DE4336589C1 - Laser power meter - Google Patents

Abstract

In a laser power meter having a sensor and an electronic evaluating and indicating device, the meter is constructed in modular fashion and its sensor is assigned a beam splitter which is screened by diaphragms having radiation entry or exit openings and is highly transmitting for the laser wavelength, is located in the axis of the laser beam and reflects at its first surface a fraction of the laser beam towards the sensor and reflects at its second surface in turn a radiation fraction parallel to the first, both reflection beams being incident on the photodiode of the sensor through the diaphragm.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Laserleistungsmeßgerät gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a laser power meter according to the preamble of the claim 1.

Meßgeräte zur Messung der Laserleistung sind in den verschiedensten Ausführungsformen be­ kannt und deren Sensoren beruhen auf den verschiedensten physikalischen Prinzipien. Der Nachteil vieler dieser Ausführungsformen ist, daß durch sie der Laserstrahl unterbrochen wird und geometrisch das Meßgerät viel zu groß ist. Weitere Ausführungsformen sind mit dem Nachteil überhöhter Meßfehler behaftet, die durch Tageslicht oder andere Lichtquellen hervor­ gerufen werden, während andere Konzeptionen Mängel in der Linearität über einen weiten Temperaturbereich aufweisen oder empfindlich auf Schwankungen der relativen Feuchte in der Umgebungsluft reagieren.Measuring devices for measuring the laser power are in various embodiments knows and their sensors are based on various physical principles. Of the The disadvantage of many of these embodiments is that the laser beam is interrupted by them and geometrically the measuring device is much too large. Further embodiments are with the The disadvantage of excessive measurement errors, which are caused by daylight or other light sources be called, while other conceptions shortcomings in linearity over a wide range Have temperature range or sensitive to fluctuations in the relative humidity in the Ambient air react.

Durch die Anmelderin ist aus der DE 40 15 447 C1 eine Vorrichtung zur Messung der Strah­ lungsleistung bekannt, bei der im Laserhauptstrahl zwei teildurchlässige Spiegel angeordnet sind, die einen Teil der Strahlung auskoppeln und auf einen optoelektrischen Meßwandler len­ ken. Doch ist auch diese Ausführungsform nicht völlig frei von den vorgenannten Nachteilen, genauso wie die aus der DE 89 06 627 U1 bekannt gewordene Vorrichtung.The applicant has disclosed a device for measuring the beam from DE 40 15 447 C1 power known, in which two semitransparent mirrors are arranged in the main laser beam are that couple part of the radiation and len on an optoelectric transducer ken. But this embodiment is also not completely free from the aforementioned disadvantages, just like the device known from DE 89 06 627 U1.

Eine Diagnostikeinrichtung für CO₂-Laserstrahlung ist aus der Druckschrift P. Loosen et al., "Laser und Optoelektronik" 3 (1985), S. 27-281 bekannt, bei der durch einen Strahlteiler ein Bruchteil des Laserstrahles ausgekoppelt und mit einer Lochblende abgetastet wird.A diagnostic device for CO₂ laser radiation is from P. Loosen et al., "Laser and optoelectronics" 3 (1985), pp. 27-281, in which a beam splitter is used A fraction of the laser beam is decoupled and scanned with a pinhole.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das so konzipiert und aufgebaut ist, daß die Leistungsmessung unbeeinflußt von Tageslicht oder Fremdlicht präzise und mit hoher Zuverlässigkeit eine Leistungsmessung simultan zur Nutzung des Laserstrahls gewährleistet.The present invention has for its object a measuring device of the aforementioned To create a type that is designed and constructed so that the performance measurement is unaffected of daylight or extraneous light precisely and with high reliability a performance measurement guaranteed simultaneously with the use of the laser beam.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen gelöst. In den Unter­ ansprüchen sind Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung ist ein Ausführungsbeispiel erläutert, das in den Figuren der Zeichnung skizziert ist, die diese Erläuterungen ergänzen. Es zeigen:This object is achieved by the measures indicated in claim 1. In the sub Refinements and further developments are specified and in the following A description is given of an exemplary embodiment which is sketched in the figures of the drawing is that complement these explanations. Show it:

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild des modularen Aufbaus eines Ausführungsbei­ spiels des Meßgerätes. Fig. 1 is a schematic block diagram of the modular structure of a game Ausführungsbei the measuring device.

Fig. 2 ein schematisches Blockschaltbild des modularen Aufbaus eines weiteren Ausfüh­ rungsbeispiels des Meßgerätes. Fig. 2 is a schematic block diagram of the modular structure of a further example of the measuring device.

