DE3839537A1 - Verfahren zur leistungsmessung einer strahlung und anordnung zur durchfuehrung dieses verfahrens - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Leistungsmessung einer Strahlung, insbesondere mit schmalbandigem Wellenlän­ genbereich unter Verwendung einer Strahlungsdetektoreinrich­ tung, die mit der Strahlung beaufschlagt wird und wenigstens ein leistungsabhängiges elektrisches Signal erzeugt.

Die Strahlungsleistung wird am einfachsten mit Hilfe von ge­ eigneten Wandlern, im Falle von optischer Strahlung elek­ trooptischen Wandlern bestimmt, deren elektrisches Ausgangs­ signal proportional der auf den Detektor einfallenden Strah­ lungsleistung ist. Jedoch werden bei den bekannten Verfahren die Wellenlänge und die Strahlungsleistung voneinander unab­ hängig bestimmt.

Bekannte Verfahren zur Messung der Wellenlänge einer Strah­ lung basieren auf der bekannten Erscheinung von Beugungs­ oder Interferenzeffekten. In Fig. 1a ist eine Anordnung zur Durchführung eines derartigen bekannten Verfahrens gezeigt. Bei der in Fig. 1a gezeigten Anordnung gelangt ein Prisma zur Anwendung, wobei eine Strahlung 1 mit parallelem Strah­ lungsverlauf auf das Prisma 2 auftrifft und gebrochen wird, da das Prisma einen höheren Brechungsindex aufweist als das Medium, in welchem die Strahlung parallel verläuft. Der Strahlungsanteil mit kürzerer Wellenlänge wird dabei stärker gebrochen als der Strahlungsanteil mit größerer Wellenlänge. Auf der Ebene 4 kann daher der kurzwellige Anteil der Strah­ lung (z.B. blaues Licht bei optischer Strahlung) in der Richtung 5 detektiert werden, während der langwelligere Strahlungsanteil (rotes Licht) in der Richtung 6 detektiert werden kann.

Ein weiteres bekanntes Verfahren unter Verwendung eines Beu­ gungsgitters zeigt Fig. 1b. Von einem Beugungsgitter 3, das im einfachsten Fall auch nur von einem Spalt gebildet sein kann, wird ein einfallender Strahl 1 derart gebeugt daß auf einer Ebene 4 der langwelligere Strahlungsanteil in Richtung 6, jedoch der kurzwelligere Strahlungsanteil in Richtung 5 detektiert werden kann. Bei beiden bekannten Verfahren wer­ den die verschiedenen Wellenlängen einer Strahlung entlang einer Strecke abgebildet.

Unter Hinweis auf Fig. 2 sei im folgenden auch kurz die be­ kannte Wellenlängenbestimmung mittels der Interferenzer­ scheinung mit Hilfe des sogenannten Michelson-Interferome­ ters erläutert. Ein paralleler Lichtstrahl 1 wird mit Hilfe einer Strahlungsteilerplatte oder an einem Strahlungsteiler­ würfel 2 in wenigstens zwei Teilstrahlen aufgeteilt. Diese Teilstrahlen werden über zwei Spiegel 3 und 4 in sich zu­ rückreflektiert, so daß sie sich an der strahlteilenden Schicht von 2 wiedervereinigen. Ein Teil der wiederverei­ nigten Strahlung breitet sich jedoch entgegen dem einfallen­ den Strahl 1 aus, während der andere Strahlungsteil mit Hil­ fe des Detektors 5 angewiesen werden kann. Wird nun einer der Spiegel, z.B. der Spiegel 4 parallel zur Richtung der Strahlausbreitung bewegt, so tritt an dem Detektor 5 abwech­ selnd eine konstruktive und destruktive Interferenz auf, so­ fern die Strahlung kohärent ist. Die Wellenlänge ist nun proportional dem Verstellweg des Spiegels und umgekehrt pro­ portional der Anzahl der am Detektor gezählten Hell/Dunkel- Perioden. Mit Hilfe dieses Verfahrens kann nur monochroma­ tische Strahlung analysiert werden, also keine Strahlung, die aus einem Gemisch verschiedener Wellenlängen besteht.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht darin, ein Verfahren zur Wellenlängen- und Leistungsmessung einer Strahlung der angegebenen Gattung und eine Anordnung zur Durchführung dieses Verfahrens zu schaffen, die es erlaubt, mit besonders geringem technischen Aufwand gleichzeitig eine Strahlungsleistungs- und Wellenlängenschwerpunktmes­ sung vorzunehmen, wie dies beispielsweise zur genauen Re­ gelung einer Laserdiode erforderlich ist.

