DE10225842A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen MaterialsInfo
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Abstract
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials, bei denen gleichzeitig mehrere Probenvolumina (12¶11¶ bis 12¶33¶) des optischen Materials mit Teststrahlung unterschiedlicher, ermittelter oder eingestellter Strahlungsenergiedichten bestrahlt werden, wobei die Messstrahlung für alle Probenvolumina aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle (13) stammt, und wenigstens eine für die Strahlungsbeständigkeit indikative Messgröße an den bestrahlten Probenvolumina unter Verwendung einer Messstrahlung gemessen wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß stammt auch die Messstrahlung aus der die Teststrahlung liefernden Strahlungsquelle, und die Strahlungsbeständigkeit wird anhand eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der Strahlungsbeständigkeits-Messgröße und der Strahlungsenergiedichte bestimmt, der mit Hilfe der an den verschiedenen Probenvolumina für die verschiedenen Strahlungsenergiedichten gemessenen Werte der Strahlungsbeständigkeits-Messgröße ermittelt wird. DOLLAR A Verwendung z. B. zur Bestimmung der Beständigkeit von CaF¶2¶ und anderen optischen Materialien gegenüber Ultraviolett-Laserstrahlung.
Description
- Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials, bei dem gleichzeitig mehrere Probenvolumina des optischen Materials mit Teststrahlung unterschiedlicher ermittelter oder eingestellter Strahlungsenergiedichten aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle bestrahlt werden und wenigstens eine für die Strahlungsbeständigkeit indikative Messgröße an den bestrahlten Probenvolumina unter Verwendung einer Messstrahlung gemessen wird, sowie auf eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung.
- Es ist bekannt, dass die optische Qualität von optischen Materialien, d. h. solchen, die funktionell in optischen Komponenten verwendet werden, wie z. B. Kalziumfluorid und synthetisches Quarzglas, durch die im Laufe der Gebrauchsdauer insgesamt erfahrene Strahlungsbelastung degradiert. So nimmt beispielsweise der Transmissionsgrad des Materials im Laufe der Gebrauchsdauer durch die erfahrene Strahlungsbelastung ab. Dies gilt besonders auch für Anwendungen mit Laserstrahlung im Ultraviolett(UV)-Bereich.
- Es besteht daher Bedarf an Verfahren und Vorrichtungen, mit denen die Beständigkeit optischer Materialien gegenüber der Strahlung, der sie im Gebrauch unterliegen, bestimmt werden kann, um z. B. eine Lebensdauervorhersage für die optischen Materialien treffen zu können. Um aussagekräftige Ergebnisse innerhalb vernünftiger Messzeiten zu erhalten, die um Größenordnungen kürzer als typische Lebensdauern der optischen Materialien sind, ist es bekannt, Proben des optischen Materials zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit mit Strahlungsenergiedichten zu bestrahlen, die signifikant höher als die im typischen Gebrauch auftretenden Strahlungsenergiedichten sind. Die im Bereich solcher erhöhter Strahlungsenergiedichten erhaltenen Messergebnisse für eine oder mehrere Messgrößen, die für die Strahlungsbeständigkeit indikativ sind, werden dann in den Bereich der im Gebrauch üblichen Strahlungsenergiedichten extrapoliert, um so Aussagen über die Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials im normalen Gebrauch und damit z. B. über dessen maximale Nutzungsdauer machen zu können.
- Diese Extrapolation erfordert mehrere Messungen bei unterschiedlichen Werten der erhöhten Strahlungsenergiedichte. Je mehr solche Messungen vorliegen und je weiter die betrachteten erhöhten Strahlungsenergiedichten auseinanderliegen, um so zuverlässiger und aussagekräftiger lassen sich die erhaltenen Messergebnisse in den interessierenden Bereich der im normalen Gebrauch üblicherweise auftretenden Strahlungsenergiedichten extrapolieren. Hierzu ist es bekannt, mehrere Messungen bei unterschiedlichen Strahlungsenergiedichten an einer oder mehreren Proben des optischen Materials vorzunehmen. Die unterschiedlichen Strahlungsenergiedichten werden hierbei durch je eine eigene Strahlungsquelle für jeden Energiedichtewert und die zugehörige Probe oder von einer in ihrer Leistung einstellbaren Strahlungsquelle bereitgestellt, welche die Proben zeitlich nacheinander mit den verschiedenen Energiedichten bestrahlt.
- In der Patentschrift US 6.075.607 sind ein Verfahren und eine verfahrensdurchführende Vorrichtung dieser Art zur modellbasierten Bestimmung der Beständigkeit optischer Materialien gegenüber gepulster Excimer-Laserstrahlung beschrieben. Dazu werden an einer Probe bei Bestrahlung mit unterschiedlichen Energiedichten Messwerte des Absorptionskoeffizienten oder des Transmissionsgrades als für die Strahlungsbeständigkeit indikative Parameter sowohl in einem Bereich mit im wesentlichen linearem funktionellem Zusammenhang als auch in einem Sättigungsbereich aufgenommen, der erhöhten Energiedichten entspricht, um dann durch statistische und theoretische Methoden Approximationsgleichungen für den funktionellen Zusammenhang des Absorptionskoeffizienten bzw. Transmissionsgrades in Abhängigkeit von der Strahlungsenergiedichte bzw. der Laserimpulsanzahl abzuleiten und diese zu verknüpfen. Die zu vermessenden Proben werden vorzugsweise durch Zerteilen eines größeren Blocks gewonnen.
