DE4009826C2

DE4009826C2 - Meßvorrichtung für die Energie gepulster Laserstrahlung

Info

Publication number: DE4009826C2
Application number: DE4009826A
Authority: DE
Inventors: Hubert Von Berg; Frank Dr Vos
Original assignee: Lambda Physik AG
Current assignee: Lambda Physik AG
Priority date: 1990-03-27
Filing date: 1990-03-27
Publication date: 1999-02-11
Anticipated expiration: 2010-03-28
Also published as: DE4009826A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Meßvorrichtung für die Energie gepulster Laserstrahlung, insbesondere UV- und WV-Laserstrah lung, mit einem pyroelektrischen Detektor.

Pyroelektrische Detektoren sind in der Lasertechnik bekannt, z. B. W. Bohmeyer e. a. "Optoelektronik in der Technik: Vorträge des 7. Internationalen Kongresses Laser 85", Hrsg.: W. Waide lich, Springerverlag, 1985, S. 158.

Der pyroelektrische Effekt beruht darauf, daß bestimmte Kri stalle bei Temperaturänderungen entgegengesetzte Ladungen an ihren Grenzflächen zeigen.

Pyroelektrische Detektoren gehören also zu den thermischen De tektoren und besitzen einige Vorteile gegenüber Quantendetekto ren. Aufgrund der Umwandlung der Strahlungsenergie in Wärme energie arbeiten pyroelektrische Detektoren im wesentlichen wellenlängenunabhängig. Dies ist insbesondere ein Vorteil ge genüber Photodioden, die eine starke Wellenlängenabhängigkeit der Empfindlichkeit zeigen und Fenster benötigen, die eigene Transmissionseigenschaften im UV und VUV aufweisen. Auch muß dort das Strahlbild verkleinert und gestreut werden. Weitere Nachteile von Photodioden als Detektorelemente für UV- und insbesondere VUV-Laserstrahlung liegen darin, daß sie bezüglich der geometrischen Anordnung und Justierung sehr empfindlich sind, daß Abschwächer erforderlich sind und daß die Abdichtung sehr aufwendig ist.

Das Dokument DE 89 06 627 U1 beschreibt eine Meßvorrichtung für die Energie eines gepulsten Laserstrahls mit einem pyroelektri schen Detektor, der von einer Streuscheibe gestreute Strahlung empfängt.

Die Erfindung setzt sich das Ziel, einen pyroelektrischen De tektor für die Energie gepulster UV- und VUV-Laserstrahlung zu schaffen, der mit wenig Aufwand eine hohe Meßgenauigkeit ermög licht.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß der pyroelektrische Detektor in einer Vakuumkammer gefedert aufge hängt ist.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Va kuumkammer gleichzeitig auch als elektrische Abschirmung für den pyroelektrischen Detektor ausgebildet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß ein elektrischer Anschluß zum Detektor in Form einer Kontaktfeder ausgebildet ist.

Der erfindungsgemäße Detektor ist (im Gegensatz zur Photodiode) geometrieunempfindlich und hat dank der federnden Aufhängung keine Körperschallempfindlichkeit.

Aufgrund der Anordnung des Detektors im Vakuum, bevorzugt im Hochvakuum, sind keine transmittierende Scheibe und kein Fluo reszensmittel (oder Phosphoreszensmittel) erforderlich. Auch wird kein Abschwächer für das UV- oder VUV-Licht benötigt. Mit dem erfindungsgemäßen Detektor ist ein Direktnachweis ohne Konversion (der Strahlung) möglich.

Der erfindungsgemäße pyroelektrische Detektor ist so ausgebil det, daß er im Hochvakuum angeordnet werden kann, was ihn für einen Einsatz bei VUV-Laserlicht geeignet macht, also insbeson dere bei Wellenlänger kleiner als 230 nm. Die erfindungsgemäße Anordnung ermöglicht die Verhinderung von Ozonbildung, Korro sion und Absorptionsverlusten durch Ozon. Die letztgenannten Vorteile empfehlen den erfindungsgemäßen Detektor auch für größere Wellenlängen. Sie verhindern überdies den Staubanfall auf den Strahlteilern, der während des Laserbetriebes nicht zu vermeiden ist und den Meßwert verfälschen kann.

Der erfindungsgemäße Detektor ermöglicht die Energiemessung über den vollen Strahlquerschnitt, ohne daß eine besondere Ab bildung des Strahls erforderlich ist. Es besteht ein einfacher proportionaler Zusammenhang zwischen der Energie der Laser strahlung und dem gewonnenen Meßsignal, wobei die Wellenlängen abhängigkeit des Signals extrem schwach ist. Das Signal ist nicht abhängig von einer genauen Justierung des Strahls oder der Komponenten der Meßeinrichtung.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigt:

Fig. 1 schematisch eine Meßeinrichtung für gepulste Laser strahlung mit einem pyroelektrischen Detektor;

Fig. 2 den pyroelektrischen Detektor in Seitenansicht und

Fig. 3 den pyroelektrischen Detektor in Draufsicht.

