DE3903943C2

DE3903943C2 - Verfahren und Vorrichtungen zur Untersuchung der relativen Strahlungsflußdichte elektromagnetischer Strahlen insbesondere Gaußscher Laserstrahlen

Info

Publication number: DE3903943C2
Application number: DE19893903943
Authority: DE
Inventors: Gustav Prof Dipl Ing Schweiger
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1989-02-10
Filing date: 1989-02-10
Publication date: 1994-08-04
Anticipated expiration: 2009-02-11
Also published as: DE3903943A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Untersuchung der relativen Strahlungsflußdichte in elektromagnetischen Strahlen, insbesondere zur Bestimmung des Radius Gaußscher Laser strahlen und verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens.

Verschiedene Verfahren sind bekannt, um die Strahlungsflußdichteverteilung senkrecht zur Ausbreitungsrichtung und damit auch den Strahlradius zu messen. Bei hinreichend großem Verhältnis von Strahldurchmesser und Detektor wird der Detektor systematisch durch den Strahl verfahren und so die Ortsabhängigkeit der Strahlungsflußdichte vermessen. Statt eines Detektors werden auch Detektorfelder verwendet, die eine Messung gleichzeitig an verschie denen Orten im Strahl erlauben. Erhebliche Probleme treten auf, wenn der Strahldurchmesser kleiner wird als die verfügbaren Detektoren. Dies ist vor allem bei kohärenten Strahlen so, weil diese auf sehr kleine Durchmesser fokussiert werden können. Auch hierfür sind eine Reihe von Verfahren bekannt. Den meisten Verfahren ist gemeinsam, daß an der Stelle, an der der Strahl vermessen werden soll, ein Gegenstand bekannter Form und Abmessung mit bekannter Geschwindigkeit durch den Strahl bewegt wird und die Intensität der von diesem Gegenstand gestreuten Strahlung oder von dem Gegenstand nicht ausgeblendeten oder abge schwächten Strahlung, die die Ebene des Gegenstandes passiert, gemessen wird. Als Gegen stand werden ein oder mehrere Lochblenden, Drähte, Gitterstreifen, Spalte oder Schneiden verwendet. Bei allen Verfahren muß die Intensität als Funktion der Orte des Gegenstandes relativ zum Strahl gemessen werden. Dies bedeutet, daß der Detektor einen großen dynami schen Bereich erfassen muß, wie bei der Verwendung einer Schneidenkante (knife-edge) besonders deutlich wird. Hier wird der von einer Schneide nicht ausgeblendete Strahlungsfluß gemessen, der dynamische Bereich muß also von völliger Auslöschung bis zur völligen Transmission des Strahles reichen. Besonders kleine Strahlradien erreicht man mit Laserlicht, deren Strahlprofil häufig ein sog. Gaußprofil aufweist. Die Messung des Radius charakteri siert in diesem Fall eindeutig die relative Strahlungsflußdichteverteilung. Verschiedene Verfahren zur Messung des Radius von Gaußschen Lichtstrahlen, wozu sich erfindungsgemäß das vorgeschlagene Verfahren besonders eignet, werden daher in der Literatur vorgeschlagen. Eine undurchsichtige ebene Fläche mit scharfer Kante (Schneide) wird durch den Lichtstrahl bewegt und das die Ebene passierende Licht wird als Funktion der Lage dieser Kante regi striert (knife-edge Verfahren) (J.M. Kosrofian and B.A. Garetz, Appl. Opt. 22 (1983) pp 3406-3410; D.K. Cohen, B. Little, and F.S. Luecke, Appl. Opt. 23(1984) pp 637-640). Anstatt der Kante kann auch ein Spalt (R.L. McCally, Appl. Opt. 23 (1984) p 2227) oder ein Gitter (Ronchi-Gitter) verwendet werden, (J.M. Kosrofian and B.A. Garetz, Appl. Opt. 22 (1983) pp 3406-3410; M.A. Karim, A.A.S. Awwal, A.M. Nasiruddin, A. Basit, D.S. Vedak, C.C. Smith, and C.D. Miller, Opt. Lett. 12 (1987) pp 93-95). Auch Anordnungen, bei denen das reflektierte Licht gemessen wird, wurden vorgeschlagen (D.K. Cohen, B. Little, and F.S. Luecke, Appl. Opt. 23 (1984) pp 637-640; S. Kimura and C. Munakata, Opt. Lett. 12 (1987) pp 552-554, sowie DE 82 27 494 U1. Statt eines Spaltes können auch eine oder mehrere Lochblenden verwendet werden, (K. Uehara and H. Kikuchi, Appl. Opt. 25 (1986) pp 4514-4516), auch Gitter können eingesetzt werden, (M.T. Gale and H. Meier, RCA Rev. 46 (1985). Allen diesen Verfahren gemeinsam ist, daß an der Stelle, wo der Strahl vermessen werden soll, ein Gegenstand bekannter geometrischer Gestalt durch den Strahl bewegt und die Stärke der reflektierten oder transmittierten Strahlen gemessen wird. Die Genauigkeit der Messung hängt direkt mit der Genauigkeit zusammen, mit der diese Gegen stände gefertigt werden können und mit der deren Abmessungen bekannt sind. Außerdem ist der dynamische Bereich, also der Durchmesserbereich, in dem ein und dasselbe Verfahren eingesetzt werden kann, beschränkt, und schließlich ist in allen Verfahren eine Messung der relativen Intensität als Funktion der Position der Schneide, Blende etc. erforderlich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Untersuchung elektromag netischer Strahlen aufzuzeigen und verschiedene Vorrichtungen zur Durchführung des Verfahrens zu beschreiben, wodurch es möglich wird:

a) den Taillenradius eines kohärenten Gaußschen Strahles zu bestimmen, ohne dessen Lage genau zu kennen,
b) den Taillenradius eines Gaußschen Laserstrahles zu bestimmen, ohne die geometri schen Strukturen (Blendendurchmesser, Spaltbreite, Form der Schneidenkante, Abmessungen eines Stabes oder Drahts) der in den Strahl gebrachten Fläche zu kennen,
c) den Taillenradius Gaußscher Strahlen zu bestimmen, ohne daß ein Teil der Strahlen ausgeblendet wird,
d) den Taillenradius eines Gaußschen Strahles in einem großen Bereich mit einer einzigen Vorrichtung zu bestimmen,
e) den Taillenradius eines Gaußschen Strahles mit einem Detektor zu bestimmen, dessen dynamischer Bereich wesentlich kleiner als bei der Schneidemethode sein kann,
f) auch andere als Gaußsche Strahlen zu untersuchen,
g) die Geschwindigkeit der Streufläche ebenfalls mit dem gleichen Verfahren zu bestim men,
h) Deformationen der Wellenfronten in einem kohärenten Gaußschen Strahl auch bei den Strahlradien in der Größenordnung der Wellenlänge dieses Strahls zu bestimmen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß eine Streufläche in den elektromag netischen Strahl gebracht wird. Elektromagnetischer Strahl und Streufläche bewegen sich relativ zueinander. Die Streueigenschaft der Streufläche weist eine statistische Ortsabhängig keit auf (z.B. aufgrund von Oberflächenrauhigkeiten, Dicken- oder Brechzahlinhomo genitäten). Die Strahlungsflußdichte der zu untersuchenden Strahlen ist ortsabhängig. Bewegt sich die Streufläche relativ zum Strahl, so ändert sich aufgrund der Ortsabhängigkeit der Strahlungsflußdichte des einfallenden Strahles die Stärke der Streustrahlung. Der Gradient dieser Änderung hängt von der Relativgeschwindigkeit der Streufläche und der Strahlungs flußdichteverteilung des zu untersuchenden Strahles ab. Da die Streueigenschaften der Streu fläche statistischer Natur sind, sind auch die Fluktuationen der Streustrahlung statistisch. Das zeitliche Verhalten dieser Fluktuationen kann mit bekannten Methoden der Statistik unter sucht werden (Messen der Zeitautokorrelationsfunktion, Strukturfunktion etc.). Aus der Messung dieser Zeitabhängigkeit und der Kenntnis der Relativgeschwindigkeit kann auf die Verteilung der Strahlungsflußdichte geschlossen werden. Es empfiehlt sich, als Streufläche eine Ausführung nach Anspruch 3 zu wählen.