Ausgehend von dem Verfahren der eingangs genannten Art wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß wenigstens zwei Strahlungsdetektoreinrichtungen mit voneinander unter­ schiedlichem spektralen Empfindlichkeitskennlinienverlauf mit der gleichen zu messenden Strahlung beaufschlagt wer­ den und daß die von den wenigstens zwei Strahlungsdetektor­ einrichtungen erzeugten elektrischen Ausgangssignale mit­ einander verglichen werden, um das leistungsabhängige und ein wellenlängenabhängiges elektrisches Signal zu erzeugen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens kann gleichzei­ tig eine Strahlungsleistungsmessung und eine Wellenlängen­ schwerpunktmessung besonders einfach durchgeführt werden.

Die Auswertung der von den Strahlungsdetektoreinrichtungen erzeugten Ausgangssignale erfolgt in vorteilhafter Weise der­ art, daß die Differenz zwischen diesen Ausgangssignalen ge­ bildet wird, wobei das durch die Differenzbildung erhaltene Signal als Rückkopplungssignal eines Regelkreises zur Wel­ lenlängenstabilisierung, insbesondere einer Laserdiode, ver­ wendet werden kann.

Ein normiertes wellenlängenbezogenes Ausgangssignal kann da­ durch erhalten werden, daß man nach der Differenzbildung der Detektorausgangssignale das dabei erhaltene Differenzsignal durch eines der Detektorausgangssignale dividiert.

Sowohl das leistungsproportionale elektrische Signal als auch das wellenlängenproportionale elektrische Signal kann zweckmäßigerweise als Rückkopplungssignal eines Regelkrei­ ses zur Wellenlängenstabilisierung verwendet werden. Bei einer Reihe von Anwendungen, wie beispielsweise der Rege­ lung einer Laserdiode ist es lediglich erforderlich, einen Wellenlängenschwerpunkt des ohnehin schmalbandigen Wellen­ längenbereiches zu ermitteln.

Mit Hilfe des Rückkopplungssignals kann zweckmäßigerweise ein Stellglied verstellt werden, wobei die Detektorausgangs­ signale über das Stellglied derart verstärkt oder auch ge­ dämpft werden können, daß das Rückkopplungssignal zu Null wird.

Die Erfindung betrifft auch eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens, die als wesentliche Merk­ male zwei Strahlungsdetektoreinrichtungen enthält, die einen unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeitskennlinienver­ lauf aufweisen. Diese Strahlungsdetektoreinrichtungen sind so angeordnet, daß sie die Strahlung einer gemeinsamen Strah­ lungsquelle aufnehmen, wobei die von den Strahlungsdetektor­ einrichtungen abgegebenen Ausgangssignale mit Hilfe einer Auswerteschaltung ausgewertet werden, die ein leistungsbezo­ genes und eine wellenlängenbezogenes elektrisches Signal aus den Ausgangssignalen der Strahlungsdetektoreinrichtungen er­ zeugt.

Beide Strahlungsdetektoreinrichtungen können zweckmäßiger­ weise aus einer Photodiode bestehen, wobei jedoch einer Photodiode ein optisches Filter vorgeschaltet ist, durch welches bestimmte Wellenlängenbereiche einer zu messenden Strahlung ausgeblendet werden. Das dabei verwendete optische Filter ist so ausgebildet bzw. ausgewählt, daß der vom Fil­ ter durchgelassene Wellenlängenbereich bzw. der Meßbereich auf der ansteigenden oder abfallenden Filterflanke des Fil­ ters liegt. Dadurch wird erreicht, daß der Empfindlichkeits­ kennlinienverlauf der einen Strahlungsdetektoreinrichtung innerhalb des Wellenlängenmeßbereiches entweder im wesentli­ chen linear abfällt oder linear ansteigt. Das verwendete op­ tische Filter kann auch aus einem Tageslichtsperrfilter be­ stehen.

Schließlich besteht auch die Möglichkeit, zur weiteren Ein­ grenzung eines Wellenlängenschwerpunktes wenigstens eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung mit unterschiedlicher Steigung der im wesentlichen linear abfallenden oder linear ansteigenden Empfindlichkeitskennlinie innerhalb des Wellen­ längenbereichs vorzusehen. Die Aufteilung von Strahlungsan­ teilen der Strahlung einer Strahlungsquelle erfolgt zweck­ mäßigerweise mit Hilfe eines Diffusors.