- Weitere Verfahren und Vorrichtungen, bei denen die Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials durch zeitlich aufeinanderfolgende Messvorgänge an einer oder verschiedenen Proben mit je einem eigenen Teststrahl mit der gewünschten Strahlungsenergiedichte bestimmt wird, sind in den Offenlegungsschriften EP 0 905 505 A1, JP 2001-099753 A, JP 2001-099751 A, JP 2000-180301 A, JP 11-230859 A, JP 11-118669 A, JP 10-232184 A und JP 10-232197 A offenbart.
- In der Offenlegungsschrift JP 11-258108 A sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung der Beständigkeit eines optischen Materials gegenüber Laserstrahlung beschrieben, bei denen eine Probe mit einem Laserstrahl nacheinander bei unterschiedlichen Strahlungsenergiedichten bestrahlt und ein jeweils absorbierter Strahlungsanteil mittels eines piezoelektrischen Sensors erfasst wird. Die Probe besteht hierbei aus einem Substrat und einer optisch funktionellen Beschichtung in Form eines Antireflexfilms oder einer reflektierenden Beschichtung. Des weiteren wird ein von dieser Probe transmittierter oder reflektierter Strahlungsanteil auf eine weitere Probe gerichtet, die nur aus dem Substratmaterial ohne Beschichtung besteht. Es können auch je eine weitere Probe mit dem reflektierten und dem transmittierten Lichtanteil beaufschlagt werden. Vor jeder weiteren Probe kann eine Linse angeordnet sein. An der einen oder den beiden weiteren Proben wird ebenfalls mittels je eines piezoelektrischen Sensors der absorbierte Strahlungsanteil erfasst. Die an der oder den weiteren Proben aufgenommenen Messergebnisse werden dann zur Erhöhung der Aussagekraft über das Verhalten der beschichteten Probe mit den an letzterer gewonnenen Messwerten in Beziehung gesetzt.
- In dem Zeitschriftenaufsatz C. K. Van Peski et al., Behavior of Fused Silica Irradiated by Low Level 193 mm Excimer Laser for Tens of Billions of Pulses, Proc., SPIE, Bd. 4347, S. 177 (2001) werden Untersuchungen zum Verhalten von synthetischem Quarzglas unter Bestrahlung mit Excimer-Laserstrahlung einer Wellenlänge von 193 nm bei niedrigen Energiedichten über längere Zeiträume hinweg mit mehreren zehn Milliarden Laserpulsen vorgestellt. Für diese Untersuchungen wurden in einem zugehörigen Testaufbau sechs Proben des Quarzglasmaterials aufeinanderfolgend angeordnet. Der von einem ArF-Laser emittierte UV- Laserstrahl wird zunächst als ein erster Strahl innerhalb eines ersten Volumenbereichs durch die sechs hintereinanderliegenden Proben seriell hindurchgeleitet, dann umgelenkt und in umgekehrter Reihenfolge innerhalb eines zweiten Volumenbereichs als ein zweiter Strahl zurückgeleitet, anschließend wieder umgelenkt und innerhalb eines dritten Volumenbereichs erneut durch die sechs Proben als ein dritter Strahl hindurchgeleitet und schließlich nochmals umgelenkt und als ein vierter Strahl innerhalb eines vierten Volumenbereichs durch die sechs Proben zurückgeleitet. Insgesamt ergeben sich so 24 Probenvolumina, von denen das zuerst vom ersten Strahl getroffene Probenvolumen mit einer Energiedichte von 0,2 mJ/cm2 und die übrigen mit stufenweise abnehmender Energiedichte beaufschlagt wurden. Die Bestrahlung erfolgte über eine Zeitdauer von 133 Tagen, wobei sie jeweils für Messvorgänge unterbrochen wurde. Während der Messvorgänge wurde der Strahlungseinfluss auf das Material mittels drei unterschiedlicher Methoden untersucht, erstens durch eine interferometrische Messung von Wellenfrontstörungen transmittierter Strahlung, zweitens durch Doppelbrechungsmessungen bei einer Wellenlänge von 632 nm und drittens durch eine FTIR-Spektralanalyse.
- Der Erfindung liegt als technisches Problem die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zugrunde, mit denen sich die Beständigkeit eines optischen Materials gegenüber Strahlung, der es im Gebrauch unterworfen ist, mit relativ geringem apparativem und zeitlichem Aufwand vergleichsweise zuverlässig bestimmen lässt.
- Die Erfindung löst dieses Problem durch die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials mit den Merkmalen des Anspruchs 1 bzw. 6.
- Durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung werden gleichzeitig mehrere Probenvolumina des optischen Materials mit Teststrahlung bestrahlt, die aus derselben Strahlungsquelle stammt, wobei die Probenvolumina mit unterschiedlichen Strahlungsenergiedichten der Teststrahlung beaufschlagt werden. An den Probenvolumina werden eine oder mehrere Messgrößen, die für die Strahlungsbeständigkeit indikativ sind, wie z. B. Transmissionsgrad und Absorptionsgrad, unter Verwendung von Messstrahlung, die ebenfalls von der einen Strahlungsquelle stammt, gemessen und mit der Strahlungsenergiedichte des jeweiligen Probenvolumens in Beziehung gesetzt. Dies erlaubt dann eine Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials anhand eines funktionalen Zusammenhangs zwischen der Messgröße und der Strahlungsenergiedichte, der mit Hilfe der an den verschiedenen Probenvolumina für die verschiedenen Strahlungsenergiedichten gemessenen Werte der Strahlungsbeständigkeits- Messgröße ermittelt wird.
- Die Erfindung ermöglicht somit bei relativ geringem apparativem Aufwand, insbesondere mit nur einer einzigen Strahlungsquelle, eine sehr schnelle Gewinnung von für die Strahlungsbeständigkeit repräsentativen Messgrößenwerten für verschiedene Strahlungsenergiedichten. Daraus lassen sich speziell bei Verwendung erhöhter Energiedichten schon nach relativ kurzer Testzeit verhältnismäßig zuverlässige Aussagen über die Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials und damit auch z. B. über seine zu erwartende Lebensdauer im normalen Gebrauch machen, bei dem üblicherweise gegenüber der eingesetzten Teststrahlung deutlich niedrigere Strahlungsenergiedichten verwendet werden. Für solche Lebensdauerabschätzungen kann der für die Teststrahlung ermittelte funktionelle Zusammenhang der einen oder mehreren Strahlungsbeständigkeits-Messgrößen als Funktion der Strahlungsenergiedichte, der während des Tests vorzugsweise für einen Bereich erhöhter Energiedichten ermittelt wurde, in den Bereich der während des normalen Gebrauchs des optischen Materials herrschenden Energiedichten extrapoliert werden. Vorzugsweise erfolgt diese Extrapolation modellgestützt.
- In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 2 bzw. 7 wird die Messstrahlung als ein Anteil der Teststrahlung am jeweiligen Probenvolumen ausgekoppelt, d. h. die Messung erfolgt gleichzeitig mit der Bestrahlung unter Nutzung der Teststrahlung selbst.
- Die Probenvolumina können Teil eines einzigen Probenkörpers sein, wie in Anspruch 3 bzw. 8 angegeben, d. h. der Probenkörper wird von der Teststrahlung durchstrahlt, und die eine oder mehreren Strahlungsbeständigkeits-Messgrößen werden dann an mehreren, im Strahlengang hintereinander liegenden Teilvolumina des Probenkörpers gemessen.
- Alternativ oder zusätzlich können seriell hintereinander liegende Probenvolumina von getrennten Probenkörpern gebildet sein, die im Strahlengang der Teststrahlung aufeinanderfolgend angeordnet werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung dieser Maßnahme ist zwischen je zwei seriell hintereinander liegenden Probenkörpern ein variables Abschwächerelement eingebracht, mit dem die Strahlungsenergiedichte des Teststrahls gezielt variabel abgeschwächt werden kann, siehe die Ansprüche 4 bzw. 9. Mit solchen Abschwächerelementen lässt sich erreichen, dass für die Probenvolumina über die gesamte Testzeit hinweg die Strahlungsenergiedichten weitestgehend konstant auf ihren verschiedenen, anfänglichen Werten gehalten werden können, obwohl während dieser Zeitspanne der Energiedichteverlust der Teststrahlung an den Probenvolumina wegen der strahlungsbedingten Materialalterung im allgemeinen abnimmt. Dies lässt sich durch die Abschwächerelemente dadurch kompensieren, dass diese anfänglich auf höhere und dann im Verlauf der Testdauer auf niedrigere Abschwächerwerte eingestellt werden.
- In einer Weiterbildung der Erfindung nach Anspruch 5 bzw. 10 wird als Strahlungsbeständigkeits-Messgröße der Transmissionsgrad herangezogen. Der Transmissionsgrad des jeweiligen Probenvolumens wird entweder am transmittierten Anteil der Teststrahlung selbst oder durch einen auf das Probenvolumen gerichteten Messstrahl gemessen.
- Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben. Hierbei zeigen:
- Fig. 1 eine schematische Perspektivansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung der Laserstrahlungsbeständigkeit eines optischen Materials anhand eines Beständigkeitstests an mehreren Teilvolumina eines Probenkörpers,
- Fig. 2 eine schematische Blockdiagrammdarstellung einer weiteren Vorrichtung zur Bestimmung der Laserstrahlungsbeständigkeit eines optischen Materials anhand eines Beständigkeitstests an mehreren parallelen Gruppen von im jeweiligen Strahlengang hintereinander angeordneten einzelnen Probenkörpern mit zugeordneten Abschwächerelementen und
- Fig. 3 eine schematische Draufsicht auf eines der Abschwächerelemente von Fig. 2.
