DE19823951A1

DE19823951A1 - Fokussensor für Hochenergielaser

Info

Publication number: DE19823951A1
Application number: DE19823951A
Authority: DE
Inventors: Peter M Livingston
Original assignee: TRW Inc
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 1997-06-06
Filing date: 1998-05-28
Publication date: 1998-12-10
Anticipated expiration: 2018-05-29
Also published as: CA2235238C; CA2235238A1; US5841125A; ITMI981264A1; JP3091840B2; KR19990006419A; DE19823951C2; JPH1114464A

Description

Hintergrund der Erfindung

Diese Erfindung betrifft im allgemeinen aktive optische Systeme und insbesondere interferometrische Sensoren, die für die Mes sung von Fokusänderungen benutzt werden, die aus der Hitzeent wicklung in optischen Hochleistungssystemen und den damit ver bundenen Verzerrungen der Wellenfront dieser Hochleistungsstrah len resultieren. Der Begriff "aktive Optiken" bezieht sich auf optische Komponenten, deren Eigenschaften zur Steuerung opti scher Wellenfronten während des eigentlichen Betriebes einge stellt werden. Der Begriff "optischer Strahl" beschreibt die Ausbreitungsrichtung einer Strahlung und eine "Wellenfront" ist eine dreidimensionale Oberfläche konstanter Lichtweglänge, die orthogonal zu einer aus einer Strahlungsquelle austretenden Strahlengruppe ist. Um ein Bild einer punktförmigen Strahlen quelle zu erhalten, müssen alle Strahlen in dieser Gruppe die selbe optische Weglänge aufweisen. In einem Medium mit konstan tem Brechungsindex wird dies durch die Erzeugung einer sphäri schen Wellenfront oder, wenn die Punktquelle im Unendlichen liegt, einer planaren Wellenfront erreicht. Obwohl die geometri schen Vorstellungen von optischen Strahlen und Wellenfronten keine reale physikalische Existenz haben, sind diese für den Entwurf und das Verständnis von optischen Systemen unverzichtbar und werden daher in dieser Beschreibung benutzt.

In Anwendungen von Hochleistungs- oder Hochenergielaserstrahlen, der Begriff ist austauschbar, kann die Absorption der Laser strahlen durch optische Elemente mit nachfolgenden Abbil dungsfehlern zu einer Verzerrung der Wellenfront des Hochlei stungsstrahls führen, insbesondere mit einer Änderung des Fokus. Diese Fokusänderung kann beträchtlich sein und ohne Einrichtun gen zur Erkennung und Korrektur dieser Fokusänderung kann sich die Brauchbarkeit des Lasersystems deutlich verschlechtern. Hochenergetische optische Lasersysteme haben eine Ausgangslei stung von ca. einer Million Watt, stellen eine relativ neue Ent wicklung dar und sind in industriellen Anwendungen noch nicht weit verbreitet. Folglich hat sich der Stand der Technik noch nicht unmittelbar mit dem Problem der Fokusänderungen von hochenergetischen Laserstrahlen beschäftigt. Mögliche industri elle Anwendungen schließen Schweiß- oder Schneidevorgänge mit Hilfe von Lasern ein, die gemeinhin in verschiedenen Industrien Anwendung finden, beginnend bei der Automobilherstellung, der Bekleidungsindustrie und der mikroelektronischen Industrie und anderen Präzisionslaserschweiß- und -herstellungsindustrien.

Eine Vorrichtung zur Fokusdetektion mit einer Korrektur der Wel lenfrontaberration unter Verwendung von elektrischen Berechnun gen ist im US-Patent Nr. 4 748 321 offenbart. Diese Vorrichtung nutzt zur Korrektur der Wellenfrontaberration komplexe elektro nische numerische Berechnungen und ist für die Aufgabe, ledig lich Fokusänderungen zu erkennen, unverhältnismäßig komplex.

Zusätzlich ist ein interferometrisches System, das mit einem De tektor zur Kompensation der Wellenfrontaberration verbunden ist, in US-Patent Nr. 4 682 025 offenbart. Diese Vorrichtungen nutzen komplexe Detektoranordnungen und mehrfache flexible Spiegelele mente, die ebenfalls unverhältnismäßig komplex für die Aufgabe, lediglich die Fokusänderung in Hochenergielaserstrahlen zu er kennen, sind. Soweit kann festgestellt werden, daß kein bekann tes System alle Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung beinhaltet.

Die Überlagerungsinterferometrie ist eine Methode, die in eini gen bekannten Systemen genutzt wird. Bei dieser Methode werden die Phasenwinkelunterschiede, die an einer Wellenfront gemessen werden, von einem dem System überlagerten hochfrequenten "Zitter"-Signal getragen. Diese Phasenwinkelunterschiede werden dann in einem synchronen Detektionsschritt extrahiert. Der hauptsächliche Vorteil der Überlagerungsinterferometrie ist, daß sie in hohem Maße unempfindlich gegenüber Rauschsignalen ist, die normalerweise die Genauigkeit der Phasenwinkelmessung ver zerren würden. In einer Publikation von N.A. Massie et al.: "Flow Field Testing with 64 Parallel Channel Heterodyne Inter ferometer", Proc. of SPIE-The International Society for Optical Engineering, Vol. 351, Wavefront Sensing, pp. 141-147, August 1982, und in anderen darin zitierten Publikationen wird eine Version einer Vorrichtung offenbart, auf die als Überlagungsin terferometer verwiesen wird. Dennoch verbinden andere Strahlen systeme diese Methode nicht mit einem interferometrischen Sensor einfacher Bauweise.

Trotz dieser Entwicklungen besteht weiterhin der Bedarf nach ei ner schnellen, einfachen und zuverlässigen Methode zur Erkennung und Messung der Fokusänderung eines Hochenergielaserstrahls. Idealerweise wird der Fokusänderungssensor ein einfaches Instru ment mit möglichst wenigen beweglichen Teilen sein, auf einer zuverlässigen und erprobten Technologie basieren und eine schlichte und robuste Bauweise aufweisen, die schnelle und zu verlässige Messungen ermöglichen. Des weiteren sollte der Fokus sensor für Hochenergielaser weniger komplex sein als andere be kannte interferometrische Systeme und sollte in der Lage sein eine Messung der Fokusänderungen ohne komplexe numerische Be rechnungen zu ermöglichen. Die vorliegende Erfindung erfüllt diese Anforderungen und weist zusätzliche Vorteile gegenüber be kannten Vorrichtungen auf.