Die Anordnung nach der vorliegenden Erfindung ist insbeson­ dere für eine Regeleinrichtung einer Laserdiode ausgelegt.

Die Erfindung ist allerdings nicht auf den optischen Bereich beschränkt, sondern das Verfahren und die Anordnung gemäß der vorliegenden Erfindung können in einem breiteren Bereich elektromagmetischer Strahlung eingesetzt werden, wobei dann die verwendeten Elemente dem gewünschten Wellenlängenbereich entsprechend ausgewählt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Hinweis auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 und 2 bekannte Anordnungen zur Wellenlängen- und Leistungsmessung einer Strahlung;

Fig. 3 eine graphische Darstellung des Kennlinien­ verlaufs der zwei Strahlungsdetektoreinrich­ tungen;

Fig. 4 eine Anordnung zur Durchführung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens; und

Fig. 5 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Anord­ nung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Anordnungen liefern mit sehr geringem technischen Aufwand sowohl ein leistungsab­ hängiges elektrisches als auch ein wellenlängenabhängiges elektrisches Signal. Benötigt werden derartige Signale z.B. zur Regelung von Laserdioden, bzw. zur Korrektur der mit Hilfe von Laserdioden vorgenommenen Messungen. Es läßt sich auch mit besonders geringem Aufwand ein Wellenlängenver­ gleich verschiedener Laserdioden mit Hilfe der gezeigten Anordnungen realisieren. Über eine einfache Kalibrierein­ richtung ist eine absolute Wellenlängenzuordnung ebenso mög­ lich. Die in Fig. 4 gezeigte Anordnung besteht im wesentli­ chen aus zwei Strahlungsdetektoreinrichtungen 4, 4′, die gewöhnliche Photodioden enthalten, mit denen normalerweise nur die Strahlungsleistung gemessen wird. Jedoch ist bei der gezeigten Anordnung einer der Photodioden 4′ ein optisches Filter 5 vorgeschaltet, welches einen bestimmten Wellen­ längenbereich, der beispielsweise für einen Regelvorgang nicht von Interesse ist, ausblendet. Das optische Filter ist dabei so ausgewählt, daß der interessierende Wellenlängen­ meßbereich auf einer der Filterflanken (entweder der anstei­ genden oder der abfallenden Filterflanke) gelegen ist, wo­ durch erreicht wird, daß die spektrale Empfindlichkeit der beiden Detektoren im interessierenden Wellenlängenbereich unterschiedlich ist. In Fig. 3 ist dies mittels zweier idealisierter Empfindlichkeitskurven dargestellt. Auf der Ordinate 1 ist die spektrale Empfindlichkeit aufgetragen, während auf der Abszisse 2 die Wellenlänge aufgetragen ist. Die Empfindlichkeit des ersten Detektors 4 ist in dem in­ teressierenden Wellenlängenbereich 5-6 im wesentlichen konstant, während jedoch die Empfindlichkeit der zweiten Strahlungsdetektoreinrichtung 4′ bei dem gezeigten Aus­ führungsbeispiel linear mit zunehmender Wellenlänge ab­ nimmt. Das Verhältnis der beiden Detektorausgangssignale, normiert auf eine bestimmte Strahlungsleistung, die bei­ spielsweise direkt vom ersten Detektor 4 geliefert wer­ den kann, ist der Wellenlänge direkt proportional. Für ein Rückkopplungssignal zur Nachregelung der Wellenlänge z.B. bei Laserdioden, ist sogar lediglich eine Differenzbildung der Detektorsignale erforderlich. Die gezeigte Anordnung bzw. das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung liefert somit eine Aussage über einen Wellenlängenschwerpunkt, wo­ bei also ein breitbandiges Wellenlängengemisch nicht aufge­ trennt wird, wie das bei dem bekannten Beugungsverfahren der Fall ist. Bei dem gezeigten Ausführungsbeipiel, wel­ ches speziell für die Regelung von Laserdioden verwendet werden kann, ist nur ein Schwerpunkt des ohnehin schmalban­ digen Wellenlängenbereiches von Interesse.

