical Sciences; Springer Science+Business Media, Inc., 2005, p. 704-708 ). Die räumliche Auflösung dieser Methoden ist jedoch sehr gering, und es ist nicht möglich die Wellenfrontdeformation zu messen.Non-interferometric methods overcome at least the above-mentioned major disadvantage of the interferometric measuring methods. Comparatively simple methods are based on measuring the focusing or deflection of a collimated test beam and determining therefrom the refractive power of the thermal lens (see Hodgson, N .; Weber, H .: Laser Resonators and Beam Propagation, 2nd edition, Springer Series in Optical Sciences; Springer Science + Business Media, Inc., 2005, p. 704-708 ). However, the spatial resolution of these methods is very low, and it is not possible to measure wavefront deformation.

Bekannt ist, dass ein Shack-Hartmann-Sensor (SHS) dagegen eine nicht-interferometrische Wellenfrontdetektion ermöglicht. Der SHS besteht aus einem Mikrolinsen-Array und Array-Detektor (CCD-Kamera), wobei das Mikrolinsen-Array die Wellenfront mit einer durch die Größe der Mikrolinsen bestimmten, vergleichsweise hohen räumlichen Auflösung abtastet und in der im Abstand weniger Millimeter befindlichen parallelen Ebene des Detektor-Arrays ein Feld von Fokusflecken erzeugt. Die geometrische Lage der Fokusflecken wird durch die Neigung (den Gradienten) des jeweiligen Wellenfrontsegments bestimmt. Aus dem gemessenen Gradientenfeld kann die Wellenfront mittels Integration rekonstruiert werden (siehe Pfund, J., Beyerlein, M.: „Shack-Hartmann-Sensoren für Qualitätskontrolle in klassischer und Laser-Optik"; Photonik 4/2002, S. 6–8 ). Beispiele für die Benutzung eines SHS zur Detektion der von einer thermischen Linse deformierten Wellenfront finden sich beispielsweise in Nishimura, A. u. a.: „Temporal Change of Thermal Lens Effects an Highly Pumped Ytterbium Glass by Wavefront Measurement"; J. of Nucl. Science and Techn., vol. 38, pp. 1043–1047, 2001 oder in Mansell, J. D. u. a.: "Evaluating the effect of transmissive optic thermal lensing an laser beam quality with a Shack-Hartmann wave-front sensor"; Appl. Opt., vol. 40, pp. 366374, 2001 .It is known, however, that a Shack-Hartmann sensor (SHS) allows non-interferometric wavefront detection. The SHS consists of a microlens array and array detector (CCD camera), the microlens array scans the wavefront with a determined by the size of the microlenses, comparatively high spatial resolution and in the spaced at a few millimeters parallel plane of the Detector arrays generates a field of focus spots. The geometric position of the focus spots is determined by the inclination (gradient) of the respective wavefront segment. From the measured gradient field, the wavefront can be reconstructed by integration (see Pfund, J., Beyerlein, M .: "Shack-Hartmann Sensors for Quality Control in Classical and Laser Optics", Photonik 4/2002, pp. 6-8 ). Examples of the use of a SHS for detecting the wavefront deformed by a thermal lens can be found, for example, in FIG Nishimura, A. et al.: "Temporal Change of Thermal Lens Effects on Highly Pumped Ytterbium Glass by Wavefront Measurement"; J. of Nucl. Science and Techn., Vol. 38, pp. 1043-1047, 2001 or in Mansell, JD et al.: "Evaluating the effect of transmissive optical thermal lensing on laser beam quality with a Shack-Hartmann wave-front sensor"; Appl. Opt., Vol. 40, pp. 366374, 2001 ,

In 1 ist ein schematischer Aufbau dargestellt, wie die thermische Linse bzw. die Wellenfrontdeformation einer Laserscheibe mittels SHS bestimmt werden kann. Die zu untersuchende Laserscheibe (2) wirkt wie ein Spiegel und bildet zusammen mit anderen Spiegeln einen Laserresonator, hier schematisch durch einen zweiten Spiegel (4) dargestellt. Dieser Laserresonator emittiert Laserstrahlung der Wellenlänge λL. Auf die Laserscheibe einfallendes sogenanntes Pumplicht, dass für die Ausbildung der thermischen Linse sorgt, ist nicht eingezeichnet. Die Laserscheibe (2) wird mit einer möglichst ebenen, aberrationsfreien Wellenfront eines Testlasers (1) bestrahlt.In 1 is a schematic structure shown how the thermal lens or the wavefront deformation of a laser disk can be determined by SHS. The laser disc to be examined ( 2 ) acts like a mirror and forms together with other mirrors a laser resonator, here schematically by a second mirror ( 4 ). This laser resonator emits laser radiation of wavelength λ L. On the laser disc incident so-called pump light that provides for the formation of the thermal lens is not shown. The laser disc ( 2 ) with a flat as possible, aberration-free wavefront of a test laser ( 1 ) irradiated.

Dieser Laser muss eine Wellenlänge λT haben, die gleich oder nahezu gleich der Emissionswellenlänge des Scheibenlasers λL ist, um von der im Bereich um λL verspiegelten Rückseite der Laserscheibe reflektiert zu werden. Um den gesamten interessierenden Bereich der Laserscheibe zu beleuchten, wird der Testlaserstrahl üblicherweise mit einem Teleskop (5) entsprechend aufgeweitet (Aufweitungsteleskop). Um die deformierte Wellenfront am Ort der Laserscheibe zu bestimmen, muss nach der Reflexion der Testlaserstrahlung an der Laserscheibe eine Abbildung dieses Ortes auf den SHS (3) erfolgen, wozu ein Abbildungsteleskop (6) verwendet werden kann. Schließlich sorgen Abschwäch- und Langpassfilter (7) dafür, dass die für den Sensor maximal zulässige Intensität nicht überschritten und kurzwelliges Pumplicht geblockt wird.This laser must have a wavelength λ T which is equal to or nearly equal to the emission wavelength of the disk laser λ L , in order to be reflected by the back side of the laser disk which is mirrored in the region around λ L. In order to illuminate the entire region of interest of the laser disk, the test laser beam is usually used with a telescope ( 5 ) widened accordingly (widening telescope). In order to determine the deformed wavefront at the location of the laser disk, after reflection of the test laser radiation on the laser disk, an image of this location on the SHS (FIG. 3 ), to which an imaging telescope ( 6 ) can be used. Finally, attenuation and long-pass filters ( 7 ) ensure that the maximum permissible intensity for the sensor is not exceeded and short-wave pump light is blocked.