Kurzzusammenfassung

Im weitesten Sinne stellt die vorliegende Erfindung einen in sich geschlossenen (selbständigen) Fokussensor zur Verfügung, der in der Lage ist Fokusänderungskorrektursignale für einen Hochenergielaserstrahl, z. B. einen Laserstrahl mit über einer Million Watt Ausgangsleistung, zu erzeugen. Aber wie in der fol genden Beschreibung verdeutlicht ist, ist die vorliegende Er findung nicht auf Laserstrahlen mit Ausgangsleistungen im Be reich von einer Million Watt beschränkt. Spiegel und Linsen ver zerren proportional zur Bestrahlungsstärke (Watt/cm²) und nicht zu der auf sie gerichteten Leistung (Watt). Daher können kleine re Laser, die kleine Optiken benutzen, deutliche Verzerrungspro bleme haben. Dies ist darauf zurückzuführen, daß die Werte der Bestrahlungsstärke in dem optischen System groß sein können. Um gekehrt können Millionen-Watt-Laser mit großen Optiken überhaupt keine Verzerrungsprobleme haben. Ist jedoch ein Millionen-Watt- Laser mit Optiken, deren Durchmesser einige Zehntel Zentimeter hat, erwünscht, können Linsenverzerrungen schwerwiegende Proble me erzeugen. Da alle praktischen Anwendungen optische Elemente zu relativ kleinen Baugrößen zwingen, wird die Kontrolle des Fo kus unentbehrlich.

Kurz und allgemein formuliert umfaßt der Gegenstand der Erfin dung Einrichtungen zur Teilung eines Eingangsstrahls in einen Referenzarmstrahl und einen Probenstrahl, Einrichtungen zur Er zeugung eines Referenzstrahles mit einer gleichförmigen Phasen oberfläche aus dem Referenzarmstrahl, Einrichtungen zur Rekombi nation des Probenstrahls und des Referenzstrahls, um ein Inter ferenzmuster zu erzeugen, und Einrichtungen zum Fokussieren des Interferenzmusters auf einen Detektor.

Die Erfindung umfaßt auch Neigungskorrektureinrichtungen zur Zen trierung des in das Interferometer geschickten Eingangsstrahls, Einrichtungen zur Modulation des Referenzstrahls mit einem hoch frequenten Zittersignal, Detektionseinrichtungen zur Erzeugung eines die Intensität des Interferenzmusters wiedergebenden elek trischen Signals, und einem elektronischen Schaltkreis, der zur Erzeugung eines Fokusänderungskorrektursignals mit den Detekti onseinrichtungen verbunden ist. Das Neigungskorrektursystem um faßt einen Steuerspiegel, einen Strahlteiler(-Aufnehmer) und ei nen Vierzellendetektor. Der Steuerspiegel ist ein reflektieren der bewegbarer Spiegel, der kontinuierlich zur Änderung der Nei gung des Eingangsstrahls eingestellt werden kann, während der halbdurchlässige Strahlteiler(-Aufnehmer) einen Teil des Ein gangsstrahls vom Steuerspiegel zum Vierzellendetektor richtet. Der Vierzellendetektor erzeugt proportional zu der Menge des auf die Vierzellendetektoroberfläche abgeleiteten einfallenden Lich tes ein Signal und nutzt dieses Signal, um den Steuerspiegel zum Nullabgleich des Signals zu steuern.

Der elektrische Schaltkreis umfaßt einen Transimpedanzverstär ker, synchrone Detektoreinrichtungen zur Entfernung der Zitter frequenzkomponenten, Integrationseinrichtungen zur Erzeugung ei nes Fehlersignals, das die Fokusänderungen in dem hochenergeti schen Eingangslaserstrahl wiedergibt, einen Steuerverstärker, der ein Fokusänderungskorrektursignal ausgibt, und Einrichtungen zur Kopplung des Fokusänderungskorrektursignals an eine axial justierbare Linse, die zur Erzeugung einer Änderung der Phasen krümmung der Wellenfront des Referenzstrahls benutzt wird. Die justierbare Linse wird mit einem elektrischen Servokreis- Schaltkreis zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls automatisch eingestellt, um diese der des Pro benstrahls anzupassen. Da der Gegenstand der Erfindung weder komplexe numerische Berechnungen zur Erkennung der Fokusänderung eines Strahls benötigt noch zahlreiche bewegbare Komponenten verwendet, wie z. B. ein Detektorarray oder mehrfache flexible Spiegel- oder Linsenelemente, ist die Bauweise weniger teuer, einfacher und daher robuster.

Im Sinne einer Methode zur Erkennung einer Fokusänderung eines hochenergetischen Laserstrahls umfaßt diese Erfindung grundle gende Maßnahmen zur Korrektur beliebiger Neigungen von Eingangs strahlen, Teilung des Eingangsstrahles in einen Referenz armstrahl und einen Probenstrahl, Erzeugung eines Referenzstrah les aus dem Referenzarmstrahl und Kombination des Probenstrahls und des Referenzstrahls, um ein Interferenzmuster zu erzeugen, das anschließend mit einer Linse auf einen Detektor fokussiert wird. Der Probenstrahl ist auf einen sich in einem Schenkel des Interferometers der Michelson-Bauart befindenden reflektierenden Spiegel gerichtet und kann durch einen Dämpfungsfilter geleitet werden, falls eine Photonendämpfung notwendig ist. Zusätzlich umfaßt die Erfindung Maßnahmen zur Modulation des Refe renzsignals mit einem hochfrequenten Zittersignal, um ein zeit lich sich änderndes Signal über der Detektoroberfläche zu erzeu gen. Der Detektor erzeugt dann ein sinusförmiges elektrisches Signal als Antwort auf das zeitlich sich ändernde Signal.

Die verbleibenden Maßnahmen dieser Methode umfassen eine syn chrone Detektion des sinusförmigen elektrischen Signals des De tektors, der durch die Entfernung der Zitterfrequenzkomponenten demoduliert, eine Integration der detektierten Signale zur Er zeugung eines Fokusänderungskorrektursignals, wie des zeitlichen Integrals des demodulierten sinusförmigen elektrischen Signals, wobei das Fokusänderungskorrektursignal die Fokusänderung des Strahls wiedergibt, und eine Kopplung des Fokusänderungskorrek tursignals an eine axial justierbare Linse, wobei die justier bare Linse zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls anzupassen. Hinter dem Strahlteiler kann das Fokusänderungskorrektursignal zur Beseitigung oder Kompensation der Fokusänderung des hochenergetischen Laserstrahls benutzt werden.

