DE19636249A1

DE19636249A1 - Vorrichtung zum Schutz von optischen Komponenten

Info

Publication number: DE19636249A1
Application number: DE19636249A
Authority: DE
Inventors: Guido Mann
Original assignee: TU BERLIN OPTISCHES INST SEKRE
Current assignee: TU BERLIN OPTISCHES INST SEKRE
Priority date: 1996-08-28
Filing date: 1996-08-28
Publication date: 1998-03-05
Anticipated expiration: 2016-08-29
Also published as: DE19636249C2

Description

Es wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die aus mindestens einem licht-, schall oder temperaturempfindlichen Detektor einer Auswertelektronik und einer Schaltvorrichtung besteht, die in der Lage ist, die an der optischen Komponente Schaden verursachende elektromagnetische Strahlung abzuschalten oder zu blocken. Ausführungsbeispiele sind erläutert.

Viele optische Komponenten unterliegen einer starken Belastung durch elektromagnetische Strahlung. Insbesondere durch Laserstrahlung treten Leistungsdichten auf, die geeignet sind, optische Materialien zu zerstören. Typischerweise beginnt die Zerstörung an der Komponentenoberfläche und setzt sich bei anhaltender Bestrahlung in das Volumen fort. Die neue Vorrichtung soll die beginnende Zerstörung durch einen geeigneten Detektor erkennen und durch Unterbrechen der elektromagnetischen Strahlung eine weitere Zerstörung verhindern.

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Schutz von optischen Komponenten vor Zerstörungen durch elektromagnetische Strahlung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Stand der Technik

Bei vielen optischen Geräten besteht das Problem, daß optische Komponenten, wie beispielsweise Linsen, Spiegel, Polarisatoren, Strahlteiler, Lichtleitfasern, Laserstäbe und nichtlineare Kristalle, durch elektromagnetische Strahlung mit hoher Leistungsdichte zerstört werden. Diese Probleme treten insbesondere im Zusammenhang mit der Lasertechnik häufig auf, da gerade in diesem Bereich durch die Erzeugung von kurzen und ultrakurzen Pulsen extrem hohe Leistungsdichten Verwendung finden. Üblicherweise beginnen die Zerstörungen an der Komponentenoberfläche und breiten sich durch fortgesetzte Bestrahlung extrem schnell in das Material aus. Ursächlich hierfür ist i.a. die mit der ersten Beschädigung einhergehende Zunahme der Absorption der einfallenden Strahlung innerhalb des Materials, was oft zu sehr dynamischen Zerstörvorgängen führt.

Gegenwärtiger Stand der Technik ist, die Materialien weit unterhalb der sogenannten Zerstörschwelle der optischen Komponenten zu verwenden, um eine hohe Sicherheit gegenüber Zerstörungen der Bauelemente und daraus möglicherweise resultierenden Folgeschäden zu besitzen. Tritt trotz aller Vorsicht doch ein Schaden durch z. B. unvorhergesehene Umweltbedingungen (Beeinträchtigung durch z. B. Staub oder Feuchtigkeit) auf, so entstehen i.a. Zerstörungen die sehr weitreichend sind. Insbesondere lassen sich die Komponenten oft nicht mehr reparieren.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Durch den Nachweis eines von der zu schützenden Komponente ausgehendem optischen, akustischen oder thermischen Signals mit Hilfe eines geeigneten Detektors (z. B. Photodiode, Phototransistor, Photomultiplier, Mikrophon, piezoelektrisches oder pyroelektrisches Element) kann mit Hilfe einer geeigneten elektronischen Schaltung ein Steuersignal generiert werden, daß eine Vorrichtung in Gang setzt, die in effektiver Weise eine weitere Belastung der optischen Komponente mit elektromagnetischer Strahlung verhindert. Zur Wahl stehen hierfür beispielsweise die Abschaltung der Stromversorgung, das einfache direkte Schließen des Strahlenganges mit Hilfe eines geeigneten Shutters, Blocken des Strahles mit Hilfe von schaltbaren polarisierenden Elementen, Veränderung der Güte eines Laserresonators usw.