Dieser Aufbau besitzt jedoch gravierende Nachteile.This However, construction has serious disadvantages.

Der Testlaser (1) muss im Grundmode TEM00 emittieren. Die in Interferometern typischerweise benutzten Helium-Neon- Gaslaser, die im roten Spektralbereich arbeiten, besitzen diese Eigenschaft. Jedoch ist aufgrund der Forderung λT ≈ λL und der typischerweise im nahen Infrarot (IR) liegenden Laserwellenlänge λL ein Festkörperlaser als Testlaser erforderlich. Ein Grundmode-Betrieb ist bei diesen Lasertypen nachteiligerweise nur mit größerem Aufwand zu erreichen.The test laser ( 1 ) must emit TEM 00 in the fundamental mode. The helium-neon gas lasers typically used in interferometers, which operate in the red spectral range, have this property. However, due to the requirement λ T ≈ λ L and the laser wavelength λ L, which is typically in the near infrared (IR), a solid-state laser is required as the test laser. A basic mode operation is disadvantageously to achieve in these types of lasers only with great effort.

Aufgrund der Abbildung der Ebene der Laserscheibe auf die Ebene des Sensors gelangt Fluoreszenzlicht, dass ebenfalls die Wellenlänge λL besitzt, auf den Sensor. Für ein ausreichend hohes „Signal-zu-Untergrund-Verhältnis" muss der Testlaser daher hinreichend leistungsstark sein (im Bereich von ca. 1 W). Das erschwert zusätzlich die Einhaltung der Bedingung eines TEM00-Betriebs und erfordert einen zusätzlichen technischen Aufwand.Due to the image of the plane of the laser disk on the plane of the sensor reaches fluorescent light, which also has the wavelength λ L , on the sensor. For a sufficiently high "signal-to-background ratio", the test laser must therefore be sufficiently powerful (in the range of about 1 W), which additionally complicates compliance with the condition of a TEM 00 operation and requires additional technical effort.

Der aus Präzisionsmikrolinsen und einer CCD-Kamera bestehende SHS ist vergleichsweise teuer. Die Steuerelektronik des CCD-Arrays ist vergleichsweise kompliziert. Der apparative Aufwand ist also bei Verwendung eines SHS vergleichsweise hoch und wird den Forderungen nur ungenügend gerecht.Of the made of precision microlenses and a CCD camera SHS is comparatively expensive. The control electronics of the CCD array is comparatively complicated. The equipment cost is so when using a SHS comparatively high and will meet the demands only insufficiently fair.

Ausgehend vom Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, die Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums in einfacher Weise zu bestimmen, und dies auch im Laserbetrieb vorgenommen werden kann. Dabei soll zugleich eine hohe räumliche Auflösung erreicht und mit verhältnismäßig geringem Aufwand realisiert werden.Starting from the prior art, it is an object of the invention, the measurement of the mold and To determine refractive power of a disk-shaped laser medium in a simple manner, and this can also be done in the laser mode. At the same time a high spatial resolution should be achieved and realized with relatively little effort.

Es ist damit auch die Aufgabe der Erfindung, die durch das Pumplicht thermisch induzierten Aberrationen bzw. Deformationen der Wellenfront zu bestimmen. Aufgabe der Erfindung ist es weiterhin eine einfache, kompakte und stabile Messanordnung bereit zu stellen, die keine besonderen Anforderungen an die Umgebungsbedingungen und Komponenten der Messanordnung stellt. Dies gilt z. B. für den Fall, dass es sich um häufige oder routinemäßige Messaufgaben im Rahmen einer Fertigung zahlreicher Lasergeräte oder um die Integration der Messanordnung in ein Lasergerät zur Online-Diagnostik handelt.It is thus the object of the invention, by the pump light thermally induced aberrations or deformations of the wavefront to determine. The object of the invention is furthermore a simple, compact and stable measuring arrangement to provide that no special environmental requirements and components of the Measuring arrangement provides. This applies z. B. in the event that it is frequent or routine Measuring tasks within the scope of a production of numerous laser devices or the integration of the measuring arrangement in a laser device for online diagnostics.

Zur Lösung der Aufgabe enthält ein optisches Messsystem

  • a) einen Laser (1) zur Aussendung von parallel versetzbaren Strahlen mit einer emittierenden Wellenlänge λT, der so angeordnet ist, dass er die Laserscheibe (2) mit der Emissionswellenlänge λL in mindestens 2 verschiedenen Punkten treffen kann, wobei die Wellenlänge λT gleich oder nahezu gleich der Emissionswellenlänge λL ist,
  • b) eine nach der Reflexion an der Laserscheibe (2) angeordnete Sammellinse (9) und
  • c) einen positionsempfindlichen Detektor/PSD (10) zur Erfassung der Winkeländerungen der reflektierten Teststrahlen. Die parallele Versetzung des einfallenden Strahls um δx bzw. δy kann auf verschiedene Weise realisiert werden. Der Laser (1) kann dazu beweglich transversal zur Strahlrichtung angeordnet sein. In besonders bevorzugter Weise ist der Laser (1) ein fest stehender Laser mit einem geeigneten beweglichen optischen Element, welches in der Lage ist den Strahl parallel abzulenken. Ein solches optisches Element kann zum Beispiel eine zwischen Linse (12) und Laserscheibe (2) angeordnete Planplatte (10) sein, die um eine zur Strahlrichtung senkrecht stehende Achse verdreht wird.
To solve the task contains an optical measuring system
  • a) a laser ( 1 ) for emitting parallel displaceable rays having an emitting wavelength λ T , which is arranged so that it the laser disc ( 2 ) with the emission wavelength λ L in at least 2 different points, the wavelength λ T being equal to or nearly equal to the emission wavelength λ L ,
  • b) one after reflection on the laser disc ( 2 ) arranged converging lens ( 9 ) and
  • c) a position sensitive detector / PSD ( 10 ) for detecting the angular changes of the reflected test beams. The parallel displacement of the incident beam by δx or δy can be realized in various ways. The laser ( 1 ) can be arranged to be movable transversely to the beam direction. Most preferably, the laser ( 1 ) a fixed laser with a suitable movable optical element, which is able to deflect the beam in parallel. Such an optical element may be, for example, an intermediate lens ( 12 ) and laser disc ( 2 ) arranged plane plate ( 10 ), which is rotated about an axis perpendicular to the beam direction axis.