- Die in Fig. 1 gezeigte Vorrichtung dient zur Bestimmung der Beständigkeit eines optischen Materials, wie Kalziumfluorid oder Quarzglas, gegenüber Laserstrahlung, um dadurch z. B. Aussagen über die zu erwartende Lebensdauer von optischen Komponenten, wie Spiegel, Linsen und dergleichen, treffen zu können, die aus diesem Material bestehen und im normalen Gebrauch der entsprechenden Laserstrahlung unterworfen sind. Hierbei kann es sich insbesondere um Laserlicht im sichtbaren Bereich oder im UV-Bereich handeln. Zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit wird bei der Vorrichtung von Fig. 1 ein einzelner, z. B. quaderförmiger Probenkörper 1 mit einem Teststrahl 2 durchstrahlt, der von einem Laser 3 erzeugt wird. Zur Formung des Teststrahls 2 wird dieser über eine Strahlaufweitungseinheit mit einem sphärischen Spiegel oder einem Parabolspiegel 4 und einer Linsenanordnung 5 geführt, aus der er aufgeweitet mit konvergentem Strahlverlauf austritt und den Probenkörper 1 durchstrahlt.
- Parallel zum Teststrahl 2 wird aus dem vom Laser 3 emittierten Lichtstrahl über einen Strahlteiler 6 ein Abtaststrahl 7 ausgekoppelt, der von einer Aperturblende 8 geformt wird. Über einen weiteren halbdurchlässigen Spiegel 9 wird der Abtaststrahl 7 in zwei Teile 7a, 7b aufgeteilt, von denen der transmittierte Anteil 7b zu einer ersten Strahlungsenergiedichte-Messeinheit 10a geleitet wird. Mit dieser lässt sich die Strahlungsenergiedichte dieses transmittierten Strahlanteils 7b und damit auch des vom halbdurchlässigen Spiegel 9 reflektierten Anteils 7a unter Nutzung des hierzu vorab ermittelten oder bekannten Strahlaufteilungsverhaltens des halbdurchlässigen Spiegels 9 bestimmen. Der reflektierte Abtaststrahlanteil 7a bildet dann den eigentlichen Messstrahl, der längs einer y-Richtung senkrecht zur x-Richtung des Teststrahls 2 auf den Probenkörper 1 gerichtet wird. Der vom Probenkörper 1 transmittierte Messstrahlanteil 7c wird einer zweiten Strahlungsenergiedichte-Messeinheit 10b zugeführt. Aus den Messsignalen beider Messeinheiten 10a, 10b lässt sich dann der Transmissionsgrad des jeweils zum einen vom Teststrahl 2 und zum anderen vom Messstrahl 7a durchstrahlten Teilvolumens des Probenkörpers 1 bestimmen.
- Als weitere Komponenten des Testaufbaus von Fig. 1 sind zwei rechnergesteuerte, bewegliche Blenden 11a, 11b zum wahlweisen Wegblenden des Messstrahls 7a und/oder des transmittierten Abtaststrahlanteils 7b vorgesehen. Außerdem befindet sich der Testaufbau in herkömmlicher, nicht näher gezeigter Weise in einer abgeschlossenen Testkammer, durch die zur Gewährleistung einer ausreichenden Kontaminationsfreiheit ein Spülgas hindurchgeleitet wird, z. B. Stickstoff. Je nach Bedarf können in nicht explizit gezeigter Weise eine oder mehrere weitere Strahlungsenergiedichte-Messeinheiten eingesetzt werden, um z. B. die Strahlungsenergiedichte des vom Laser 3 emittierten Lichts und/oder des von diesem abgezweigten Abtaststrahls 7 durch direkte Messung festzustellen.
- Ein wesentlicher Grundgedanke der Anordnung von Fig. 1 besteht darin, mehrere, in Teststrahlrichtung hintereinander liegende Teilvolumina des Probenkörpers 1, von denen in Fig. 1 symbolisch zwei Testvolumina 1a, 1b in nicht maßstäblicher, zur Verdeutlichung übertriebener Größe angedeutet sind, hinsichtlich ihres Transmissionsgrades in Abhängigkeit von der eingestrahlten Energiedichte des Teststrahls 2 zu vermessen. Zu diesem Zweck sind gewisse Teile des Testaufbaus in dazu benötigter Weise beweglich z. B. auf einem in z-Richtung höhenbeweglichen xy- Tisch so angeordnet, dass sie präzise in verschiedene Einstellpositionen gebracht werden können, um ein jeweiliges Probenvolumen des Probenkörpers 1 abzutasten. Insbesondere sind der halbdurchlässige Spiegel 9 und die Messeinheit 10b für den transmittierten Messstrahlanteil 7c längs der x-Richtung des Teststrahls 2 beweglich angeordnet, wie in Fig. 1 durch einen jeweiligen Doppelpfeil dx1 symbolisiert. Damit kann je eine Gruppe von in Teststrahlrichtung x hintereinander liegenden Probenvolumina nacheinander vom Messstrahl 7a abgetastet werden. Um mehrere, in z-Richtung übereinanderliegende Gruppen von Teilvolumina des Probenkörpers 1 abzutasten, ist der Probenkörper 1 in z-Richtung höhenbeweglich angeordnet, wie in Fig. 1 durch einen zugehörigen Doppelpfeil dz1 symbolisiert.