Ausgehend hiervon ist festzustellen, daß die vorliegende Erfin dung einen deutlichen Fortschritt auf dem Bereich der aktiven optischen Systeme darstellt. Insbesondere stellt diese Erfindung ein neigungskorrigiertes Überlagerungsinterferometer einer ein fachen und zuverlässigen Bauweise zur Verfügung, in dem ein Ein gangsstrahl überprüft und mit einem Referenzstrahl verglichen wird. Der Referenzstrahl wird dann unter Verwendung einer axial justierbaren Linse zur Erzeugung einer Phasenkrümmung einge stellt, um diese der des Probenstrahls anzupassen. Die axial ju stierbare Linse stellt einen kennzeichnenden Vorteil der Erfin dung dar. Das aus der Einstellung des Referenzstrahls resultie rende Signal kann dann zur Korrektur einer beliebigen Fokusände rung in dem hochenergetischen Laserstrahl benutzt werden. Andere Aspekte und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden de taillierteren Beschreibung in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen ersichtlich.

Kurzbeschreibung der beigefügten Zeichnungen

Fig. 1 ist eine schematische Darstellung zur Verdeutlichung des Prinzips eines Michelson-Interferometers.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines Fokussensors für hochenergetische Laser in Übereinstimmung mit der Erfindung. Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm eines elektro-optischen Servoschaltkreises, der in dem Fokussensor für hochenergetische Laser aus Fig. 2 verwendet wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Wie in den Zeichnungen zur Veranschaulichung gezeigt ist, be trifft die vorliegende Erfindung eine Anwendung eines aktiven optischen Systems zur Erkennung von Fokusänderungen von hoch energetischen Laserstrahlen. Die Erkennung von Fokusänderungen beruhte in der Vergangenheit prinzipiell auf Verfahren zur Re konstruktion von Wellenfronten. Diese Verfahren erfordern kom plexe digitale numerische Berechnungen und/oder komplexe opti sche Komponenten, wie z. B. flexible Spiegel unter Servokreis steuerung. Diese Verfahren, obwohl sie zur Erkennung von Fokus änderungen bei Anwendungen von hochenergetischen Laserstrahlen geeignet sind, erfordern komplexe und zahlreiche Komponenten und Steuermechanismen, die diese unnötig teuer, aufwendig und unzu verlässig machen. Die vorliegende Erfindung nutzt eine wesent lich einfachere robuste Bauweise, die schnelle und zuverlässige Messungen von Fokusänderungen ermöglicht.

In Übereinstimmung mit der Erfindung wird die Erkennung von Fo kusänderungen schnell und einfach unter Verwendung von Einrich tungen eines Fokusänderungssensors durchgeführt, die ein Inter ferometer der Michelson-Bauart umfassen. Das Interferometer wird automatisch zur Variation der Phasenkrümmung des Referenzstrahls derart gesteuert, daß diese mit der des Probenstrahls überein stimmt. Die elektrischen Kontrollsignale, die zur Steuerung des Interferometers benutzt werden, geben die Fokusänderung des Pro beneingangsstrahls wieder und können zur Korrektur der Fokusän derung eines hochenergetischen Laserstrahls benutzt werden.

Im Sinne einer Darstellung der Grundlagen ist in Fig. 1 ein Mi chelson-Interferometer abgebildet. Ein Eingangsstrahl, bezeich net durch die Referenzziffer 10, fällt auf einen halbdurchlässi gen Strahlteiler 12. Ein Teil des Eingangsstrahles geht durch den Strahlteiler 12 zu einem planen Referenzspiegel 14, während der übrige Teil in einem Winkel von 90° zu einem bewegbaren pla nen Spiegel 16 reflektiert wird. Etwas des vom Referenzspiegel 14 reflektierten Lichts wird am Strahlteiler 12 erneut reflek tiert und fällt durch eine Feldlinse 18 und auf eine Beobach tungsebene 20. In ähnlicher Weise fällt etwas des von dem be wegbaren Spiegel 16 reflektierten Lichts durch den Strahlteiler 12, wonach es sich mit dem Licht vom Referenzspiegel 14 kombi niert, und fällt durch die Feldlinse 18 und auf die Beobach tungsebene 20. Die zwei Strahlen des Lichts, die auf der Beob achtungsebene 20 ankommen, haben unterschiedliche optische Wege zurückgelegt und haben im allgemeinen eine unterschiedliche re lative Phase. Im ursprünglichen Michelson-Interferometer konnte der Spiegel 16 mit Einrichtungen einer Mikrometerschraube bewegt werden und die resultierenden Interferenzstreifen auf der Beob achtungsebene 20 wurden benutzt, um den optischen Weglängenun terschied zwischen den Schenkeln auf Null (weiße Lichtquelle) oder ein vielfaches dieser Wellenlänge (kohärente Lichtquelle) abzugleichen.

Das Interferometer der vorliegenden Erfindung nutzt das Michel son-Prinzip in einer neuartigen Bauweise, die in Fig. 2 gezeigt ist. Die vorliegende Erfindung nutzt ein Neigungskorrektur system, im allgemeinen durch 25 bezeichnet, um zu gewährleisten, daß der in das Interferometer geschickte Eingangsstrahl zen triert wird. Das Neigungskorrektursystem 25 umfaßt einen Steuer spiegel 30, einen Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 und einen Vierzel lendetektor 36. Ein Interferometereingangsstrahl 40 fällt in ei nem Winkel von 45° auf einen 50-50 Strahlteiler 42, der den Strahl in einen Probenstrahl 44 und einen Referenzarmstrahl 50 teilt. Der Referenzarmstrahl 50 wird mit einer Linse 52 durch einen räumlichen Lochfilter 54 fokussiert und mit einer Linse 56 auf einen Spiegel 58 rekollimiert. Vom Spiegel 58 reflektiertes Licht wird mit der Linse 56 durch den räumlichen Lochfilter 54 fokussiert und mit der Linse 52 auf den 50-50 Strahlteiler 42 rekollimiert. Licht, das durch den räumlichen Filter 54 zurück reflektiert und auf den 50-50 Strahlteiler 42 kollimiert wird, hat eine gleichförmige Phasenoberfläche, die durch den zweifa chen Durchgang durch den räumlichen Filter 54 entsteht, und scheint aus einer im Unendlichen liegenden punktförmigen Quelle auszutreten. Dieser reflektierte Strahl stellt den Referenz strahl 50 dar, hat eine nahezu planare Wellenfront und wird zu mindest teilweise durch den 50-50 Strahlteiler 42 in einem Win kel von 90° zu dem Detektor 64 reflektiert.

Im anderen Schenkel des Interferometers kann der Probenstrahl 44 durch einen Dämpfungsfilter 46 und auf einen planen Spiegel 48 fallen. Der Probenstrahl 44 wird dann zurück durch den Dämp fungsfilter 46 und zum 50-50 Strahlteiler 42 reflektiert, der einen beträchtlichen Teil dieses Strahls zur Rekombination mit dem Referenzstrahl durchläßt. Der rekombinierte Probenstrahl 44 und Referenzstrahl 50 fallen auf eine Linse 62, wo ein Interfe renzmuster erzeugt wird. Der Probenstrahl 44 und der Referenz strahl 50 werden mit der Linse 62 auf den Detektor 64 fokus siert. Der Detektor 64 ist ein photoelektrischer Wandler, der ein entsprechendes elektrisches Signal auf einer Ausgabeleitung 68 (s. Fig. 3) erzeugt, das zu einem elektronischen Modul ge koppelt ist, welches ein die Fokusänderung des Eingangsstrahls wiedergebendes Fokusänderungskorrektursignal berechnet und die ses Fokusänderungskorrektursignal über eine Leitung 84 (s. Fig. 3) zu der Linse 52 überträgt, die axial einstellbar ist.