Besonders einfach gestaltet sich die Anwendung der Erfindung zur Messung des Taillenradius Gaußscher kohärenter Strahlen (Fokusradius).

Die Fig. 1 bis 3 zeigen jeweils eine besonders bevorzugte Ausführungsform der Neuerung. Es zeigt

Fig. 1 eine neuerungsgemäße Vorrichtung, bei der sich der - das an der Oberfläche einer sich drehenden Scheibe mit statistisch über die Oberfläche verteilten Streueigenschaften gestreute Licht - aufnehmende Detektor auf der gleichen Seite wie der auf die Scheibe fallende Lichtstrahl befindet. Die rotierende Scheibe steht senkrecht zu der vom einfal lenden und gestreuten, den Detektor erreichenden Streulicht, aufgespannten Fläche.

Fig. 2 eine neuerungsgemäße Vorrichtung, bei der der Detektor, der das Streulicht aufnimmt, und der zu analysierende einfallende Lichtstrahl auf jeweils einer anderen Seite der Streuscheibe liegen. Die Streuscheibe ist in diesem Fall transparent, so daß Streulicht, das unter einem Streulichtwinkel R<90° gestreut wurde, registriert und ausgewertet werden kann. Der Streuprozeß wird durch die optischen Eigenschaften einer der beiden Oberflächen der Scheibe bestimmt.

Fig. 3 zeigt eine neuerungsgemäße Vorrichtung, bei der das um 180° gestreute Licht durch einen teildurchlässigen Spiegel aus dem Strahlengang des einfallenden Lichtstrahles ausgelenkt und dem Detektor zugeführt wird.

Man wählt eine der in Fig. 1 bis 3 dargestellten Konfigurationen, wobei die Streufläche, eine Scheibe gemäß Anspruch 15 oder ein um seine Achse rotierender Zylinder gemäß Anspruch 16, ungefähr an den Ort der Taille gebracht wird. Die Streulichtoptik (z. B. der Durchmesser von das Streulichtbündel begrenzenden Blenden) wird so gewählt, daß Streulicht möglichst aus dem ganzen vom Strahl auf der Streufläche beleuchteten Gebiet auf den Detektor fällt. Der Öffnungswinkel wird dabei so gewählt, daß Streulicht aus etwa einem Kohärenzvolumen analysiert wird. Mißt man die Zeitautokorrelationsfunktion G(τ) des Streulichtes, so hat diese bei einem Gaußschen Strahl die Form

wobei v die Relativgeschwindigkeit zwischen Lichtstrahl und Streufläche, w der Taillenradius und τ die Zeit bedeutet. A und B sind Konstanten. Aus dieser Gleichung kann bei bekanntem v leicht der Taillenradius w ermittelt werden. Hierbei ist w nicht der Strahlradius am Ort der Streufläche, sondern an dem Ort, wo die Wellenfronten senkrecht zur Ausbreitungsrichtung stehen, also in der Strahlentaille. Die theoretische Begründung hiefür findet sich bei T.W. Taylor und Ch.M. Sorensen, Appl. Opt. (1986) 25, pp 2421-2426, die hier auf die Messung der Strahltaille mit dem beschriebenen Verfahren angewendet wird. Die Genauigkeit des Verfahrens hängt in erster Linie von der Genauigkeit der Messung der Zeitautokorrelationsfunktion ab. Die Methode hat einen großen dynamischen Bereich. Es können sehr kleine Strahlradien vermessen werden (im Submycronbereich) oder auch wesent lich größere. Auch die Geschwindigkeit der Streufläche kann gemäß Anspruch 11 mit diesem Verfahren gemessen werden. Dazu braucht die Zeitautokorrelationsfunktion nur über einen Zeitraum der Größenordnung einer Umdrehung der Streufläche gemessen werden. Da nach einer Umdrehung der gleiche Bereich der Streufläche in den elektromagnetischen Strahl gelangt, ist die Korrelationsfunktion periodisch mit der Periodendauer gleich 1/Frequenz der Streufläche.