- Der Teststrahl 2 wird im Beispiel der Fig. 1, wie veranschaulicht, vom optischen System 4, 5 vor dem Probenkörper 1 auf einen in z-Richtung flachen und in xy-Richtung leicht konvergenten Strahlverlauf im Probenkörper 1 eingestellt. In z-Richtung übereinanderliegende Probenvolumina bilden daher solche, die zu einer jeweils gleichen Strahlungsenergiedichte des Teststrahls 2 gehören und mit denen sich die Auswertestatistik verbessern lässt. In Teststrahlrichtung hintereinander liegende Probenvolumina werden mit in x-Richtung des Teststrahls 2 abnehmender Strahlungsenergiedichte durchstrahlt, da in ein jeweils nächstes Probenvolumen vom vorhergehenden Probenvolumen nur der um einen Absorptions- und/oder Streuungsverlust reduzierte Transmissionsanteil gelangt. Durch die eingestellte Strahlkonvergenz wird diesem Effekt teilweise entgegengewirkt, so dass auch das jeweils in Teststrahlrichtung x letzte Probenvolumen noch mit ausreichender, auswertbarer Energiedichte vom Teststrahl 2 durchstrahlt wird.
- Für den Strahlungsbeständigkeitstest wird somit durch den Aufbau von Fig. 1 der Probenkörper 1 auf eine bestimmte z-Anfangshöhe eingestellt, wodurch eine zugehörige erste Gruppe von hintereinander liegenden Probenvolumina vom Teststrahl 2 seriell durchstrahlt und in ihrem Transmissionsverhalten vom Messstrahl 7a abgetastet werden, wozu dieser in rascher Folge nacheinander die verschiedenen Probenvolumina anfährt. Es versteht sich, dass alternativ eine gleichzeitige Abtastung aller dieser Probenvolumina möglich ist, wenn hierzu der Messstrahl 7a in eine entsprechende Anzahl paralleler Messstrahlen aufgeteilt und Pine entsprechende Anzahl von Messeinheiten 10b nebeneinander angeordnet werden. Nach Vermessung dieser ersten Gruppe von Probenvolumina wird dann der Probenkörper 1 in z-Richtung verstellt, um eine über oder unter der ersten Gruppe liegende zweite Gruppe von in Teststrahlrichtung x hintereinander liegenden Probenvolumina in ihrer Abhängigkeit des Transmissionsgrades von der Strahlungsenergiedichte zu vermessen. Dieser Vorgang wird über das gesamte Volumen des Probekörpers 1 hinweg fortgesetzt.
- Die auf diese Weise am Probenkörper 1 für eine Mehrzahl von Probenvolumina erhaltenen Messwerte des Transmissionsgrades bei unterschiedlicher Strahlungsbelastung, d. h. eingestrahlter Energiedichte, werden in einer zugehörigen, nur schematisch angedeuteten Auswerteeinheit A1 zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials des Probenkörpers 1 ausgewertet. Dazu werden ihr die Messwerte und gegebenenfalls weitere Eingangsinformationen als Eingangssignale SE zugeführt. Am Ausgang liefert sie die gesuchte Strahlungsbeständigkeitsinformation Sb. In der Auswerteeinheit A1 kann insbesondere ein modellgestützter Algorithmus implementiert sein. Eine solche modellgestützte Simulation kann in der Praxis schon mit Messwerten bei drei unterschiedlichen Strahlungsenergiedichten, z. B. bei 0,5 mJ/cm2, 1,5 mJ/cm2 und 5 mJ/cm2, auskommen, wobei vorzugsweise Messwerte bei deutlich mehr verschiedenen Energiedichten aufgenommen werden, um die Zuverlässigkeit bzw. Genauigkeit der modellgestützten Auswertung zu steigern. Für eine Modellierung kann es zweckmäßig sein, das Erreichen eines stationären Zustands zu verifizieren oder eine vorgebbare Mindestanzahl von Laserpulsen einzustrahlen, z. B. in der Größenordnung von 2 × 109 Pulsen. Da der vom jeweiligen Probenvolumen transmittierte Teststrahlanteil anhand seines gleichzeitig durch den Messstrahl 7a gemessenen Transmissionsgrads bestimmbar ist und der Strahlverlauf bekannt ist, z. B. der in Fig. 1 eingestellte konvergente Verlauf, lassen sich daraus die in Teststrahlrichtung x abnehmenden Strahlungsenergiedichten für die einzelnen hintereinander liegenden Probenvolumina ermitteln.
- Die Auswertung beinhaltet die Ermittlung eines funktionalen Zusammenhangs des Transmissionsgrades in Abhängigkeit von der Strahlungsenergiedichte im Bereich der für den Testvorgang mit dem Teststrahl 2 benutzten erhöhten Energiedichten anhand der dort gewonnenen Messresultate und eine Extrapolation dieses ermittelten funktionalen Zusammenhangs in den Bereich niedrigerer Strahlungsenergiedichten. Solchen niedrigeren Energiedichten ist das optische Material im normalen Gebrauch unterworfen, in welchem es z. B. für Spiegel und Linsen in einem optischen System zur Führung eines Laserstrahls eingesetzt wird, dessen Wellenlänge derjenigen des Teststrahls 2 entspricht.