Pyroelektrische Detektoren zur Messung der Energie von gepul ster Laserstrahlung sind als solche bekannt, siehe insbesondere die eingangs genannte Literaturstelle und H. GÜNDEL u. a.: Laser 83 Optoelectronic, S. 90 (1984) Springerverlag; A. HADNI: J. Phys. E 14, 1233 (1981); H. LAI JULY u. a.: Solid State Tech nology, S. 165 (1984).

Fig. 1 zeigt schematisch die gesamte pyroelektrische Meßanord nung einschließlich eines Laserstrahls L, z. B. eines Excimer lasers, der in Richtung des Pfeiles P_f gerichtet ist. Die Meß anordnung besteht aus drei Hauptkomponenten: einer Reflexions kammer R, einem Gehäuse G für den pyroelektrischen Detektor P und einer Elektronikbox EB, in der elektrische Komponenten zur Auswertung des Meßsignals angeordnet sind.

In der Reflexionskammer R sind gemäß Fig. 1 zwei Spiegel U₁ und U₂ angeordnet, wobei der Umlenkspiegel U₁ eine hohe Transmis sion aufweist, so daß nur ein Teil des Laserstrahls L für Meß zwecke zum Umlenker U₂ reflektiert wird.

Aus der Reflexionskammer R gelangt der vom Laserstrahl L abge zweigte Meßstrahl, dessen Energie für die Energie des Laser strahls L repräsentativ ist, auf einen pyroelektrischen Detek tor P, der in dem Gehäuse G angeordnet ist. In den Gehäusen R und G herrscht Vakuum und überdies besteht G zu einem hinrei chenden Anteil aus einem elektrischen Leiter, um eine elek trische Abschirmung des pyroelektrischen Detektors P zu bewir ken.

Einzelheiten des pyroelektrischen Detektors P sind in den Fig. 2 und 3 gezeigt. Als pyroelektrischer Detektor P dient eine metallisierte Scheibe aus Keramik oder Kunststoff, die auf einer Seite A durch Aufbringen von mehreren Schichten so ver ändert wird, daß der größte Teil der einfallenden Laserstrah lung absorbiert wird. Die andere Seite B der Detektorscheibe P wird mit einer Metallplatte S verklebt, die z. B. aus Stahl be stehen kann. Die Stahlplatte S weist ein zentrisches Innenge winde auf, in das ein Schraubbolzen eingedreht ist, um einen sicheren elektrischen Kontakt zum pyroelektrischen Detektor P herzustellen.

Um mit der Vorderseite A des pyroelektrischen Detektors P einen elektrischen Kontakt herzustellen, wird ein schmaler Ring am Umfang der Seite A metallisch rein gelassen bzw. freigekratzt und die Detektorscheibe wird in einen passgenauen Metallring eingepreßt. Die Befestigung und örtliche Fixierung erfolgt mit drei Klebepunkten. Der so den pyroelektrischen Detektor aufneh mende Metallring AR (siehe Fig. 2 und 3) weist über seinen Um fang verteilt mehrere Bohrungen B zur Aufnahme von Zugfedern SF auf, mit denen der Metallring AR einschließlich des pyroelek trischen Detektors P in einem Tragring T elastisch aufgehängt ist. Die Federn SF stellen elektrischen Kontakt zwischen der Fläche A des Detektors P und dem Gehäuse G her, welches das sogenannte Massepotential bildet.

Auf der anderen Seite B ist der Detektor P über den bereits ge nannten Schraubbolzen SB und eine elektrisch leitende Kontakt feder K mit einer elektrischen Durchführung D verbunden, die das vom pyroelektrischen Detektor P erzeugte Meßsignal zu elek tronischen Auswerteeinrichtungen in der Elektronikbox EB über trägt. Die Durchführung D ist vakuumdicht und elektrisch iso liert durch eine Endplatte E der Elektronikbox EB geführt.

Das elektrisch abschirmende und vakuumdichte Gehäuse G, das vorzugsweise aus Stahl besteht, ist mit einem O-Ring gegen die Endplatte E abgedichtet.