Benutzt man beispielsweise eine Glasplatte mit dem Brechungsindex n = 1,5 und einer Dicke von 5 mm, so bewirkt eine Verkippung um 30° einen Versatz von ca. 1 mm. Bei einer doppelt so dicken Platte ist für den gleichen Versatz nur etwa der halbe Verdrehwinkel notwendig.Used For example, a glass plate with the refractive index n = 1.5 and a thickness of 5 mm, so causes a tilt of 30 ° one Offset of approx. 1 mm. With a plate twice as thick is for the same offset only about half the angle of rotation necessary.

Statt einer verkippbaren Planplatte sind aber auch andere Anordnungen möglich, z. B. solche, bei denen der Testlaserstrahl durch ein 90°-Dachkant-Umlenkprisma läuft und der Strahlversatz durch Verschiebung dieses Prismas senkrecht zur einfallenden Strahlrichtung erzeugt wird.Instead of But a tiltable plan plate are also other arrangements possible, for. B. those in which the test laser beam through a 90 ° roofside deflection prism runs and the beam offset by displacement of this prism perpendicular to the incident beam direction is produced.

Der Fachmann wird darüber hinaus weitere Anordnungen finden können, die den erforderlichen parallelen Versatz des Testlaserstrahls bewirken.Of the A person skilled in the art will also find further arrangements can provide the required parallel offset of the test laser beam cause.

Die Laserscheibe (2) bildet zusammen mit anderen Spiegeln, schematisch durch einen zweiten Spiegel (4) dargestellt, einen Laserresonator (2). Das auf die Laserscheibe (2) einfallende so genannte Pumplicht, dass für die Ausbildung einer thermischen Linse sorgt, ist nicht eingezeichnet. Der Laserresonator emittiert Laserstrahlung der Wellenlänge λL. Erfindungsgemäß wird die Laserscheibe (2) nun mit einem Strahl eines Testlasers (1) bestrahlt.The laser disc ( 2 ) forms, together with other mirrors, schematically by a second mirror ( 4 ), a laser resonator ( 2 ). That on the laser disc ( 2 ) incident so-called pump light that provides for the formation of a thermal lens is not shown. The laser resonator emits laser radiation of wavelength λ L. According to the invention, the laser disk ( 2 ) now with a beam of a test laser ( 1 ) irradiated.

In bevorzugter Ausführung besitzt der Testlaser (1) einen Fokusdurchmesser w von 100 μm bis 200 μm. In besonders vorteilhafter Weise hat dieser Fokusdurchmesser w eine Größe von 150 μm. Es werden zudem keine hohen Ansprüche an den Testlaser hinsichtlich Strahlqualität gestellt, M2 > 1 ist möglich. In einem bevorzugten optischen Messsystem ist zwischen dem Laser (1) und der Laserscheibe (2) eine Fokussierlinse bzw. ein Fokussierelement (12) angeordnet, wodurch ermöglicht wird, dass die Laserscheibe (2) mit einem möglichst optimierten dünnen Strahl des Testlasers (1) bestrahlt werden kann. In einer weiteren bevorzugten Ausführung ist zusätzlich zwischen der Sammellinse (9) und dem PSD (10) ein Abschwächfilter (11) angeordnet, der dafür Sorge trägt, das die für den PSD (10) maximal zulässige Intensität nicht überschritten wird.In a preferred embodiment, the test laser ( 1 ) has a focus diameter w of 100 μm to 200 μm. In a particularly advantageous manner, this focus diameter w has a size of 150 μm. In addition, no high demands are placed on the test laser with regard to beam quality, M 2 > 1 is possible. In a preferred optical measuring system, between the laser ( 1 ) and the laser disc ( 2 ) a focusing lens or a focusing element ( 12 ), thereby allowing the laser disc ( 2 ) with an optimized as possible thin beam of the test laser ( 1 ) can be irradiated. In a further preferred embodiment, in addition between the converging lens ( 9 ) and the PSD ( 10 ) an attenuation filter ( 11 ), which is responsible for ensuring that the PSD ( 10 ) maximum permissible intensity is not exceeded.

Da kein Fluoreszenzlicht auf den PSD (10) abgebildet wird, kann ein hohes Signal-zu-Untergrund-Verhältnis bereits mit einer vergleichsweise kleinen Leistung des Testlasers im Milliwatt-Bereich erreicht werden. Der PSD ist zudem preiswert und robust gestaltet. Er besteht lediglich aus einer großflächigen Pin-Diode und einer vergleichsweise sehr einfachen Auswerteelektronik. Der PSD ist klein, und auch der Testlaser kann aufgrund der geringen benötigten Ausgangsleistung sehr klein ausfallen, sodass der Aufbau leicht in einen (Scheiben) Laserresonator integriert werden kann.Since no fluorescent light on the PSD ( 10 ), a high signal-to-background ratio can already be achieved with a comparatively small power of the test laser in the milliwatt range. The PSD is also inexpensive and robust. It consists only of a large-area pin diode and a comparatively very simple evaluation. The PSD is small, and the test laser can be very small due to the low output power required, so that the structure can be easily integrated into a (slices) laser resonator.

Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Messverfahren gemäß der Anordnung.The The present invention also relates to a measuring method according to the Arrangement.

Die Anordnung und das zugehörige erfindungsgemäße Verfahren werden anhand der 1 bis 10 näher erläutert.The arrangement and the associated inventive method will be described with reference to 1 to 10 explained in more detail.

1 zeigt die schematische Darstellung einer Messanordnung mit SHS, wie er aus dem der Technik bekannt ist. 1 shows the schematic representation of a measuring arrangement with SHS, as it is known from the art.

2 zeigt die bevorzugte erfindungsgemäße Messanordnung. 2 shows the preferred measuring arrangement according to the invention.

3 beinhaltet das schematisch dargestellte Prinzip der erfindungsgemäßen Messung. Zur besseren Veranschaulichung ist die Reflexion an einer verformten Oberfläche der Laserscheibe (S) dargestellt. 3 includes the schematic dargestell te principle of the measurement according to the invention. For better illustration, the reflection is shown on a deformed surface of the laser disk (S).

4 zeigt das Prinzip der Transformation einer Winkeländerung (Δγ) in eine Ortsänderung (Δx) mittels Linse. 4 shows the principle of the transformation of an angle change (Δγ) into a change of position (Δx) by means of a lens.

5.1 zeigt ein Beispiel für eine aus den Messergebnissen rekonstruierte Wellenfront einer Laserscheibe in 2-D-Darstellung; 5.1 shows an example of a wavefront reconstructed from the measurement results of a laser disc in 2-D representation;

5.2 zeigt ein Beispiel für eine aus den Messergebnissen rekonstruierte Wellenfront einer Laserscheibe in 3-D-Darstellung. 5.2 shows an example of a reconstructed from the measurement results wavefront of a laser disk in 3-D representation.

Aus 6 ist die Bestimmung des Krümmungsradius R durch Messung des Reflexionswinkels 2φ zu entnehmen.Out 6 the determination of the radius of curvature R can be taken by measuring the reflection angle 2φ.

In 7 ist die Ermittlung des Krümmungsradius durch Bestimmung des linearen Anstiegs der Abhängigkeit h(x) dargestellt.In 7 the determination of the radius of curvature is shown by determining the linear increase of the dependence h (x).

In überraschend einfacher Weise können die Wellenfrontsegmente mit der erfindungsgemäßen Anordnung seriell durch Veränderung des Auftreffortes des Testlaserstrahls auf die Laserscheibe (2) abgerastert werden. Die Änderung des Auftreffor tes auf die Laserscheibe (2) ist in 2 in schematischer Form punktiert (8) dargestellt.In a surprisingly simple manner, the wavefront segments with the arrangement according to the invention can be connected in series by changing the point of impact of the test laser beam on the laser disk (FIG. 2 ) are scanned. The change of the impactor on the laser disc ( 2 ) is in 2 dotted in schematic form ( 8th ).

Schließlich kann aus dem gemessenen Gradientenfeld die Wellenfront mittels Integration rekonstruiert werden.After all From the measured gradient field, the wave front can be integrated be reconstructed.

Einzelheiten zum erfindungsgemäßen Messverfahren werden nachfolgend erläutert.details The measuring method according to the invention will be described below explained.

Der Laser (1) muss eine Wellenlänge λT aussenden, die gleich oder nahezu gleich der Emissionswellenlänge des Scheibenlasers λL ist, um von der im Bereich um λL verspiegelten Rückseite der Laserscheibe reflektiert zu werden.The laser ( 1 ) Must emit a wavelength λ T, which is the emission wavelength of the disc laser λ L equal or nearly equal, to be reflected from the mirrored in the field to λ L back of the laser wafer.

Im Idealfall entspricht die Wellenlänge λT der Emissionswellenlänge des Scheibenlasers λL.Ideally, the wavelength λ T corresponds to the emission wavelength of the disk laser λ L.

Die Wellenlänge λT kann jedoch auch in einem Größenbereich liegen, der einer Emissionswellenlänge des Scheibenlasers λL genügt, die aus der Antireflexschicht der Laserscheibe auf deren Vorderseite und der hochreflektierenden Beschichtung auf deren Rückseite resultiert. Diese kann im Bereich von +/–5% der Wellenlänge λL liegen. Ein typischer Scheibenlaser mit einem Yb-dotiertem YAG-Kristall (Yb:YAG) emittiert bei λL = 1030 nm. Er weist für die Laserstrahlung eine hochreflektierende Beschichtung auf der Rückseite sowie eine Antireflexbeschichtung auf der Vorderseite von typischerweise etwa 100 nm spektraler Breite auf, so dass ein Testlaser mit einer Wellenlänge λT = 1064 nm eingesetzt werden könnte. Die häufig benutzten Laserkristalle Nd:YVO4 oder Nd:YAG emittieren Licht bei 1064 nm.However, the wavelength λ T may also be in a size range which satisfies an emission wavelength of the disk laser λ L resulting from the antireflection layer of the laser disk on the front side thereof and the highly reflective coating on the rear side thereof. This can be in the range of +/- 5% of the wavelength λ L. A typical Yb-doped YAG crystal (Yb: YAG) disk laser emits at λ L = 1030 nm. It has a highly reflective coating on the back side for the laser radiation and an antireflective coating on the front side of typically about 100 nm spectral width. so that a test laser with a wavelength λ T = 1064 nm could be used. The commonly used laser crystals Nd: YVO 4 or Nd: YAG emit light at 1064 nm.

Nach der Reflexion an der Laserscheibe (2) durchläuft der Testlaserstrahl in einer vorteilhaften Weise eine langbrennweitige Sammellinse (9) und trifft im Abstand einer Brennweite f dieser Linse (9) auf einen positionsempfindlichen Detektor, PSD, (10). Eine vorteilhafte Brennweite f liegt dabei im Bereich von 0,5 m bis 1 m.After reflection on the laser disc ( 2 ) the test laser beam advantageously passes through a long focal length condenser lens ( 9 ) and hits at a distance of a focal length f of this lens ( 9 ) on a position sensitive detector, PSD, (10). An advantageous focal length f is in the range of 0.5 m to 1 m.