- Fig. 2 zeigt einen Testaufbau zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials, bei dem die mehreren, getesteten Probenvolumina durch einzelne Probenkörper gebildet sind, die in mehreren, parallel bestrahlten Reihen von seriell durchstrahlten Probenkörpern angeordnet sind. Beispielhaft zeigt Fig. 2 den Fall von drei gleichartig aufgebauten Reihen mit je drei seriell durchstrahlten Probenkörpern 12~ bis 123, 122 bis 1223 bzw. 123 bis 1233.
- Die Teststrahlung wird wiederum von einer einzigen Laserstrahlungsquelle 13 mit zugehörigem optischem System bereitgestellt. Aus dessen emittiertem Laserstrahl 14 wird mittels einer Serie von halbdurchlässigen Spiegeln 15a bis 15d für jede Probenkörperreihe ein durch je eine Aperturblende 16a bis 16c geformter Teststrahl 17a bis 17c ausgekoppelt. Dementsprechend besitzen die ausgekoppelten Teststrahlen 17a, 17b, 17c unterschiedliche, mit wachsender Entfernung von der Laserstrahlquelle 13 abnehmende Energiedichten. Die Strahlungsenergiedichten der einzelnen Teststrahlen 17a, 17b, 17c werden am Aperturaustritt und nach Durchstrahlung eines jeweiligen Probenkörpers 12 11 bis 12 33 durch je eine Messeinheit 18 11 bis 18 34 gemessen, wozu hinter jeder Aperturblende 16a, 16b, 16c und hinter jedem Probenkörper mit Ausnahme des jeweils letzten Probenkörpers einer Reihe ein definierter Messstrahlanteil mittels halbdurchlässiger Spiegel 19 11 bis 19 33 ausgekoppelt wird.
- Im Testaufbau von Fig. 2 dient somit die Teststrahlung gleichzeitig als Messstrahlung, indem durch die Messeinheiten 18 11 bis 18 34 ein von jedem Probenkörper 12 11 bis 12 33 transmittierter Teststrahlungsanteil erfasst wird. Um ein etwaiges alterungsbedingtes Nachlassen des Transmissionsgrades der Probenkörper 12 11 bis 12 33 durch die Bestrahlung mit der Teststrahlung 17a, 17b, 17c erhöhter Energiedichte ganz oder jedenfalls größtenteils kompensieren zu können, ist vor jedem Probenkörper 12 11 bis 12 33 ein variables Abschwächerelement 20 11 bis 20 33 angeordnet. Diese Abschwächerelemente 20 11 bis 20 33 werden anfänglich auf einen relativ hohen Abschwächungsgrad eingestellt und dann im Laufe des Testvorgangs im Fall des Beobachtens eines nachlassenden Transmissionsgrades des nachfolgenden Probenkörpers auf einen entsprechend geringeren Abschwächungsgrad nachgestellt. Auf diese Weise wird für jeden Probenkörper über den gesamten Testvorgang hinweg Teststrahlung mit im wesentlichen gleichbleibender Strahlungsenergiedichte bereitgestellt, auch wenn die einzelnen Probenkörper 12 11 bis 12 33 in ihrem Transmissionsgrad nachlassen. Alternativ zu der in Fig. 2 gezeigten Positionierung der Abschwächerelemente 20 11 bis 20 33 zwischen dem jeweiligen halbdurchlässigen Spiegel 19 11 bis 19 33 und dem zugehörigen Probenkörper 12 11 bis 12 33 können diese auch an anderer geeigneter Stelle im jeweiligen Messstrahl-Strahlengang angeordnet sein, insbesondere hinter dem jeweiligen Probenkörper 12 11 bis 12 33.
- Die Abschwächerelemente 20 11 bis 20 33 können von einem in Fig. 3 schematisch in der Draufsicht gezeigten Typ sein. Das in Fig. 3 dargestellte Abschwächerelement 20 besteht aus einer um ihren Mittelpunkt M drehbeweglich angeordneten Scheibe, in die kreisförmige Abschwächerzonen 21 eingebracht sind, deren Mittelpunkte auf einer gemeinsamen Kreislinie um den Scheibenmittelpunkt M liegen. Die Abschwächerzonen 21 weisen voneinander verschiedene Abschwächungsgrade für von ihnen transmittierte Laserstrahlung auf und können einzeln durch Drehen der Scheibe 20 in den jeweiligen Teststrahlgang 17a, 17b, 17c der Anordnung von Fig. 2 eingebracht werden. Solche Abschwächerzonen 21 können beispielsweise aus CaF2 oder ähnlichen Materialien durch unterschiedlich starkes Mattieren realisiert werden. Das Mattieren einer jeweiligen Abschwächerfläche kann durch ein herkömmliches Verfahren erfolgen, der jeweilige Transmissionsgrad wird dann z. B. durch Kalibrierung festgestellt. Vorteilhafte Realisierungen umfassen Abschwächerzonen aus einer einseitig mattierten Platte oder aus zwei beabstandet einseitig mattierten Platten, die im Abstand mit ihren mattierten Flächen einander zugewandt zusammenmontiert sind. Bei der letztgenannten Variante sind die mattierten Flächen von der Umgebung abgeschlossen und so vor Schmutz geschützt. Weitere Alternativen für die Abschwächerelemente umfassen ein einzelnes oder mehrere aufeinanderfolgende, polierte, dünne Fenster z. B. aus CaF2. Alle diese Realisierungen haben die vorteilhafte Eigenschaft, dass derartige Abschwächerelemente während des Testvorgangs nicht signifikant degradieren.
