DE19636249A1 - Vorrichtung zum Schutz von optischen Komponenten - Google Patents
Vorrichtung zum Schutz von optischen KomponentenInfo
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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.
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.
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.
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 (19)
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.
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