Hierbei wird aus der geometrischen Lage des Strahlschwerpunktes auf dem PSD (10) die Neigung (der Gradient) eines Wellenfrontsegments bestimmt.This is based on the geometric position of the beam centroid on the PSD ( 10 ) determines the inclination (gradient) of a wavefront segment.

Gemäß der Anordnung nach 2 und der beispielhaften Verfahrensdarstellung in 3 ist der optische Gangunterschied, nur hervorgerufen durch eine ortsabhängige Brechzahl innerhalb einer ebenen Laserscheibe, der Reflexion an einer verformten Oberfläche der Laserscheibe äquivalent und kann als Reflexion an einer dem Gangunterschied entsprechend gekrümmten Fläche interpretiert werden. Eine weitere Vereinfachung in 3 ist die Darstellung in nur einer Ebene. Aus einer gekrümmten Laserscheibe wird dadurch eine gekrümmte Kurve (S) und aus Tangentialebenen der Fläche werden Tangenten der Kurve.According to the arrangement according to 2 and the exemplary method illustration in FIG 3 is the optical path difference, only caused by a location-dependent refractive index within a planar laser disk, the reflection equivalent to a deformed surface of the laser disk equivalent and can be interpreted as reflection on a path difference corresponding curved surface. Another simplification in 3 is the representation in only one level. This turns a curved laser disk into a curved curve (S), and tangent planes of the surface become tangents of the curve.

Ein erster einfallender Strahl S1 trifft die Laserscheibe, dargestellt durch die Kurve S, am Ort P1. Die Tangente in diesem Punkt ist die Gerade T1, darauf steht senkrecht die Normale N1. Der erste einfallende Strahl S1 bildet mit der Normalen N1 den Winkel αl und wird in P1 dem Reflexionsgesetz gehorchend mit dem gleichen Ausfallswinkel α1 reflektiert, dargestellt als Strahl S'1. Ein zweiter einfallender Strahl S2, der zum ersten Strahl S1 um δx parallel versetzt ist, trifft die Laserscheibe bzw. die dargestellte Kurve S im Punkt P2 unter dem Winkel α2 zur Normalen N2 und wird entsprechend reflektiert.One first incident beam S1 hits the laser disk, shown through the curve S, at location P1. The tangent on this point is the Straight T1, perpendicular to the normal N1. The first incident Beam S1 forms with the normal N1 the angle αl and becomes in P1 the law of reflection obeying the same angle of departure α1 reflected, represented as beam S'1. A second incident beam S2, which is offset parallel to the first beam S1 by δx, hits the laser disk or the illustrated curve S at the point P2 at the angle α2 to the normal N2 and becomes corresponding reflected.

Die beiden reflektierten Strahlen S'1 und S'2 schließen einen Winkel ein, der in 3 mit 2Δφ bezeichnet ist. Zur besseren Veranschaulichung wurde in 3 der Strahl S2 parallel verschoben (S''2).The two reflected rays S'1 and S'2 enclose an angle which is in 3 is denoted by 2Δφ. For better illustration was in 3 the beam S2 is shifted in parallel (S''2).

Der halbe Winkel, also Δφ, ist gleich der Differenz der Anstiege an die Kurve S in den Punkten P1 und P2, also der von den Tangenten T1 und T2 gebildete Winkel Δφ. Man misst also den Gradienten der Kurve bzw. verallgemeinert ausgedrückt den Gradienten einer deformierten Wellenfront.Of the half angle, ie Δφ, is equal to the difference the increases to the curve S in the points P1 and P2, that of the the angles Δφ formed by the tangents T1 and T2. you thus measures the gradient of the curve or in generalized terms the gradient of a deformed wavefront.

Die Winkeländerung 2Δφ muss nun geeignet gemessen werden. Es ist bekannt, dass in der Brennebene einer Linse Winkeländerungen in Ortsänderungen transformiert werden, siehe 4. Die sich aus den Winkeländerungen ergebenden Ortsänderungen werden erfindungsgemäß mit einem PSD gemessen. Dessen Genauigkeit liegt, abhängig vom Bautyp, im Bereich von 1 µm und besser (niedriger, z. B. bei 0,9 µm). Die Brennweite der Linse richtet sich nach der erforderlichen Winkelauflösung und der Ortsauflösung des PSD und liegt typischerweise im Bereich f = 0,5 m.The angle change 2Δφ must now be suitably measured. It is known that in the Bren next to a lens angle changes are transformed into place changes, see 4 , The resulting from the angle changes changes in location are measured according to the invention with a PSD. Its accuracy is, depending on the type of construction, in the range of 1 μm and better (lower, eg 0.9 μm). The focal length of the lens depends on the required angular resolution and the spatial resolution of the PSD and is typically in the range f = 0.5 m.

Die räumliche Auflösung der Messung der Laserscheibe wird bestimmt durch den Fokusdurchmesser w des Testlasers. Eine sinnvolle Größe ist etwa zwischen 100 und 200 µm. Die Oberfläche wird mit dem Testlaserstrahl abgerastert, indem der einfallende Strahl in geeigneter Weise um δx parallel verschoben wird. Für die genaue Erfassung der Oberflächenform sollte das Rastermaß vorteilhafterweise etwa der Größe des Strahldurchmessers entsprechen, δx ≈ w.The spatial resolution of the measurement of the laser disc is determined by the focus diameter w of the test laser. A meaningful size is approximately between 100 and 200 microns. The surface is scanned with the test laser beam, by the incident beam suitably by δx is moved in parallel. For the accurate capture of Surface shape, the grid should advantageously about correspond to the size of the beam diameter, δx ≈ w.