Bei der in Fig. 4 gezeigten Anordnung gelangt eine zu mes­ sende Strahlung 1 zunächst zu einer Strahlteilungsein­ richtung, beispielsweisein Form eines Diffusors 2, so daß die zu messende Strahlung in zwei Teilstrahlen 3 und 3′ auf­ geteilt wird. Bei einer stark divergierenden Strahlung oder bei Vorhandensein von Streulicht ist die Strahlaufteilung ohnehin schon gegeben. Es muß dabei jedoch sichergestellt werden, daß die Teilstrahlen 3 und 3′ die gleiche Wellen­ länge haben und auch ein konstantes Leistungsverhältnis während der Messung ha­ ben. Der erzeugte Strahlanteil 3 gelangt direkt auf den Strahlungsdetektor 4, während der Strahlanteil 3′ zu­ nächst über ein Filter 5 geleitet wird und erst dann auf den Strahlungsdetektor 4′ auftrifft. Die von den Strah­ lungsdetektoren 4 und 4′ gelieferten Ausgangssignale 7 und 8 werden in einer Auswerteschaltung 9 ausgewertet bzw. verarbeitet. Die Auswertung der Signale kann auf sehr verschiedene Weise erfolgen, beispielsweise im Sinne der zu­ vor erwähnten Differenzbildung und dem zuvor erläuterten Tei­ lungsvorgang, so daß an einem Ausgang der Auswerteschaltung 9 bei 10 ein leistungsabhängiges elektrisches Signal er­ halten werden kann und am Ausgang 11 der Auswerteschaltung 9 ein wellenlängenabhängiges Signal zur Verfügung steht. Diese Signale können entweder zur Anzeige gebracht werden oder weiterverarbeitet werden, beispielsweise zur Regelung von Laserdioden.

Fig. 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei bei der Anordnung nach Fig. 5 alle Elemente, die auch bei der Anord­ nung nach Fig. 4 vorhanden sind, mit den gleichen Bezugszei­ chen bezeichnet sind. Bei der Ausführungsform nach Fig. 5 besteht die Strahlungsdetektoreinrichtung 4′′ aus einer Ein­ heit, die eine Photodiode und ein Filter, z.B. ein Tages­ lichtfilter, enthält. Dabei liegt die Filterflanke des Ta­ geslicht-Sperrfilters in dem zu betrachtenden Wellenlängen­ bereich. Mit 4 ist eine gewöhnliche Photodiode bezeichnet.

Das Filter 5 hat bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel folgende Aufgabe zu erfüllen:.

Die Funktion des Verhältnisses der spektralen Empfindlichkei­ ten beider Detektoren muß in dem zu betrachtenden Wellenlän­ genbereich monoton sein, damit die Wellenlängenzuordnung ein­ deutig ist.

Die Auswerteschaltung 9 kann besonders einfach aufgebaut sein. Beispielsweise kann bei dem gezeigten Ausführungsbei­ spiel das leistungsabhängige Signal 10 direkt das Ausgangs­ signal des Strahlungsdetektors 4 sein, während das wellen­ längenabhängige Signal 11 durch ein einfaches Subtrahier­ glied erhalten werden kann, um die Ausgangssignale 7 und 8 der Strahlungsdetektoreinrichtungen voneinander zu subtrahie­ ren. Diese so erhaltenen Signale sind für eine Regelung voll­ ständig ausreichend. Eine weitere Division durch das lei­ stungsabhängige Signal 7 führt dazu, daß das Signal 11 aus einem reinen wellenlängenabhängigen Signal besteht.

Durch die vorliegende Erfindung wird somit ein Verfahren und eine Anordnung geschaffen, die für spezifische Anwendungsfäl­ le, wie beispielsweise für Regelungs- oder Steuerungsaufgaben, besonders vorteilhaft mit geringem technischem Aufwand einge­ setzt werden können.

Für einen Fachmann sind eine Reihe von Abwandlungen und Ände­ rungen möglich, ohne jedoch dadurch den Rahmen der vorliegen­ den Erfindung zu verlassen. So ist es beispielsweise möglich, zur genaueren Eingrenzung eines Wellenlängenschwerpunktes we­ nigstens eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung mit un­ terschiedlicher Steigung der im wesentlichen linear abfallen­ den oder linear ansteigenden Empfindlichkeitskennlinie inner­ halb des interessierenden Wellenlängenmeßbereiches vorzuse­ hen, wobei durch Kombination des Ausgangssignals dieses wei­ teren Strahlungsdetektors mit dem Ausgangssignal der übrigen Strahlungsdetektoren unterschiedliche Regelaufgaben oder Steueraufgaben gelöst werden können oder auch genauere Wellen­ längenmessungen vorgenommen werden können. Auch ist die vor­ liegende Erfindung nicht auf die Verwendung von zwei oder drei Strahlungsdetektoreinrichtungen beschränkt.