Die oben beschriebene Schutzvorrichtung verhindert zwar nicht generell die Beschädigung, sorgt jedoch dafür, daß weitere Zerstörungen zuverlässig vermieden werden. Der wirtschaftliche und technologische Nutzen der Erfindung liegt zum einen in der Möglichkeit, die optische Komponente mit wenig Aufwand und entsprechend preiswert zu reparieren (z. B. durch Polieren und ggf. Beschichten) oder zum anderen die Komponente an einer Stelle weiterzuverwenden, die durch die Nutzung der Erfindung unbeschädigt geblieben ist. Zusätzlich besteht keine Gefahr für Folgeschäden an anderen Bauteilen des Gerätes, in die die optische Komponente eingebaut ist, was die notwendigerweise entstehenden Kosten senkt. Die gewerbliche Anwendbarkeit der Erfindung erscheint besonders im Hinblick auf die geringen Entstehungskosten günstig. D.h. das Nutzen-Kosten-Verhältnis liegt bei bestimmten, teuren optischen Komponenten und entsprechend teuren Geräten sehr hoch. Im folgenden wird die Erfindung anhand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Verwendung von nichtlinearen Kristallen zur Frequenzverdoppelung gemäß Zeichnung Fig. 1.

Ein Hochleistungs-Nd:YAG-Oszillator-Verstärker-System (1), das im Q-Switch-Be trieb arbeitet, dient als Strahlquelle zur Erzeugung von intensiver elektromagnetischer Strahlung mit einer Wellenlänge von 1064 nm. Mit Hilfe eines Teleskops (2a, 2b) wird die Strahlung so kollimiert, daß bei maximaler Laserausgangsleistung die Zerstörschwelle des nichtlinearen Kristalls (3) gerade nicht erreicht wird. Da der Wirkungsgrad der Frequenzverdoppelung (Konversionsgrad) stark von der eingestrahlten Intensität abhängt, wird somit eine maximale Effizienz erzielt. Bei Herabsetzung der Zerstörschwelle des nichtlinearen Kristalls (3) durch äußere Einflüsse (Staub, Feuchtigkeit, etc.) oder durch Alterung, sowie durch unvorhergesehene Intensitätserhöhungen z. B. durch Änderung des Strahlprofils oder Variation der Betriebsparameter, setzt der Zerstörmechanismus ein, der insbesondere bei hohen mittleren Leistungen in Bruchteilen von Sekunden zur vollständigen Zerstörung des nichtlinearen Kristalls (3) führen kann. Abhilfe schafft die vorgeschlagene Vorrichtung. Zwei durchbohrte Streuscheiben (4a, 4b) streuen das durch die beginnende Zerstörung auftretende Streulicht außerhalb des regulären Strahlenganges in die Photodetektoren (5a, 5b). Das entstehende Signal wird in der Elektronik (6) ausgewertet. Beim Überschreiten eines bestimmten Streulichtpegels wird das Lasernetzteil des Oszillators innerhalb von wenigen µs abgeschaltet. Damit wird sicher vermieden, daß kein weiterer Laserpuls auf den nichtlinearen Kristall (3) fällt.

Da die Zerstörung auf einen engen Raumbereich begrenzt ist, kann der nichtlineare Kristall (3) bei hinreichend großer Apertur transversal verschoben werden und direkt weiterverwendet werden, oder der Kristall wird für wenige hundert Mark poliert und neu antireflexbeschichtet, um anschließend wieder eingesetzt zu werden. Im Vergleich zum Neupreis von ca. 2000 DM (LBO-Kristall) kann somit eine erhebliche Kostenersparnis erzielt werden, die die Aufwendungen für die vorgeschlagene Vorrichtung weit übersteigt.

Zweites Ausführungsbeispiel

Einkopplung von Laserstrahlung hoher mittlerer Leistung in Lichtleitfasern für die Materialbearbeitung gemäß Zeichnung Fig. 2.

Ein Hochleistungs-Nd:YAG-Laser wird mit Hilfe eines Teleskops, bestehend aus zwei Linsen (2a, 2b), in eine Lichtleitfaser (3) eingekoppelt. Ein in die Koppeloptik direkt eingebauter Photodetektor (4) detektiert die bei Zerstörung auftretende Streustrahlung und die angeschlossene Elektronik (5) sorgt für eine schnelle Abschaltung des Lasernetzteils (6). Bei Betrieb des Lasers im aktiven Q-Switch- Betriebs kann alternativ auch der Güteschalter dauerhaft gesperrt werden.