Der Steuerspiegel 30 des Neigungskorrektursystems 25 ist ein re flektierender bewegbarer Spiegel, der kontinuierlich zur Ände rung der Neigung des in das Interferometer geschickten Inter ferometereingangsstrahls 40 eingestellt werden kann, während der halbdurchlässige Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 einen Teil des re flektierten Eingangsstrahls 28 vom Steuerspiegel 30 zum Vierzel lendetektor 36 sendet. Der Strahlteiler(-Aufnehmer) 32 erzeugt einen Neigungsprobenstrahl 34, der benutzt wird, um festzustel len, ob die einfallende Wellenfront geneigt ist. Der Neigungs probenstrahl 34 ist zu dem Vierzellendetektor 36 gerichtet. Der Vierzellendetektor 36 ist ein standardisierter π-förmiger Detek tor, der geeignet ist einfallendes Licht zu detektieren und dif ferentielles Detektorsignal zu erzeugen, das proportional zu der Menge des auf die Detektoroberfläche 64 abgelenkten einfallenden Lichtes ist. Wenn die Wellenfront des reflektierten Ein gangsstrahls 28 geneigt ist, stellt der Vierzellendetektor 36 ein Ungleichgewicht zwischen gegenüberliegenden Detektorelemen ten des Vierzellendetektors 36 fest und erzeugt das differenti elle Detektorsignal 38, das zur Steuerung des Steuerspiegel 30 benutzt wird, um das differentielle Detektorsignal 38 auf Null abzugleichen. Das durch das Vierzellensystem 36 der Erfindung erzeugte differentielle Detektorsignal 38 kann zur Bestimmung des Grades der Neigung der Wellenfront des reflektierten Ein gangsstrahls 28 benutzt werden, die dann korrigiert werden kann.

Die axial justierbare Linse 52 wird zur Änderung der Phasenkrüm mung des Referenzstrahls 50 bewegt, um diese an die des Proben strahls 44 anzupassen. In einem Ausführungsbeispiel wird die Linse 52 mit einem Schneckengetriebe axial eingestellt. Daher geben die elektrischen Detektorsignale auf Leitung 68 (s. Fig. 3) die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 an. Das in Fig. 2 abgebildete Instrument arbeitet als unabhängiger interferometri scher Sensor, der Fokusänderungskorrektursignale auf der Leitung 84 (s. Fig. 3) zur Verfügung stellt, die die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 angeben. Das in Fig. 2 gezeigte Interferome ter kann wirksam in hochenergetischen Laserstrahleinrichtungen zur aktiven Kompensation von Fokusänderungen eingesetzt werden.

Ein weiterer Aspekt des Interferometers aus Fig. 2 wird im fol genden beschrieben. Der zur Erzeugung des Referenzstrahls 50 be nutzte Spiegel 58 ist ebenfalls axial bewegbar. Das von einem Generator 74 stammende Phasenzittersignal wird über die Leitung 86 zugeführt, um den Spiegel 58 mit Einrichtungen eines geeigne ten piezoelektrischen Wandlers (s. Fig. 3) entlang seiner opti schen Achse zu oszillieren. Da die Zitterfrequenz typischerweise zur Vermeidung eines 1/f-Rauschens gewählt wird, beträgt die Zitterfrequenz etwa 10 kHz. Dies stellt den Überlagerungsaspekt des Aufbaus dar. Aufgrund des Zitterns des Spiegels 58 enthält der Referenzstrahl 50 Frequenzkomponenten, die die Summe und die Differenz der Frequenzen des Eingangsstrahls und des Zitter signals wiedergegeben.

Wie im folgenden unter Bezugnahme auf Fig. 3 kurz beschrieben wird, wird die Zitterkomponente in einem elektronischen Modul 90 durch eine synchrone Detektion unter Verwendung eines elektri schen Zittersignals 76, das vom Generator 74 zu dem Modul 90 übertragen wird, entfernt. Der primäre Vorteil dieses Überlage rungsvorganges des Interferometers ist, daß das Fokusänderungs signal wirkungsvoll auf eine zitterfrequente Trägerwelle modu liert wird und das System inhärent unempfindlich gegenüber Rau schen ist.

Fig. 3 zeigt die Komponenten des elektronischen Moduls 90. Die Komponenten umfassen einen Transimpedanzverstärker 70, einen synchronen Detektor 72, einen Integrator 78 und einen Steuerver stärker 82 zum Antrieb der axial justierbaren Linse 52. Vom De tektor 68 erhaltene elektrische Signale werden zuerst im Trans impedanzverstärker 70 verstärkt. Der Transimpedanzverstärker 70 ist ein Vorverstärker eines Typs, der üblicherweise in Verbin dung mit Photodetektoren zur Impedanzanpassung verwendet wird, und wird benutzt, um eine Aufladung des Detektors 64 zu verhin dern. Nach der Verstärkung wird ein vom Detektor 68 erhaltenes elektrisches Signal 71 synchron detektiert 72 und an einen Inte grator 78 weitergeleitet. Der Integrator 78 ist ein Standardbau teil und umfaßt einen Widerstand 92, eine Kapazität 94 und einen Operationsverstärker 96. Ein Fehlersignal, das vom Steuerver stärker 82 zur Ausgabe eines Fokusänderungskorrektursignales 84 verstärkt wird, tritt aus dem Integrator 78 auf Leitung 80 aus. Das Vorzeichen des Fokusänderungskorrektursignals 84 bestimmt die Richtung der Bewegung und dessen Größe bestimmt das Ausmaß der Bewegung. In einer Ausführung ist das Fokusänderungskorrek tursignal 84 an ein elektrisch angetriebenes Schneckengetriebe gekoppelt, das zum Antrieb der axial justierbaren Linse 52 be nutzt wird.