Die Anstiege der Kurve S entlang der x-Achse werden also beschrieben durch dSdx = Δφ = Δx2f The increases of the curve S along the x-axis are thus described by dS dx = Δφ = Ax 2f

Die Messung der Anstiege erfolgt nun an mehreren Punkten, woraus die Kurvenform durch Integration ermittelt wird: S = 12f ∫Δxdxbzw. wegen der diskreten Messung:

Figure 00120001
The measurement of the ascents now takes place at several points, from which the curve shape is determined by integration: S = 1 2f ∫Δxdx or because of the discrete measurement:
Figure 00120001

Analog erfolgen die Messung und Integration in y-Richtung. 5 zeigt exemparisch eine derart erhaltene Wellenfront einer gepumpten Laserscheibe.The measurement and integration in the y-direction take place analogously. 5 shows exemparically a wavefront of a pumped laser disk obtained in this way.

Mit bekannten Methoden wie der Darstellung der Wellenfront als Linearkombination von Zernike-Polynomen kann man entsprechende quantitative Aussagen gewinnen ((siehe Pfund, J., Beyerlein, M.: „Shack-Hartmann-Sensoren für Qualitätskontrolle in klassischer und Laser-Optik"; Photonik 4/2002, S. 6–8 ).With well-known methods such as the representation of the wavefront as a linear combination of Zernike polynomials one can obtain appropriate quantitative statements (see Pfund, J., Beyerlein, M .: "Shack-Hartmann Sensors for Quality Control in Classical and Laser Optics", Photonik 4/2002, pp. 6-8 ).

Nachfolgendes Ausführungsbeispiel für ein vereinfachtes Messverfahren:Subsequent embodiment for a simplified measuring procedure:

In der Praxis sind die Laserscheiben häufig im wesentlichen sphärisch gekrümmt bzw. weisen einen nahezu parabolischen Brechzahlverlauf auf. Man interessiert sich daher besonders für die Ermittlung der Brechkraft dieser gepumpten Laserscheibe, möglichst im Laserbetrieb. Wie oben angeben, kann unabhängig von der konkreten Art der thermischen Linse die Messmethode auf eine Reflexion an einer dem Gangunterschied entsprechend gekrümmten Fläche zurückgeführt und die Brechkraft als Kehrwert des Krümmungsradius angegeben werden, D = R–1. Für die Optimierung des Lasers bzw. die optimale Auslegung des Laserresonators ist die Kenntnis der beiden Radien Rx und Ry (Meridional- und Sagittalstrahlradius) notwendig.In practice, the laser discs are often substantially spherically curved or have a nearly parabolic refractive index course. One is therefore particularly interested in determining the refractive power of this pumped laser disk, if possible in laser operation. As stated above, regardless of the specific type of the thermal lens, the measurement method can be attributed to a reflection on a surface corresponding to the path difference and the refractive power can be given as the reciprocal of the radius of curvature, D = R -1 . For the optimization of the laser or the optimal design of the laser resonator, the knowledge of the two radii Rx and Ry (meridional and Sagittalstrahlradius) is necessary.

In 6 ist die Reflexion an einer Kurve S', die nahezu kreisförmig ist (S) und den Radius R hat, dargestellt. Erneut erfolgt die vereinfachte Betrachtung einer Kurve in einer Ebene.In 6 the reflection is shown on a curve S ', which is nearly circular (S) and has the radius R. Again, the simplified viewing of a curve in a plane takes place.

Der reflektierte Strahl wird auf dem PSD mit der Ortskoordinate h(x) detektiert (nicht dargestellt), wobei diese proportional dem Winkel 2φ ist, h(x) = f·2φ + h0 (h0 ist eine Konstante, die ausdrückt, dass bei φ = 0 der Ort h = h0 getroffen wird). Ferner gilt in sehr guter Näherung φ = x/R, so dass für den Anstieg mx der Messkurve h(x) gilt:

Figure 00140001
The reflected beam is detected on the PSD with the location coordinate h (x) (not shown), which is proportional to the angle 2φ, h (x) = f · 2φ + h 0 (h 0 is a constant that expresses that at φ = 0 the place h = h 0 is hit). Furthermore, in a very good approximation, φ = x / R, so that the following applies to the increase m x of the measurement curve h (x):
Figure 00140001

Der Krümmungsradius Rx kann also einfach dadurch ermittelt werden, dass der lineare Anstieg mx der gemessenen Abhängigkeit h (= x-Koordinate des Auftrefforts auf PSD) von x (= x-Koordinate des Auftrefforts auf Laserscheibe) bestimmt wird,

Figure 00140002
Analog wird Ry ermittelt.The radius of curvature R x can therefore be determined simply by determining the linear increase m x of the measured dependence h (= x coordinate of the point of impact on PSD) of x (= x coordinate of the place of impact on the laser disc),
Figure 00140002
Analogously, R y is determined.

7 zeigt ein Beispiel für eine derartige Messung der Brechkraft einer Laserscheibe, ausgedrückt durch eine äquivalente Krümmung. 7 shows an example of such a measurement of the refractive power of a laser disc, expressed by an equivalent curvature.

Das vereinfachte Verfahren für die Bestimmung der Brechkraft Dx, Dy (bzw. Der Radien Rx, Rx) kann noch weiter vereinfacht werden, indem für die Bestimmung von mx, my nur 2 Messpunkte herangezogen werden, d. h., das Abrastern der Laserscheibe beschränkt sich auf das Einstrahlen auf jeweils 2 Messpunkte in x- und y-Richtung. Der Messvorgang inklusive Auswertung ist dadurch besonders einfach und vorzugsweise geeignet für eine Implementierung in ein Lasergerät zur ständigen Messung und Überwachung der Brechkraft der thermischen Linse. Aus der Kenntnis dieses Messwertes wiederum könnte eine gezielte Beeinflussung des Resonators, z. B. eine Verstellung des Abstandes von Resonatorspiegeln, erfolgen, um dadurch Parameter der Laserstrahlung trotz veränderter thermischer Linse konstant zu halten.The simplified method for determining the refractive power D x , D y (or the radii R x , R x ) can be further simplified by using only 2 measuring points for the determination of m x , m y , ie, the scanning the laser disk is limited to the irradiation on each 2 measuring points in the x and y direction. The measurement process including evaluation is thereby particularly simple and preferably suitable for implementation in a laser device for the continuous measurement and monitoring of the refractive power of the thermal lens. From the knowledge of this measured value, in turn, a targeted influencing of the resonator, z. As an adjustment of the distance of resonator, done to thereby con parameters of the laser radiation despite changing thermal lens to keep constant.