Erfindungsgemäß kann das Verfahren auch zur Messung des Strahlradius am Ort der Streufläche angewendet werden, wenn die inkohärente Streustrahlung analysiert wird. Da es dann keine Interferrenzeffekte im Streulicht zwischen Gebieten, die von unterschiedlichen Bereichen des Strahles getroffen werden, gibt, spielt die Krümmung der Wellenfronten keine Rolle und die Messung ergibt den lokalen Strahlradius. Will man den lokalen Strahlradius eines kohärenten Strahles bestimmen, so wird nach Anspruch 7 eine Streufläche verwendet, an der inkohärente Strahlung entsteht, wenn sie vom zu untersuchenden Strahl getroffen wird.

Deformationen der Wellenfront in einem Gaußschen Strahl lassen sich dadurch feststellen, daß nach Anspruch 9 der Strahlradius an mindestens zwei Stellen in der Umgebung der Strahltaille gemessen wird. Stimmen die Radien überein, so ist die Wellenfront nicht defor miert. Wird die Messung nach Anspruch 9 ausgeführt, so dürfen die gemessenen Radien nur in der Strahltaille gleich sein, wenn die Wellenfront nicht deformiert ist.

Claims

1. Verfahren zur Untersuchung der relativen Strahlungsflußdichte elektromagnetischer Strahlen, insbesondere Gaußscher Laserstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß ein die elektromagnetische Strahlung streuender Körper, dessen Streueigenschaft eine statistische Ortsabhängigkeit aufweist, in den Strahl gebracht wird und zwar so, daß der Strahl vollständig auf den Streukörper fällt, der sich relativ zur Achse des Strahls bewegt, die gestreute Strahlung registriert und die statistischen Fluk tuationen der gestreuten Strahlung analysiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeitautokorrelations funktion der gestreuten Strahlung gemessen oder aus der Messung berechnet wird und daraus die Strahlungsflußdichteverteilung im Strahl bestimmt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum der gestreuten Strahlung gemessen oder aus der gemessenen Streustrahlung berechnet wird und daraus die relative Strahlungsflußdichte in einem Querschnitt des Strahles ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strukturfunktion der gestreuten Strahlung gemessen oder aus der gemessenen Strahlung berechnet wird und daraus die relative Strahlungsflußdichte in einem Querschnitt des Strahles ermittelt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die rück wärts gestreute Strahlung, die durch einen Strahlteiler aus dem Strahlengang ausge koppelt wird, analysiert wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die inko härent gestreute Strahlung analysiert wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugs weise die durch inelastische Prozesse am Streukörper erzeugte Strahlung analysiert wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die elastisch gestreute, als auch die inelastisch gestreute Strahlung gemessen und ausgewertet wird und daraus die Divergenz des Strahles bestimmt wird.

9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die elastisch gestreute als auch die inelastisch gestreute Strahlung gemessen und ausgewertet wird, um die Deformation der Wellenfront des Lichtstrahles zu bestimmen.

10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß Streulicht nur aus einem Teilbereich des beleuchteten Streukörpers analysiert wird.

11. Verfahren nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Rotationsfre quenz des Streukörpers über die Korrelationsfunktion ermittelt wird.

12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, welche ein optisches Abbildungssystem, einen Streukörper, dessen Streueigenschaft eine statistische Ortsabhängigkeit aufweist und der so angeordnet ist, daß der Strahl vollständig auf ihn fällt und der sich relativ zur Strahlachse bewegt, einen Detektor und einen Korrelator aufweist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß vorzugsweise auf den Streukörper eine feinkörnige Streuschicht z. B. eine Farbpigmentschicht aufgebracht wird, deren Korngröße kleiner oder ungefähr gleich der Wellenlänge der zu unter suchenden Strahlung ist oder wenigstens kleiner als der Strahlradius.

14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß als Streukörper ein für die elektromagnetische Strahlung transparenter Streukörper verwendet wird.

15. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukör per eine um ihre Achse rotierende Scheibe ist.

16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Streukör per ein um seine Achse rotierender Zylinder ist.