Die Messung der Fokusänderung umfaßt die Kombination des ver stärkten elektrischen Detektorsignals 71 mit einem synchronen zitterfrequenten Referenzsignal 76, um ein demoduliertes Ausgangssignal auf Leitung 73 zu erhalten, welches proportional zur Differenz zwischen den Phasenkrümmungen der Wellenfronten des Referenzstrahls 50 und des Probenstrahls 44 ist. Das demodu lierte Ausgangssignal 73 wird dann integriert, um ein Fokusände rungskorrektursignal zu erzeugen, wobei dieses Fokusänderungs korrektursignal das zeitliche Integral des demodulierten Aus gangssignals 73 ist. Das von dem Oszillator 74 erzeugte zitter frequente Signal wird ebenfalls über die Leitung 86 an den Spie gel 58 weitergeleitet. Der gezeichnete Servokreis-Schaltkreis ist ein sogenannter null-suchender Servokreis. In Übereinstim mung mit Gleichung 6 wird die Fehlercharakteristik bei Δf = 0 mit einem Vorzeichen, das mit dem Vorzeichen der Differenz der Fo kuslängen übereinstimmt, zu Null. Dies führt zu einer schnellen Synchronisation der Phasen des interferierenden Probenstrahls 44 und Referenzstrahls 50 und erzeugt ein Fokusänderungskorrektur signal 84, das den Referenzstrahls 50 in Phase mit dem Proben strahl 44 hält. Das Fokusänderungskorrektursignal 84 gibt die Fokusänderung des Eingangsstrahls 22 an.

Dieses Fokusänderungskorrektursignal kann durch die Berechnung einer Fehlercharakteristik analytisch quantifiziert werden. Un ter der Annahme einer Probenwelle E_s und einer Referenzwelle E_ref, die folgende Form haben, gilt:

a und b sind hier komplexe Konstanten, f₁ und f₂ sind die zwei fraglichen Fokuslängen und η, θ beschreiben die Ausdehnung des Hochfrequenz-Zitterspiegels 58 und dessen Frequenz, angegeben im Winkelformat, wobei beispielsweise das Produkt der Winkelfre quenzen die Zeit angibt. Die beiden Felder kombinieren sich an dem Strahlteiler 42, wie in Gleichung (1) gezeigt ist. Das Sum menfeld fällt durch die Linse 62 und wird auf dem Detektor 64 abgebildet. Das Fernfeld auf dem Detektor 64 ist die Fourier transformierte der Felder, die die Linsenapertur 62 ausfüllen. Die Transformierte wird unter der Annahme angenähert, daß bei einem gegen Unendlich gehenden Radius der Linse 62 der Durchmes ser der Linse 62 vielen Wellenlängen entspricht, um so eine ana lytische Berechnung der Transformierten zu erlauben. Das Schlüs selintegral hat die Form:

Mit dieser Transformation, der Definition der Felder in Glei chung (1) und der Fokuslänge f₃ der Linse 62 kann die Be strahlungsstärke in der Detektorebene 64 wie folgt beschrieben werden:

Der Winkel Φ ist hier ein beliebiger Phasenwinkel zwischen dem Referenzstrahl 50 und dem Probenstrahl 44. Die Bestrahlungsstär ke füllt oder überfüllt die Apertur des Detektors 64, die den Durchmesser d hat. Daher ist die Detektorspannung I das Integral von I über die Aperturfläche:

Die Größe ξ beschreibt hier die Quantenausbeute des Detektors, h ist die Planck'sche Konstante und λ die Betriebswellenlänge. Eine elektrische Spannung, die proportional zu der in Gleichung (4) ist, wird synchron an 72 detektiert und an 78 integriert. Mathe matisch gesprochen multipliziert der Ausgang 76 des Zittergene rators die in der oben aufgeführten Gleichung gezeigte Spannung und mittelt das Ergebnis über eine Zitterperiode:

Abgesehen von einigen nicht bedeutsamen konstanten Verstärkungs faktoren ist die Spannung V_e die erwünschte Fehlerspannung, die das Fokusänderungskorrektursignal 84 wiedergibt. Die Konstante κ faßt alle räumlichen Größen, wie die Quantenausbeute, die Elek tronenladung, die Planck'sche Konstante usw., zusammen. Es ist zu bemerken, daß der erste Term in der Klammer eine gerade Funk tion von Δf/λ ist, während der zweite eine ungerade ist. Daher wird ein Wert von Φ, der ungleich Null ist, den Nulldurchgang derart sperren, daß der Servo bei einer festen mittleren Phasen differenz zwischen den Wellenfronten des Probenstrahls 44 und des Referenzstrahls 50, die ungleich Null ist, sperrt. In einem passend konstruierten Interferometer kann dieser Phasenwinkel sorgfältig abgestimmt werden. Somit ist der geeignete endgültige funktionale Term für die Fehlercharakteristik:

Es ist klar, daß die Fehlercharakteristik proportional zu Größe und Vorzeichen von Δf und der Zittergröße sowie zu dem Gesamt verstärkungsfaktor durch den Vorverstärker 70, den Integrator 78 und den Steuerverstärker 82 ist. Die Fehlercharakteristik ver läßt den Steuerverstärker 82 als Fokusänderungskorrektursignal, wobei dieses Fokusänderungskorrektursignal mit der axial ju stierbaren Linse gekoppelt ist, die zur Anpassung der Phasen krümmung des Referenzstrahls 50 an die des Probenstrahls 44 ge eignet ist.

Während hier besondere Elemente, Ausführungsformen und Anwendun gen der vorliegenden Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, ist es natürlich verständlich, daß diese Erfindung nicht hierauf beschränkt ist, da Modifikationen durch Fachleute, insbesondere angesichts der vorhergehenden Lehren, durchgeführt werden kön nen. Daher wird die Erfindung durch die beigefügten Ansprüche so betrachtet, daß solche Modifikationen, wie die Einbeziehung der Merkmale, die im Bereich des Erfindungsgedankens sowie des Schutzbereichs der Erfindung liegen, abgedeckt sind.

Claims

1. Ein Fokussensor für Hochenergielaser mit:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahls (22),
- Strahlteilereinrichtungen (42) zur Teilung des Eingangsstrahls (22) in einen Referenzarmstrahl (50) und einen Probenstrahl (44),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem Referenzarmstrahl (50),
- Einrichtungen zur Modulation (90) des Referenzstrahls (50) mit einem hochfrequenten Zittersignal (76),
- Einrichtungen für eine axial justierbare Linse (52) zur Erzeu gung von Wellenfrontänderungen in dem Referenzstrahl (50),
- Einrichtungen zur Rekombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektionseinrichtungen (64) zur Erzeugung von elektrischen Signalen (68), die das Interferenzmuster wiedergeben,
- einem mit den Detektionseinrichtungen verbundenen elektrischen Schaltkreis, wobei der elektrische Schaltkreis synchrone Detek toreinrichtungen zur Entfernung der Zitterfrequenzkomponenten aus den elektrischen Signalen (68) und Einrichtungen zur Erzeu gung eines Fokusänderungskorrektursignals (84) aus den elektri schen Signalen (68) umfaßt, und
- Einrichtungen für die Kopplung des Fokusänderungskorrektursi gnals an die Einrichtungen der axial justierbaren Linse (52), so daß die Einrichtungen der justierbaren Linse automatisch einge stellt werden, um die Phasenkrümmung der Wellenfront des Refe renzstrahls (50) auf die des Probenstrahls (44) anzupassen.