Durch die Verwendung der Vorrichtung wird vermieden, daß die Lichtleitfaser über größere Strecken zerstört wird. Zusätzlich kann der mit Hilfe der Laserstrahlung betriebene Bohr-, Schweiß- oder Schneidprozeß abgebrochen werden. Dies dient der Anlagensicherheit und gestattet eine zuverlässige Prozeßführung.

Durch die in den Unteransprüchen angegebenen Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen möglich.

Claims

1. Vorrichtung zum Schutz von optischen Komponenten dadurch gekennzeichnet, daß ein licht- schall- oder temperaturempfindlicher Detektor bei beginnender Zerstörung der optischen Komponente durch elektromagnetische Strahlung ein Signal empfängt, welches mit Hilfe einer Auswertelektronik zum Abschalten der auf die optische Komponente einfallenden elektromagnetischen Strahlung führt.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Komponente ein nichtlinearer Kristall ist, der zur Frequenzkonversion von Laserstrahlung genutzt wird.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein lichtempfindlicher Detektor das an einer Zerstörung entstehende Streulicht wahlweise der Grundwelle(n) und/oder der frequenzkonvertierten Strahlung als Signal empfängt.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Komponente eine Lichtleitfaser ist, die der Führung von Laserstrahlung (z. B. für die Materialbearbeitung) dient.

5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente ein Festkörper ist, der der Lichtverstärkung dient.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Komponente ein Umlenkspiegel ist, der der Führung von elektromagnetischer Strahlung dient.

7. Anordnung nach Anspruch 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Streulicht vor Eintritt in den lichtempfindlichen Detektor mit einer geeigneten Vorrichtung (z. B. Umlenkspiegel, Streuscheibe oder Lichtleitfaser) geführt wird.

8. Anordnung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest der Detektor entweder in die Komponente selbst oder in die unmittelbare Halterung der Komponente integriert ist.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor in einer Vorrichtung (Ofen) angebracht ist, der geeignet ist, nichtlineare Kristalle zu temperieren.

10. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertelektronik innerhalb einer bestehenden Steuerung integriert ist und bestehende konstruktive Elemente zum Abschalten der elektromagnetischen Strahlung nutzt.

11. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Abschalten der elektromagnetischen Strahlung ein zusätzlicher Shutter in den Strahlengang gebracht wird.

12. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Auslösung der Sicherheitsvorrichtung führende Signal bezüglich seiner Intensität und seines zeitlichen Verlaufs gespeichert wird, um eine genauere Analyse des Zerstörprozesses zu ermöglichen.

13. Anordnung nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Auslösung der Schutzvorrichtung notwendige Intensität des an die Zerstörung gekoppelten Signals eingestellt werden kann.

14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung elektrisch erfolgt.

15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung über eine direkte Abschwächung des Signals erfolgt, bevor das Signal vom Detektor empfangen wird.

16. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertelektronik nicht nur das Abschalten der elektromagnetischen Strahlung ermöglicht, sondern zusätzlich dafür sorgt, daß andere Systembestandteile eines größeren Systems in angebrachter Weise, wie z. B. Abschaltung aller Folgesysteme, Ausgabe einer Fehlermeldung etc. reagieren können.

17. Anordnung nach Anspruch 1 bis 16 dadurch gekennzeichnet, daß mehr als ein Detektor zum Nachweis der Zerstörung dient. Hierunter fallen insbesondere Anordnungen, die verschiedene Arten von Detektoren nutzen.

18. Anordnung nach Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß auch Signale detektiert werden, die irreversiblen Schäden vorausgehen. Hierunter fällt ins besondere die Bildung von Farbzentren in nichtlinearen Kristallen und anderen Fest körpermaterialien, die zur Entstehung von detektierbaren Signalen führen können.

19. Anordnung nach Anspruch 1 bis 17 dadurch gekennzeichnet, daß auch Signale detektiert werden, die durch Veränderungen, bzw. Schäden erzeugt werden, die reversibel sind.