Das dargestellte vereinfachte Messverfahren entspricht der von Evans vorgestellten Messmethode ( Evans, J. D.: "Method for Approximating the Radius of Curvature of Small Concave Spherical Mirrors Using a He-Ne Laser"; Appl. Opt., vol. 10, pp. 995–996, 1971 ). Allerdings wird darin nur die Messung des Radius eines sphärischen Spiegels, also eines passiven Bauelementes behandelt. Die vorliegende Erfindung jedoch wendet die Messung von Reflexionswinkeln auf das spezielle Bauelement „laseraktives Medium", speziell „Laserscheibe" an. In diesem Element bewirken verschiedenartige, oben geschilderte Effekte im gepumpten Zustand bzw. im Laserbetrieb Brechzahl- und Formänderungen, die mit dem hier beschriebenen Verfahren komplex (Wellenfrontrekonstruktion) und vereinfacht (Bestimmung der Brechkraft bzw. des äquivalenten Krümmungsradius) ausgewertet werden können. 8 unf 9 zeigen weitere Messbeispiele des vereinfachten Messverfahrens gemäß 7, bei dem nur Rx (bzw. Ry) gemessen wird. Zu erkennen ist, dass die ungepumpte Laserscheibe bereits eine bestimmte Krümmung aufweist. Diese ist technologisch bedingt und ergibt sich vor allem durch die durch die Beschichtung sowie Montage der Laserscheibe bewirkten mechanischen Spannungen. Im Laserbetrieb ändert sich nun diese Brechkraft durch die beschriebene Wirkung der so genannten thermischen Linse.The simplified measurement procedure presented here corresponds to the measurement method proposed by Evans ( Evans, JD: "Method for Approximating the Radius of Curvature of Small Concave Spherical Mirrors Using a He-Ne Laser"; Appl. Opt., Vol. 10, pp. 995-996, 1971 ). However, it only deals with the measurement of the radius of a spherical mirror, ie a passive component. However, the present invention employs the measurement of reflection angles on the particular "laser active medium" device, especially "laser disk". In this element, various effects described above in the pumped state or in laser operation bring about refractive index and shape changes that can be evaluated with the method described here complex (wavefront reconstruction) and simplified (determination of the refractive power or the equivalent radius of curvature). 8th unf 9 show further measuring examples of the simplified measuring method according to 7 in which only Rx (or Ry) is measured. It can be seen that the unpumped laser disc already has a certain curvature. This is technologically conditioned and results above all from the mechanical stresses caused by the coating and assembly of the laser disk. In laser operation, this refractive power now changes due to the described effect of the so-called thermal lens.

Die Brechkraft der thermischen Linse ist im Laserbetrieb vor allem abhängig von der Pumpleistung. Im dargestellten Beispiel (9) beträgt die Pumpleistung im „Laserbetrieb 1" 60% der Pumpleistung des „Laserbetriebs 2"; der gemessene Krümmungsradius ändert sich in diesem Beispiel von 3150 mm auf 4210 mm.The refractive power of the thermal lens is mainly dependent on the pump power in laser operation. In the example shown ( 9 ) the pumping power in "laser mode 1" is 60% of the pumping power of "laser mode 2"; the measured radius of curvature changes from 3150 mm to 4210 mm in this example.

11
Testlasertest laser
22
Laserscheibelaser disc
33
Shack-Hartmann-Sensor (SHS)Shack-Hartmann sensor (SHS)
44
Spiegel bzw. Spiegelanordnungmirror or mirror arrangement
55
Aufweitungsteleskopexpanding telescope
66
Abbildungsteleskopimaging telescope
77
Filter (Langpass-)filter (Longpass)
88th
Strahlverlauf 2 (poarallel) des Testlasersray tracing 2 (poarallel) of the test laser
99
Sammellinseconverging lens
1010
Detektor (PSD)detector (PSD)
1111
AbschwächfilterAbschwächfilter
1212
Fokussierlinse bzw. -elementfocusing lens or element
1313
PlanplattePlanplatte

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

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Claims (16)