- Die weitere Auswertung der durch den Aufbau von Fig. 2 an den Probenkörpern 12 11 bis 12 33 erhaltenen Testergebnisse zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit des zu testenden optischen Materials entspricht derjenigen, wie sie oben zum Testaufbau von Fig. 1 erläutert wurde. Im Beispiel von Fig. 2 werden alle Probenkörper 12 11 bis 12 33 mit über die Testzeit hinweg im wesentlichen konstanten, voneinander verschiedenen Strahlungsenergiedichten der Teststrahlung 17a, 17b, 17c durchstrahlt. Jeder Probenkörper 12 11 bis 12 33 ergibt folglich einen Messpunkt des für die Strahlungsbeständigkeit indikativen Transmissionsgrades als Funktion der Strahlungsenergiedichte im Bereich der für die Teststrahlung verwendeten, erhöhten Energiedichten. Bei gleichbleibender Form und Energiedichte des emittierten Laserstrahls 14 werden somit durch den Testaufbau von Fig. 2 gleichzeitig neun Messpunkte für den funktionalen Zusammenhang des Transmissionsgrades in Abhängigkeit der erfahrenen Strahlungsbelastung gewonnen.
- Dies kann bereits zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials im Bereich der im normalen Gebrauch üblichen, niedrigeren Strahlungsenergiedichten durch z. B. modellgestützte Extrapolation, wie oben erläutert, des mit den neun Messpunkten bei erhöhten Energiedichten gewonnenen Zusammenhangs genügen. Bei Bedarf kann die Anzahl der Messpunkte dadurch vervielfacht werden, dass mehr als drei parallel mit Teststrahlung beaufschlagte Reihen von Probenkörpern und/oder mehr als drei Probenkörper pro Reihe vorgesehen werden oder die Strahlungsenergiedichte des emittierten Laserstrahls 14 variiert wird, gegebenenfalls verbunden mit der Maßnahme, einen weiteren Satz von z. B. neun Probenkörpern bei einer geänderten Laserstrahlleistung zu vermessen und auszuwerten. In vereinfachten Realisierungen kann es auch bereits genügen, nur eine oder zwei parallele Reihen von jeweils mindestens zwei seriell durchstrahlten Probenkörpern vorzusehen.
- Zur Auswertung dient ein Auswerterechner A2, der die dazu benötigten Eingangsinformationen empfängt, insbesondere die Ausgangssignale S11 bis S34 der einzelnen Strahlungsenergiedichte-Messeinheiten 18 11 bis 18 34, um daraus, wie erläutert, die gesuchte Strahlungsbeständigkeitsinformation Sb abzuleiten.
- Die Erfindung ermöglicht, wie aus der obigen Beschreibung vorteilhafter Ausführungsbeispiele deutlich wird, eine vergleichsweise rasche und genaue Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines optischen Materials durch gleichzeitiges Bestrahlen mehrere Probenvolumina mit Teststrahlung unterschiedlicher ermittelter oder eingestellter Strahlungsenergiedichten für die verschiedenen Probenvolumina, wobei zur Bereitstellung der Teststrahlung und der Messstrahlung nur eine einzige Strahlungsquelle benötigt wird. An den bestrahlten Probenvolumina werden eine oder mehrerer Messgrößen gemessen, die für die Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials indikativ sind. Dies kann der Transmissionsgrad sein, wie in den obigen Beispielen, alternativ oder zusätzlich können jedoch auch andere Messgrößen herangezogen werden, z. B. der Absorptionsgrad. Dabei sind auch Mischformen der Beispiele der Fig. 1 und 2 möglich, bei denen mehrere Probenkörper nach Art von Fig. 2 angeordnet sind und von jedem mehrere Teilvolumina nach Art von Fig. 1 vermessen werden. Alternativ zu den gezeigten, in Transmission arbeitenden Beispielen sind auch Ausführungsformen möglich, die in Reflexion arbeiten, d. h. ein jeweils nachfolgendes Probenvolumen wird mit dem von einem vorausgehenden Probenvolumen reflektierten Teststrahlungsanteil bestrahlt. Des weiteren ist alternativ zum in Fig. 1 gezeigten konvergenten Strahlverlauf bei Bedarf ein beliebiger anderer Strahlverlauf für die Einstrahlung auf den jeweiligen Probenkörper möglich.