2. Ein Fokussensor für Hochenergielaser nach Anspruch 1, wo bei:

- die Neigungskorrektureinrichtungen (25) einen Steuerspiegel (30) umfassen, der den Eingangsstrahl (22) zu einem Strahltei ler(-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu einem der Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetek tor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differenzielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

3. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 1, wo bei:

- die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls einen Spiegel (58) umfassen, der den Referenzstrahl zu den Strahltei lungseinrichtungen zurück reflektiert,
- die Einrichtungen der axial justierbaren Linse (52) so ange bracht sind, daß sie den Referenzstrahl (50) zu den Strahltei lungseinrichtungen zurücksenden, und
- die Strahlteilungseinrichtungen den Referenzstrahl (50) und den Probenstrahl (44) rekombinieren.

4. Ein Fokussensor für Hochenergielaser- gemäß Anspruch 3, wo bei die Einrichtungen zur Modulation des Referenzstrahls mit ei nem hochfrequenten Zittersignal (76) umfassen:

- einen Zitterfrequenzsignalgenerator (74), und
- Meßumformeinrichtungen, die mit dem Zitterfrequenzsignalge nerator (74) verbunden sind, um den zur Erzeugung des Referenz strahls benutzten Spiegel (58) zu oszillieren.

5. Ein Fokussensor für Hochenergielaser zur Erkennung von Fo kusänderungen in einem Eingangsstrahl, wobei der Sensor umfaßt:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung des Eingangsstrahls (22),
- Einrichtungen zum Erhalt eines Probenstrahls (44) aus dem Ein gangsstrahl (22),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem Eingangsstrahl (22),
- Einrichtungen zur Kombination des Probenstrahls (44) mit dem Referenzstrahl (50), um ein korrespondierendes Interferenzmuster zu erzeugen,
- Einrichtungen zur Fokussierung des Interferenzmusters auf ei nem Detektor (64), wobei dieser Detektor so angebracht ist, daß er das Interferenzmuster erfaßt und ein entsprechendes elektri sches Signal (68), das das Interferenzmuster wiedergibt, er zeugt, und
- elektronische Schaltkreiseinrichtungen zur Erzeugung eines Fo kusänderungskorrektursignals (84) aus den elektrischen Detektor signalen (68) und zur Kopplung des Fokusänderungskorrektursi gnals an eine axial justierbare Linse (52), wobei die Linse zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Proben strahls (44) anzupassen, und die Fokusänderungskorrektursignale (84) Angaben über den Grad der Fokusänderungen in dem Eingangs strahl (22) zur Verfügung stellen.

6. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 5, wo bei:

- die Neigungskorrektureinrichtungen (25) einen Steuerspiegel (30) umfassen, der den Eingangsstrahl zu einem Strahlteil- (-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu einem Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differentielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

7. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 5, wo bei die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls aus dem Eingangsstrahl umfassen:

- einen Strahlteiler (42), um einen Referenzanteil (50) aus dem Eingangsstrahl (22) zu erhalten,
- einen räumlichen Lochfilter (54), der zum Empfang des Refe renzanteils (50) des Eingangsstrahls (22), der durch die axial justierbare Linse (52) fokussiert wird, angeordnet ist, und
- einen Spiegel (58) zur Reflektion des Referenzanteils (50) des Strahls zurück durch den räumlichen Lochfilter (54), so daß der Referenzstrahl (50) eine gleichförmige Phasenoberfläche auf weist.

8. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 7, wo bei:

- die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls zusätz lich eine rekollimierende Linse (62) zur Rekollimation des Refe renzanteils (50) des Strahls, der aus dem räumlichen Lochfilter (54) austritt, umfassen,
- die axial justierbare Linse (52) als rekollimierende Linse ar beitet, und
- der Spiegel (58) zur Reflektion des Referenzanteils (50) des Strahls ein planer Spiegel ist.

9. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 8 wei ter umfaßt:

- einen Zitterfrequenzgenerator (74) und Einrichtungen zur Über tragung einer axialen Bewegungen in der Zitterfrequenz zu dem Spiegel (58) in den Einrichtungen zur Erzeugung des Referenz strahls (50), und
- die elektrischen Schaltkreiseinrichtungen synchrone Detek toreinrichtungen zur Demodulation des elektrischen Detektorsi gnals (68) und Integrationseinrichtungen (78) zur Erzeugung des Fokusänderungskorrektursignals (84), wie z. B. des zeitlichen Integrals des demodulierten elektrischen Detektorsignals, umfas sen.

10. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 5 wei ter umfaßt:

- Einrichtungen zur Überlagerung des Referenzstrahls (50) bei einer Zitterfrequenz, und
- Einrichtungen in den elektrischen Schaltkreiseinrichtungen zur synchronen Detektion der elektrischen Detektorsignale (68).

11. Ein Fokussensor für Hochenergielaser mit:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahls (22),
- Strahlteilungseinrichtungen (42) zur Teilung des Eingangs strahls in einen Referenzarmstrahl (50) und einen Probenstrahl (44),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem Referenzarmstrahl (50), die einen räumlichen Lochfilter (54), eine rekollimierende Linse (56) und einen Referenzstrahlspiegel (58) zur Reflektion des Referenzarms zurück durch den räumlichen Filter (54) zu den Strahlteilungseinrichtungen (42) umfassen,
- einem Probenstrahlspiegel (48), der zur Reflektion des Proben strahls (44) zurück zu den Strahlteilungseinrichtungen (42) an gebracht ist, die Strahlteilungseinrichtungen (42) den Proben strahl (44) und den Referenzstrahl (50) rekombinieren, um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Einrichtungen zur Oszillation des Referenzstrahlspiegels (58), um den Referenzstrahl (50) mit einem hochfrequenten Zittersignal (76) zu modulieren,
- Detektionseinrichtungen, die so angebracht sind, daß sie den rekombinierten Proben- und Referenzstrahl empfangen und elektri sche Detektorsignale (68) zur Verfügung stellen, die das resul tierende Interferenzmuster wiedergeben,
- einem mit den Detektionseinrichtungen verbundenen elektroni schen Schaltkreis, wobei der elektrische Schaltkreis synchrone Detektoreinrichtungen zur Entfernung der Zitterfrequenzkompo nenten und Einrichtungen zur Erzeugung eines Fokusänderungskor rektursignals (84) aus den elektrischen Signalen (68) umfaßt, und
- Einrichtungen zur Kopplung der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare Linse (52), so daß die justier bare Linse zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls (44) anzupassen, wobei die justierbare Linse (52) auch als rekollimierende Linse arbeitet.

12. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 11, wo bei:

- die Neigungskorrektureinrichtungen (25) einen Steuerspiegel (30) umfassen, der den Eingangsstrahl (22) zu einem Strahlteil- (-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu einem Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetektor (36) richtet,
- der Vierzellengenerator (36) ein differentielles Detektorsi gnal (38) in Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

13. Ein Verfahren zur Erkennung von Fokusänderungen von Hoch energielaserstrahlen die Maßnahmen umfaßt:

- Teilung eines Eingangsstrahles (22) in einen Referenzarmstrahl (50) und einen Probenstrahl (44),
- Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem Referenzarmstrahl (50),
- Modulation des Referenzstrahls (50) mit einem hochfrequenten Zittersignal (76),
- Kombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Fokussierung des Interferenzmusters mit einer Linse (62) auf einen Detektor (64) und Erzeugung von elektrischen Signalen (68), die das Interferenzmuster wiedergeben,
- eine synchrone Detektion der elektrischen Detektorsignale (68) durch das Entfernen von Zitterfrequenzkomponenten,
- Integration der synchron detektierten elektrischen Signale (73), um ein Fokusänderungskorrektursignal (84) zur Verfügung zu stellen, und
- Anlegen des Fokusänderungskorrektursignals (84) an eine axial justierbare Linse, so daß die justierbare Linse (52) zur Ände rung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls (44) anzupassen.

14. Ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zusätzlich die Maßnahmen umfaßt:

- Korrektur des Eingangsstrahls (22) hinsichtlich der Neigung mit einem Steuerspiegel (30), einem Strahlteil(-Aufnehmer) (32) und einem Vierzellendetektor (36),
- der Steuerspiegel (30) den Eingangsstrahl (22) zum Strahlteil- (-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu dem Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differentielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

15. Ein Verfahren gemäß Anspruch 13 zusätzlich Maßnahmen zur Anordnung der axial justierbaren Linse (52) in einem interfero metrischen Sensor und zur Bereitstellung eines Maßes der Fo kusänderungen in dem Eingangsstrahl (22) unter Verwendung der Fokusänderungskorrektursignale (84) umfaßt.

16. Ein Fokussensor für Hochenergielaser mit:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahls (22),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) und ei nes Probenstrahls (44) aus einem Eingangsstrahl (22),
- Einrichtungen zur Modulation des Referenzstrahls (50) mit ei nem hochfrequenten Zittersignal (76),
- Einrichtungen zur Kombination des Referenz- und des Proben strahls, um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektionseinrichtungen (64), die zur Erzeugung von das Inter ferenzmuster kennzeichnenden elektrischen Signalen (68) ange bracht sind,
- Einrichtungen für eine axial justierbare Linse (52) zur Erzeu gung von Wellenfrontänderungen in dem Referenzstrahl (50), und
- einem mit den Detektionseinrichtungen verbundenen elektrischen Schaltkreis, um ein Fokusänderungskorrektursignal (84) aus den elektrischen Detektorsignalen (68) herzuleiten, wobei die Fo kusänderungskorrektursignale (84) an die Einrichtungen der axial justierbaren Linse gekoppelt (52) sind, so daß die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls (44) anzupassen, und wobei die mit den Einrichtungen der justierbaren Linse (52) gekoppelten Fokusände rungskorrektursignale (84) die Fokusänderungen des Eingangs strahls (22) wiedergeben.

17. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 16, wo bei:

- die Neigungskorrektureinrichtungen (25) einen Steuerspiegel (30) umfassen, der den Eingangsstrahl (22) zu einem Strahlteil- (-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu einem Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differentielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

18. Ein Verfahren zur Erkennung von Fokusänderungen in hochener getischen Laserstrahlen die Maßnahmen umfaßt:

- Herleitung eines Probenstrahls (44) und eines Referenzstrahls (50) aus einem Eingangsstrahl (22),
- Modulation des Referenzstrahls (50) mit einem hochfrequenten Zittersignal (76),
- Kombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektion des Interferenzmusters mit einem Detektor (64) und Erzeugung von das Interferenzmuster kennzeichnenden elektrischen Signalen (68),
- Herleitung von Fokusänderungskorrektursignalen (84) aus den elektrischen Detektorsignalen (68), und
- das Anlegen der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare Linse (52), wobei die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Refe renzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese an die des Probenstrahls (44) anzupassen, und wobei die Fokusände rungskorrektursignale (84) den Grad der Fokusänderungen in dem Probenstrahl (44) angeben.

19. Ein Verfahren gemäß Anspruch 18 weiter die Maßnahmen um faßt:

20. Ein Fokussensor für Hochenergielaser mit:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung eines Eingangsstrahls (22),
- Strahlteilungseinrichtungen (42) für die Teilung des Eingangs strahls (22) in einen Referenzarmstrahl (50) und einen Proben strahl (44),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls aus dem Re ferenzarmstrahl,
- Einrichtungen zur Modulation des Referenzstrahls (50) mit ei nem oszillatorischen Zittersignal (76),
- Einrichtungen zur Rekombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektionseinrichtungen, die zur Erzeugung von das Interfe renzmuster kennzeichnenden elektrischen Signalen (68) angebracht sind,
- einem mit den Detektionseinrichtungen verbundenen elektrischen Stromkreis, wobei der elektrische Stromkreis synchrone Detek toreinrichtungen zur Entfernung Zitterfrequenzkomponenten aus den elektrischen Detektorsignalen (68) und Einrichtungen zur Er zeugung eines Fokusänderungskorrektursignals (84) aus den elek trischen Signalen (68) umfaßt,
- einer axial justierbaren Linse (52), die so angebracht ist, um Wellenfrontänderungen in dem Referenzstrahl (50) zu verursachen, und
- Einrichtungen für die Kopplung des Fokusänderungskorrektursi gnals (84) an die Einrichtungen der justierbaren Linse (52), so daß die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Probenstrahls (44) anzupassen.

21. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 20, wo bei:

22. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 20, wo bei:

- die Einrichtungen der axial justierbaren Linse (52) so ange bracht sind, daß sie den Referenzstrahl (50) zu den Strahltei lungseinrichtungen (42) zurücksenden, und wobei die justierbare Linse (52) auch als rekollimierende Linse arbeitet,
- die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) ei ne rekollimierende Linse (56) umfassen, die den Referenzstrahl (50) auf einen Spiegel (58) richten, der den Referenzstrahl (50) zurück zu den Strahlteilungseinrichtungen (42) reflektiert, und
- die Strahlteilungseinrichtungen (42) auch als Einrichtungen zur Rekombination des Referenzstrahls (50) und des Probenstrahls (44) arbeiten.

23. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 22, wo bei die Einrichtungen zur Modulation des Referenzstrahls mit ei nem oszillierenden Zittersignal umfassen:

- einen Zitterfrequenzsignalgenerator (74), und
- mit dem Zitterfrequenzsignalgenerator (74) verbundenen Meßum formeinrichtungen sind, um den zur Erzeugung des Referenzstrahls benutzten Spiegel (58) zu oszillieren.

24. Ein Fokussensor für Hochenergielaser zur Erkennung von Fo kusänderungen in einem Eingangsstrahl, wobei der Sensor umfaßt:

- Neigungskorrektureinrichtungen (25) zur Korrektur der Neigung des Eingangsstrahls (22),
- Einrichtungen zum Erhalt eines Probenstrahls (44) aus dem Ein gangsstrahl (22),
- Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem Eingangsstrahl (22),
- Einrichtungen zur Kombination des Probenstrahls (44) mit dem Referenzstrahl (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- einen Detektor (64), der zur Erkennung des Interferenzmusters und zur Erzeugung entsprechender das Interferenzmuster kenn zeichnender elektrischer Signale (68) angebracht ist, und
- elektrische Schaltkreiseinrichtungen zur Erzeugung von Fo kusänderungskorrektursignalen (84) aus den elektrischen Detek torsignalen (68) und Kopplung der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare Linse (52), so daß die ju stierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellen front des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Probenstrahls anzupassen, und die Fokusänderungs korrektursignale (84) Angaben über die Fokusänderung in dem Ein gangsstrahl (22) zur Verfügung stellen.

25. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 24, wo bei:

26. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 24, wo bei die Einrichtungen zur Erzeugung eines Referenzstrahls aus dem Eingangsstrahl weiter umfassen:

- einen Strahlteiler (42), um einen Referenzanteil (50) aus dem Eingangsstrahl (22) zu erhalten,
- einen räumlichen Lochfilter (54), durch den der Referenzanteil (50) des Eingangsstrahls (22) mit der axial justierbaren Linse (52) fokussiert wird, wobei die justierbare Linse (52) auch als rekollimierende Linse arbeitet, und
- einen Spiegel (58), der den Referenzanteil des Eingangsstrahls reflektiert, so daß der Referenzstrahl eine gleichförmige Pha senoberfläche aufweist.

27. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 26, wo bei:

- der Spiegel (58) zur Reflektion des Referenzanteils (50) des Strahls ein planer Spiegel ist, und
- die Einrichtungen zur Erzeugung des Referenzstrahls des weite ren eine rekollimierende Linse (56) umfassen.

28. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 26 zu sätzlich umfaßt:

- einen Zitterfrequenzgenerator (74) und Einrichtungen zur Über tragung axialer Bewegungen in der Zitterfrequenz zu dem Spiegel (58) in den Einrichtungen zur Erzeugung des Referenzstrahls (50), und
- die elektrischen Schaltkreiseinrichtungen (72) synchrone De tektoreinrichtungen zur Demodulation der elektrischen Detektor signale (68) und Integrationeinrichtungen (78) zur Erzeugung der Fokusänderungskorrektursignale (84), wie z. B. des zeitlichen Integrals der demodulierten elektrischen Detektorsignale (73), umfassen.

29. Ein Fokussensor für Hochenergielaser gemäß Anspruch 24 zu sätzlich umfaßt:

- Einrichtungen zur Überlagerung des Referenzstrahls (50) bei einer Zitterfrequenz, und
- Einrichtungen innerhalb der elektrischen Schaltkreiseinrich tungen zur synchronen Detektion der elektrischen Detektor signale.

30. Ein Verfahren zur Erkennung von optischen Fokusänderungen die Maßnahmen umfaßt:

- Erzeugung eines Probenstrahls (44) aus einem Eingangsstrahl (22),
- Erzeugung eines Referenzstrahls (50) aus dem gleichen Ein gangsstrahl (22),
- Modulation des Referenzstrahls (50) mit einem oszillatorischen Zittersignal (76),
- Kombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Detektion des Interferenzmusters mit einem Detektor (64) und Erzeugung von das Interferenzmuster wiedergebenden elektrischen Signalen (68),
- eine synchrone Detektion von Phasendifferenzsignalen in den elektrischen Detektorsignalen (68) durch die Entfernung von Zit terfrequenzkomponenten,
- Integration der detektierten Signale zur Erzeugung eines Fo kusänderungskorrektursignals (84), und
- Anlegen der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare Linse (52), so daß die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Proben strahls (44) anzupassen.

31. Ein Verfahren gemäß Anspruch 30 zusätzlich die Maßnahmen umfaßt:

- Korrektur des Eingangsstrahls (22) hinsichtlich der Neigung mit einem Steuerspiegel (30), einem Strahlteil(-Aufnehmer) (32) und einem Vierzellendetektor (36),
- der Steuerspiegel (30) den Eingangsstrahl (22) zu dem Strahl teil(-Aufnehmer) (32) reflektiert,
- der Strahlteil(-Aufnehmer) (32) einen Neigungsprobenstrahl (34) zu dem Detektorelemente aufweisenden Vierzellendetektor (36) richtet,
- der Vierzellendetektor (36) ein differentielles Detektorsignal (38) als Antwort auf ein beliebiges Ungleichgewicht zwischen den Detektorelementen erzeugt, und
- das differentielle Detektorsignal (38) den Steuerspiegel (30) zum Nullabgleich des differentiellen Detektorsignals (38) steu ert.

32. Ein Verfahren zur Erkennung von optischen Fokusänderungen die Maßnahmen umfaßt:

- Herleitung eines Probenstrahls (44) und eines Referenzstrahls (50) aus einem Eingangsstrahl (22),
- Kombination des Probenstrahls (44) und des Referenzstrahls (50), um ein Interferenzmuster zu erzeugen,
- Modulation des Referenzstrahls mit einem oszillatorischen Zit tersignal (76),
- Fokussierung des Interferenzmusters mit einer Linse (62) auf einen Detektor (64) und Erzeugung von das Interferenzmuster kennzeichnenden elektrischen Signalen (68),
- Herleitung von Fokusänderungskorrektursignalen (84) aus den elektrischen Signalen (68), und
- Anlegen der Fokusänderungskorrektursignale (84) an eine axial justierbare Linse (52), so daß die justierbare Linse (52) zur Änderung der Phasenkrümmung der Wellenfront des Referenzstrahls (50) automatisch eingestellt wird, um diese der des Proben strahls (44) anzupassen, und wobei die Fokusänderungskorrektur signale (84) den Grad der Fokusänderung in der Wellenfront des Probenstrahls (22) angeben.