Wie die Fig. 1 veranschaulicht, trifft der zu messende Laserstrahl 1 auf einen Strahlteiler 2, aus vorzugsweise optischem Glas, und wird am Auftreffpunkt von der ersten Fläche 2a zu einem Bruchteil reflektiert und dem Sensor 6 ein­ gegeben. Dieser Sensor 6 besteht aus einem Dämpfungsfilter 3, einem Tages­ lichtfilter 4 und einer Photodiode 5. Auch an der zweiten Fläche 2b des Strahlteilers 2 erfolgt eine Reflexion, die parallel versetzt zum ersten Reflexi­ onsstrahl 1b zum Sensor 6 gelenkt wird und den Reflexionsstrahl 1b′ ergibt. Es finden noch weitere Reflexionen am Strahlteiler 2 statt, da diese aber in ihrer Leistung wesentlich unter der der Strahlen 1b, 1b′ liegen, können sie problem­ los vernachlässigt werden.As illustrated in FIG. 1, the laser beam 1 to be measured strikes a beam splitter 2 , preferably made of optical glass, and is reflected at the point of incidence by the first surface 2 a to a fraction and given to the sensor 6 . This sensor 6 consists of a damping filter 3 , a day light filter 4 and a photodiode 5th Also on the second surface 2 b of the beam splitter 2 there is a reflection, which is directed parallel to the first reflection beam 1 b directed to the sensor 6 and gives the reflection beam 1 b '. There are still further reflections on the beam splitter 2 , but since these are significantly less powerful than the beams 1 b, 1 b ', they can be neglected without any problem.

Der Strahlteiler 2 kann - wie vorstehend schon erwähnt - aus einem optischen Glas oder ähnlichem Material bestehen. Wesentlich ist, daß der Strahlteiler 2 hoch transmittierend für die Laserwellenlänge ist. Er kann mit einer Antireflex- Beschichtung versehen sein, aber auch ohne eine solche Beschichtung einge­ setzt werden, sofern der gewünschte Reflexionsgrad bei den gegebenen La­ serstrahlparametern erzielt wird. Der Strahl-Einfallswinkel am Strahlteiler 2 kann mit 45° festgelegt werden, ist aber nicht darauf beschränkt, sondern kann je nach Anwendungsfall auch anders gewählt werden.The beam splitter 2 can - as already mentioned above - consist of an optical glass or similar material. It is essential that the beam splitter 2 is highly transmissive for the laser wavelength. It can be provided with an anti-reflective coating, but can also be used without such a coating, provided that the desired degree of reflection is achieved with the given laser beam parameters. The beam incidence angle on the beam splitter 2 can be set at 45 °, but is not limited to this, but can also be selected differently depending on the application.

Der Laserstrahl 1 wird im Leistungsmeßmodul im wesentlichen nur um die reflektierten Strahlanteile 1b und 1b′ abgeschwächt - was mit weniger als 2% gewählt werden kann - und verläßt als Laserstrahl 1a das Gerät.The laser beam 1 is weakened in the power measurement module essentially only by the reflected beam components 1 b and 1 b '- which can be chosen with less than 2% - and leaves the device as laser beam 1 a.

In der Fig. 2 ist nun eine weitere Ausführungsform aufgezeigt, und zwar für die Fälle, bei denen Laser mit zeitlich nicht konstantem Polarisationsgrad gegeben sind. Um auch in diesen Fällen eine gemessene Leistung unabhängig von der Lage der Polarisation zu erhalten, wird das in Fig. 1 beschriebene Leistungs­ meßmodul durch einen weiteren Strahlteiler 14 ergänzt, der die exakt gleiche Spezifikation wie der Strahlteiler 2 aufweist, jedoch eine Umlenkung um 90° in einer Ebene bewirkt, die auf der in der Fig. 2 gezeichneten Anordnung senk­ recht steht.A further embodiment is now shown in FIG. 2, specifically for the cases in which lasers with a degree of polarization that is not constant over time are given. In order to obtain a measured power regardless of the position of the polarization in these cases, the power measurement module described in FIG. 1 is supplemented by a further beam splitter 14 , which has the exact same specification as the beam splitter 2 , but a deflection by 90 ° causes in a plane that is perpendicular to the arrangement shown in FIG. 2 perpendicular.