Claims (10)
1. Verfahren zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines
optischen Materials, bei dem
dadurch gekennzeichnet, dass
- gleichzeitig mehrere Probenvolumina (1a, 1b, 20 11 bis 20 33) des
optischen Materials mit Teststrahlung (2, 17a) unterschiedlicher, ermittelter
oder eingestellter Strahlungsenergiedichten bestrahlt werden, wobei die
Teststrahlung für alle Probenvolumina aus einer gemeinsamen
Strahlungsquelle (3, 13) stammt, und
- wenigstens eine für die Strahlungsbeständigkeit indikative Messgröße
an den bestrahlten Probenvolumina gemessen wird,
- die Messstrahlung aus derselben Strahlungsquelle (3, 13) wie die
Teststrahlung stammt und
- die Strahlungsbeständigkeit des optischen Materials anhand eines
funktionalen Zusammenhangs zwischen der Strahlungsbeständigkeits-
Messgröße und der Strahlungsenergiedichte bestimmt wird, der mit Hilfe
der an den verschiedenen Probenvolumina (1a, 1b, 20 11 bis 20 33) für die
verschiedenen Strahlungsenergiedichten gemessenen Werte der
Strahlungsbeständigkeits-Messgröße ermittelt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, weiter dadurch gekennzeichnet, dass
die Messstrahlung als ein Anteil der Teststrahlung eines jeweiligen
Probenkörpers ausgekoppelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, weiter dadurch
gekennzeichnet, dass von einem jeweiligen Probenkörper (1) mehrere Teilvolumina
als Probenvolumina herangezogen werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, weiter dadurch
gekennzeichnet, dass mehrere Probenkörper (12 11 bis 12 33) vorgesehen sind, die in
einer oder mehreren, parallel durchstrahlten Reihen längs eines
jeweiligen Teststrahlungs-Strahlengangs hintereinander liegend angeordnet
sind, und die Strahlungsenergiedichte für den jeweiligen Probenkörper
über den Testverlauf hinweg durch zugeordnete, variable
Abschwächerelemente (20 11 bis 20 33) im wesentlichen konstant gehalten wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, weiter dadurch
gekennzeichnet, dass der Transmissionsgrad als
Strahlungsbeständigkeits-Messgröße herangezogen wird und dazu an einem jeweiligen
Probenvolumen die dieses bestrahlende Teststrahlung oder ein separat auf
das Probenvolumen gerichteter Messstrahl (7a) als Messstrahlung dient.
6. Vorrichtung zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit eines
optischen Materials mit
dadurch gekennzeichnet, dass
- Mitteln (3 bis 5, 13) zur gleichzeitigen Bestrahlung mehrerer
Probenvolumina (1a, 1b, 20 11 bis 20 33) des optischen Materials mit
Teststrahlung unterschiedlicher, ermittelter oder eingestellter
Strahlungsenergiedichten aus einer gemeinsamen Strahlungsquelle
und
- Mitteln (10a, 10b, 18 12 bis 18 34) zur Messung wenigstens einer für
die Strahlungsbeständigkeit indikativen Messgröße an den bestrahlten
Probenvolumina und Verwendung einer Messstrahlung,
- die Strahlungsquelle (3, 13), welche die Teststrahlung bereitstellt, auch
die Messstrahlung liefert und
- Auswertemittel (A1, A2) zur Ermittlung eines funktionalen
Zusammenhangs zwischen der Strahlungsbeständigkeits-Messgröße und der
Strahlungsenergiedichte mit Hilfe der an den verschiedenen
Probenvolumina (1a, 1b, 20 11 bis 20 33) für die verschiedenen
Strahlungsenergiedichten gemessenen Werte der Strahlungsbeständigkeits-Messgröße
und zur Bestimmung der Strahlungsbeständigkeit des optischen
Materials anhand dieses ermittelten funktionalen Zusammenhangs vorgesehen
sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter gekennzeichnet durch Mittel
zur Auskoppelung der Messstrahlung als ein Anteil der Teststrahlung.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, weiter gekennzeichnet durch einen
Aufbau zur Durchstrahlung eines jeweiligen Probenkörpers (1) mit der
Teststrahlung und zur Messung der Strahlungsbeständigkeits-
Messgröße an unterschiedlichen Probenvolumina (1a, 1b) des
Probenkörpers.
9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, weiter gekennzeichnet durch
einen Aufbau zur Bestrahlung mehrerer getrennter Probenkörper (12 11,
12 12, 12 13), die längs eines Teststrahlungs-Strahlengangs
hintereinander liegend angeordnet sind, wobei dem jeweiligen Probenkörper ein
variables Abschwächerelement (20 11, 20 12, 20 13) zugeordnet ist.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, weiter dadurch
gekennzeichnet, dass die Strahlungsbeständigkeits-Messmittel zur
Messung des Transmissionsgrades eines jeweiligen Probenvolumens durch
Erfassen des transmittierten Anteils der das Probenvolumen
beaufschlagenden Teststrahlung oder eines separat auf das jeweilige
Probenvolumen gerichteten Messstrahls (7a) eingerichtet sind.
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Also Published As
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| US20030223065A1 (en) | 2003-12-04 |
| US6734970B2 (en) | 2004-05-11 |
| JP2004037439A (ja) | 2004-02-05 |
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