Andererseits ist das Gehäuse G auf der gegenüberliegenden Seite mit einem Flansch Fl versehen, der eine zentrale Öffnung zum Durchlaß des vom Umlenker U₂ reflektierten Strahles aufweist. Das Gehäuse G ist mittels eines nichtleitenden Ringes I aus Kunststoff oder Keramik gegen die Reflexionskammer R elektrisch isoliert. Die Verbindung zwischen dem Gehäuse G und der Refle xionskammer R über den nichtleitenden Ring I erfolgt mit einem vakuumdichten Klebstoff.

Der Umlenker U₁ weist für die gegebene Laserstrahlung eine hohe Transmission auf, typischerweise im Bereich von 90 bis 97%, während der Umlenker U₂ teilweise oder vollständig reflektieren kann. Die auf die Fläche A des pyroelektrischen Detektors P auftreffende Energiedichte liegt dann bei Excimerlasern in der Größenordnung von 1 mJ/cm². Bei dieser Energiedichte und übli chen Pulslängen von Excimerlasern tritt bei Absorption der Energie in der Oberfläche A keine nennenswerte Ablation auf. Auch bei hohen UV-Laserleistungen liegt die Verlustleistung bei maximal 1 W.

Der pyroelektrische Detektor P weist deshalb eine lange Lebens dauer bei sehr geringen Langzeitänderungen seiner charakteri stischen Meßdaten auf.

In Abwandlung des in Fig. 1 beschriebenen Ausführungsbeispiels der Erfindung kann die Laserstrahlung auch durch den hochre flektierenden Rückspiegel des Lasers ausgekoppelt und in die Meßeinrichtung eingekoppelt werden. Dabei würde der Umlenker U₂ entfallen. Der jetzt als Spiegel ausgebildete Umlenker U₁ stünde unter 45° zur optischen Achse. Es ist auch möglich, bei Ankopplung der Meßeinrichtung an den Rückspiegel des Lasers die Reflexionskammer R völlig wegzulassen und die Fläche A des Detektors P direkt zu bestrahlen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 kann die Reflexionskammer R zum Laser hin durch Rohre oder Scheiben abgedichtet sein, wobei letztere für UV-Licht durchlässig sind. Entsprechendes gilt für den Strahlengang des Lasers. In einer solchen Anord nung kann die Reflexionskammer R zusammen mit dem Gehäuse G evakuiert werden.

Die in der Fläche A des pyroelektrischen Detektors P absor bierte Laserpulsenergie erzeugt aufgrund des pyroelektrischen Effektes eine der Energie proportionale elektrische Ladung auf den beiden metallischen Seiten des Detektors P. Die über die Kontaktfeder K und einen Lastwiderstand R_L abfließende pyro elektrische Ladung erzeugt dort ein zeitabhängiges Spannungs signal U(t), dessen Abklingzeit von der Kapazität des Detektors und dem Widerstand R_L abhängt. Der Widerstand R_L ist so bemes sen, daß das Maximum der Funktion U(t) proportional der absor bierten Laserpulsenergie ist. Für einen gegebenen Lastwider stand R_L läßt sich dann die Empfindlichkeit des Detektors in Volt pro Joule angeben.

Die Zeitfunktion U(t) der vom Detektor erzeugten Spannung kann von Fehlerquellen überlagert sein. Dies ist u. a. die akkusti sche Resonanzfrequenz des pyroelektrischen Detektors. Diese Resonanzfrequenz kann durch elektronische Maßnahmen abgetrennt werden, wie z. B. einen Tiefpaßfilter R, C.

Neben dem Nutzsignal treten ansonsten bei Messung der Laser energie mittels eines pyroelektrischen Detektors folgende Störungen auf:

1. elektromagnetische Störungen,
2. Körperschall aufgrund der Laserentladung und durch Motoren, und
3. Schallwellen vom Laseraustrittsfenster.

Die elektromagnetischen Störungen werden durch die abschirmende Wirkung des Gehäuses G und der Elektronikbox EB vom Detektor bzw. der Auswerteschaltung ferngehalten.

Störsignale aufgrund der Laser-Entladung oder aufgrund von Mo toren werden durch die Federn SF und K ebenfalls vom Detektor ferngehalten.

Luftschall, insbesondere vom Laseraustrittsfenster, bleibt aufgrund des den Detektor umgebenden Vakuums ohne störende Wirkung.

Die Verarbeitung des Meßsignals erfolgt mit herkömmlichen elektronischen Einrichtungen.

Claims

1. Meßvorrichtung für die Energie gepulster Laserstrahlung, insbesondere UV- und VUV-Laserstrahlung, mit einem pyroelektri schen Detektor, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (P) in einer Vakuumkammer (G) gefedert aufgehängt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vakuumkammer (G) den Detektor (P) elektrisch abschirmt.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Anschluß des Detektors (P) durch eine Kontaktfeder (K) gebildet ist.