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
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Abstract
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
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
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
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
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 (
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
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
In
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
(
Dieser Aufbau besitzt jedoch gravierende Nachteile.This However, construction has serious disadvantages.
Der
Testlaser (
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.
- 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 (
In
bevorzugter Ausführung besitzt der Testlaser (
Da
kein Fluoreszenzlicht auf den PSD (
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
Aus
In
In überraschend
einfacher Weise können die Wellenfrontsegmente mit der
erfindungsgemäßen Anordnung seriell durch Veränderung
des Auftreffortes des Testlaserstrahls auf die Laserscheibe (
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 (
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 (
Hierbei
wird aus der geometrischen Lage des Strahlschwerpunktes auf dem
PSD (
Gemäß der
Anordnung nach
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
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
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
Die
Messung der Anstiege erfolgt nun an mehreren Punkten, woraus die
Kurvenform durch Integration ermittelt wird:
Analog
erfolgen die Messung und Integration in y-Richtung.
Mit
bekannten Methoden wie der Darstellung der Wellenfront als Linearkombination
von Zernike-Polynomen kann man entsprechende quantitative Aussagen
gewinnen ((siehe
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
Der
reflektierte Strahl wird auf dem PSD mit der Ortskoordinate h(x)
detektiert (nicht dargestellt), wobei diese proportional dem Winkel
2φ ist,
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, 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), Analogously, R y is determined.
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 (
Die
Brechkraft der thermischen Linse ist im Laserbetrieb vor allem abhängig
von der Pumpleistung. Im dargestellten Beispiel (
- 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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