Claims (15)

1. Verfahren zur Leistungsmessung einer Strahlung, insbeson­ dere mit schmalbandigem Wellenlängenbereich, unter Verwen­ dung einer Strahlungsdetektoreinrichtung, die mit der Strah­ lung beaufschlagt wird und wenigstems ein leistungsabhängi­ ges elektrisches Signal erzeugt, dadurch ge­ kennzeichnet, daß wenigstens zwei Strahlungs­ detektoreinrichtungen (4, 4′ + 5; 4, 4′′) mit voneinander un­ terschiedlichem spektralen Empfindlichkeitskennlinienver­ lauf mit der gleichen zu messenden Strahlung (1) beauf­ schlagt werden und daß die von den wenigstens zwei Strah­ lungsdetektoreinrichtungen (4, 4′ + 5; 4, 4′′) erzeugten elek­ trischen Ausgangssignale (7, 8) miteinander verglichen werden, um das leistungsabhängige und ein wellenlängenab­ hängiges elektrisches Signal zu erzeugen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Differenz zwischen den Ausgangssignalen der Strahlungsdetektoreinrichtungen gebil­ det wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das durch die Differenzbil­ dung erhaltene Signal als Rückkopplungssignal eines Regel­ kreises zur Wellenlängenstabilisierung, insbesondere einer Laserdiode,verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß nach der Differenzbil­ dung der Detektor-Ausgangssignale das dabei erhaltene Dif­ ferenzsignal durch eines der Detektor-Ausgangssignale (7 oder 8) dividiert wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß sowohl das leistungsproportionale elektrische Signal als auch das wel­ lenlängenproportionale elektrische Signal als Rückkopplungs­ signal eines Regelkreises zur Wellenlängenstabilisierung verwendet wird.

6. Verfahren nach Anspruch 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe des Rückkopp­ lungssignals ein Stellglied verstellt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß über das Stellglied die De­ tektorausgangssignale derart verstärkt oder gedämpft werden, daß das Rückkopplungssignal zu Null wird.

8. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch wenigstens zwei Strahlungsdetektoreinrichtungen (4, 4′ + 5; 4, 4′′) mit unterschiedlichem spektralen Empfindlich­ keitskennlinienverlauf, die so angeordnet sind, daß sie die Strahlung (1) einer gemeinsamen Strahlungsquelle aufnehmen, und durch einen an die Ausgänge der Strahlungsdetektorein­ richtungen angeschlossene Auswerteschaltung (9), die ein leistungsbezogenes und ein wellenlängenbezogenes elektri­ sches Signal aus den Ausgangssignalen der Strahlungsdetek­ toreinrichtungen (4, 4′; 4, 4′′) erzeugt.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß eine der Strahlungsdetektor­ einrichtungen (4) aus einer normalen Photodiode besteht, während die andere Strahlungsdetektoreinrichtung (4′ + 5; 4′′) aus einer Photodiode mit vorgeschaltetem optischem Filter (5) besteht, durch das bestimmte Wellenlängenbereiche aus­ geblendet werden.

10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das optische Filter (5) so ausgebildet ist, daß der vom Filter durchgelassene Wellen­ längenbereich (Meßbereich) auf der ansteigenden oder ab­ fallenden Filterflanke liegt.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß die Emp­ findlichkeit der einen Strahlungsdetektoreinrichtung (4) in dem Wellenlängenmeßbereich konstant ist und daß die Emp­ findlichkeit der anderen Strahlungsdetektoreinrichtung (4′ + 5; 4′′) innerhalb des Wellenlängenmeßbereiches im wesentli­ chen linear abfällt oder linear ansteigt.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß der anderen Strahlungsdetekoreinrichtung (4′; 4′′) ein Tageslichtsperr­ filter vorgeschaltet ist oder daß die Strahlungsdetektorein­ richtung (4′′) ein Tageslichtsperrfilter enthält.

13. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß zwischen Strahlungsquelle und den Strahlungsdetektoreinrichtungen (4, 4′; 4, 4′′) ein Diffusor (2) angeordnet ist.

14. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 13, da­ durch gekennzeichnet, daß wenigstens eine weitere Strahlungsdetektoreinrichtung mit unterschied­ licher Steigung der im wesentlichen linear abfallenden oder linear ansteigenden Empfindlichkeitskennlinie innerhalb des Wellemlängenmeßbereiches vorgesehen ist.

15. Anordnung nach einem der Ansprüche 8 bis 14, da­ durch gekennzeichnet, daß die Anord­ nung Bestandteil einer Regeleinrichtung einer Laserdiode ist.