Anordnung zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums, enthaltend a) einen Testlaser (1) zur Aussendung von parallel versetzbaren Strahlen mit einer emittierenden Wellenlänge λT, der so angeordnet ist, dass er die Laserscheibe (2) mit der Emissionswellenlänge λL in mindestens 2 verschiedenen Punkten treffen kann, wobei die Wellenlänge λT gleich oder nahezu gleich der Emissionswellenlänge λL ist, b) eine nach der Reflexion an der Laserscheibe (2) angeordnete Sammellinse (9) und c) einen positionsempfindlichen Detektor/PSD (10), der so angeordnet ist, dass er die Winkeländerungen der reflektierten Teststrahlen erfassen kann.Arrangement for optically measuring the shape and refractive power of a disk-shaped laser medium, comprising a) a test laser ( 1 ) for emitting parallel displaceable rays having an emitting wavelength λ T , which is arranged so that it the laser disc ( 2 ) with the emission wavelength λ L in at least 2 different points, wherein the wavelength λ T is equal to or nearly equal to the emission wavelength λ L , b) one after the reflection at the laser disc ( 2 ) arranged converging lens ( 9 ) and c) a position-sensitive detector / PSD ( 10 ) arranged to detect the angular changes of the reflected test beams. Anordnung zur optischen Messung nach Anspruch 1, bei dem der Testlaser (1) ein beweglich transversal zur Strahlrichtung angeordneter Laser ist.Arrangement for optical measurement according to Claim 1, in which the test laser ( 1 ) is a laser arranged transversely to the beam direction. Anordnung zur optischen Messung nach Anspruch 1, bei dem der Testlaser (1) als ein fest stehender Laser mit einem geeigneten beweglichen optischen Element ausgestattet ist, welches in der Lage ist Strahlen des Testlasers definiert abzulenken.Arrangement for optical measurement according to Claim 1, in which the test laser ( 1 ) is provided as a fixed laser with a suitable movable optical element capable of deflecting beams of the test laser in a defined manner. Anordnung zur optischen Messung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche optische Element eine verkippbare Planplatte (13) ist.Arrangement for optical measurement according to claim 3, characterized in that the movable optical element has a tiltable plane plate ( 13 ). Anordnung zur optischen Messung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche optische Element ein 90°-Dachkant-Umlenkprisma ist.Arrangement for optical measurement according to claim 3, characterized in that the movable optical element a 90 ° roofside deflection prism is. Anordnung zur optischen Messung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, bei dem der Testlaser (1) einen Fokusdurchmesser w von 100 μm bis 200 μm besitzt.Arrangement for optical measurement according to at least one of the preceding claims, in which the test laser ( 1 ) has a focus diameter w of 100 μm to 200 μm. Anordnung zur optischen Messung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass In besonders vorteilhafter Weise dieser Fokusdurchmesser w eine Größe von 150 μm hat.Arrangement for optical measurement according to claim 6, characterized in that in a particularly advantageous manner this Focus diameter w a size of 150 microns Has. Anordnung zur optischen Messung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, bei der zwischen dem Laser (1) und der Laserscheibe (2) eine Fokussierlinse bzw. ein Fokussierelement (12) angeordnet ist.Arrangement for optical measurement according to at least one of the preceding claims, wherein between the laser ( 1 ) and the laser disc ( 2 ) a focusing lens or a focusing element ( 12 ) is arranged. Anordnung zur optischen Messung nach mindestens einem der vorherigen Ansprüche, bei der zwischen der Sammellinse (9) und dem positionsempfindlichen Detektor/PSD (10) ein Abschwächfilter (11) angeordnet ist.Arrangement for optical measurement according to at least one of the preceding claims, wherein between the convergent lens ( 9 ) and the position sensitive detector / PSD ( 10 ) an attenuation filter ( 11 ) is arranged. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenfrontsegmente seriell durch Veränderung des Auftreffortes eines Testlaserstrahls auf die Laserscheibe (2) in der Art abgerastert wird, dass mindestens zwei Testlaserstrahlen der Wellenlänge λT nacheinander die Laserscheibe (2) treffen, von der im Bereich der Wellenlänge λL verspiegelten Rückseite reflektiert, und über eine Sammellinse (9) im Abstand einer Brennweite f auf einen positionsempfindlichen Detektor/PSD (10) gelenkt werden.Method for optical measurement of the shape and refractive power of a disk-shaped laser medium, characterized in that the wavefront segments are serially displaced by changing the point of impact of a test laser beam on the laser disk ( 2 ) is scanned in the way that at least two test laser beams of wavelength λ T successively the laser disc ( 2 ), reflected by the mirrored in the region of the wavelength λ L back, and a convergent lens ( 9 ) at a distance of a focal length f to a position-sensitive detector / PSD ( 10 ) are steered. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass aus dem gemessenen Gradientenfeld die Wellenfront mittels Integration bestimmt wird, wobei S = 1 / 2f∫Δx dx und S = 1 / 2f∫Δy dy für die jeweiligen Richtungen x und y gelten.Method for optical measurement of the shape and refractive power a disc-shaped laser medium according to claim 10, characterized characterized in that from the measured gradient field, the wavefront is determined by integration, where S = 1 / 2f∫Δx dx and S = 1 / 2f∫Δy dy for the respective ones Directions x and y apply. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach den Ansprüchen 10 und 11, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgesandte Wellenlänge λT gleich oder nahezu gleich der Emissionswellenlänge des Scheibenlasers λL ist.A method of optically measuring the shape and refractive power of a disk-shaped laser medium according to claims 10 and 11, characterized in that the emitted wavelength λ T is equal to or nearly equal to the emission wavelength of the disk laser λ L. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach den Ansprüchen 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Testlaserstrahlen in geeigneter Weise um einen Abstand des Rastermaßes δx parallel versetzt sind.Method for optical measurement of the shape and refractive power a disk-shaped laser medium according to the claims 10 to 12, characterized in that the test laser beams in suitably by a distance of the grid dimension δx are offset in parallel. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Rastermaß etwa der Größe des Strahldurchmessers entspricht, δx ≈ w.Method for optical measurement of the shape and refractive power a disc-shaped laser medium according to claim 13, characterized characterized in that the grid size is about the size of the beam diameter, δx ≈ w. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach den Ansprüchen 13 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die parallele Ablenkung durch ein geeignetes optisches Element, vorzugsweise durch eine verkippbare Planplatte (13) oder ein 90°-Dachkant-Umlenkprisma erfolgt.Method for optically measuring the shape and refractive power of a disk-shaped laser medium according to claims 13 to 14, characterized in that the parallel deflection is effected by a suitable optical element, preferably by a tiltable plane plate ( 13 ) or a 90 ° roof deflection prism. Verfahren zur optischen Messung der Form und Brechkraft eines scheibenförmigen Lasermediums nach den Ansprüchen 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien Rx und Ry dadurch ermittelt werden, dass der lineare Anstieg mx bzw. my der gemessenen Abhängigkeiten h (= x- bzw. y-Koordinate des Auftrefforts auf PSD) von x bzw. y (= x- Koordinate des Auftrefforts auf Laserscheibe) nach
Figure 00200001
bzw.
Figure 00200002
bestimmt werden.Method for optical measurement of the shape and refractive power of a disk-shaped laser medium according to claims 10 to 15, characterized in that the radii of curvature R x and R y are determined by the fact that the linear increase m x or m y of the measured dependences h (= x or y-coordinate of the point of impact on PSD) of x or y (= x-coordinate of the point of impact on the laser disc)
Figure 00200001
respectively.
Figure 00200002
be determined.
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