Der zu messende Laserstrahl 1 trifft nun senkrecht auf die Ebene, in der die Anordnung in Fig. 2 gezeichnet ist. Am Strahlteiler 14 werden nun die Anteile 1b und 1b′ reflektiert, dabei um 90° zum einfallenden Strahl umgelenkt und zum Strahlteiler 2 geleitet. Dort erfolgt wiederum eine Reflexion nach dem be­ schriebenen Schema: Von 1b werden im wesentlichen die Anteile 1c und 1c′ reflektiert. Von 1b′ werden die Anteile 1c′′ und 1c′′′ reflektiert. Durch den gegebenen Strahlversatz an den Strahlteilern 14 und 2 werden dem Sensor also im wesentlichen vier Strahlen zugeleitet, die in den Eckpunkten eines Quadra­ tes angeordnet sind, deren Seitenlänge dem Strahlversatz entspricht.The laser beam 1 to be measured now strikes the plane in which the arrangement in FIG. 2 is drawn. At the beam splitter 14 , the portions 1 b and 1 b 'are now reflected, deflected by 90 ° to the incident beam and directed to the beam splitter 2 . There again carried a reflection after be signed scheme: Shares 1 c and 1 b from one reflecting c 'essentially. From 1 b 'the proportions 1 c''and 1 c''' are reflected. Given the beam offset at the beam splitters 14 and 2 , the sensor is essentially supplied with four beams which are arranged in the corner points of a square, the side length of which corresponds to the beam offset.

Durch diese Anordnung werden die Anteile 1b der Laserstrahlung, die am er­ sten Strahlteiler 14 parallel polarisiert auftreffen, so reflektiert, daß dieser An­ teil der Strahlung am zweiten Strahlteiler 2 senkrecht zur Ablenkebene orien­ tiert ist. Dies gilt natürlich auch umgekehrt, so daß für eine Strahlung mit senk­ rechter Polarisation am zweiten Strahlteiler 2 die Bedingungen für parallele Polarisation gelten. Das Produkt der Reflexionsgrade am ersten Strahlteiler 14 und am zweiten Strahlteiler 2 für einen am Eingang definierten Polarisationszu­ stand (senkrecht oder parallel) ist damit für beide Polarisationszustände immer gleich groß, wie auch aus der Druckschrift "Experimentalphysik" von Berg­ mann, Schäfer - Band 3 Optik, S. 468 ff zu entnehmen ist. Andere Polarisati­ onszustände können in senkrechte und parallele Polarisation aufgespalten wer­ den.With this arrangement, the portions 1 b of the laser radiation which impinge on the most beam splitter 14 polarized in parallel are reflected such that this part of the radiation on the second beam splitter 2 is oriented perpendicular to the deflection plane. This naturally also applies the other way round, so that the conditions for parallel polarization apply to radiation with perpendicular polarization at the second beam splitter 2 . The product of the degrees of reflection on the first beam splitter 14 and on the second beam splitter 2 for a polarization state defined at the input (vertical or parallel) is therefore always the same for both polarization states, as is also the case with the publication "Experimental Physics" by Bergmann, Schäfer - Volume 3 Optik, p. 468 ff. Other polarization states can be split into vertical and parallel polarizations.

Bei Einfallswinkeln von 45°, einem Substrat ohne Beschichtung und einem Brechungsindex des Substrates von 1,5 beträgt die Gesamtreflexion am ersten Strahlteiler ca. 17,85% bei senkrechter Polarisation beziehungsweise ca. 1,69% bei paralleler Polarisation. Es ist nun möglich, daß der reflektierte und damit für die Anwendung verlorene Anteil von 17,85% zu hoch angesehen wird. In diesem Fall kann durch zwei alternativ oder auch in Kombination an­ gewendete Maßnahmen Abhilfe geschaffen werden:With angles of incidence of 45 °, a substrate without coating and a Refractive index of the substrate of 1.5 is the total reflection at the first Beam splitter approx. 17.85% with vertical polarization or approx. 1.69% with parallel polarization. It is now possible that the reflected and the share of 17.85% lost for the application is considered too high becomes. In this case, two or alternatively or in combination Measures taken to remedy the situation:

• a) können die Strahlteiler 14 und 2 einseitig oder beidseitig antireflexbe­ schichtet werden, wobei beide Strahlteiler die gleichen Schichten erhal­ ten;a) the beam splitters 14 and 2 can be coated on one or both sides with anti-reflective coating, both beam splitters receiving the same layers;
• b) kann der Einfallswinkel an den Strahlteilern 14, 2 auch kleiner als 45° gewählt werden, allerdings unter der Bedingung, daß die Einfallswinkel an beiden Strahlteilern gleich sind und daß die Umlenkebenen senkrecht aufeinander stehen, wobei die zweite Umlenkebene zusätzlich noch paral­ lel zum einfallenden, vom ersten Strahlteiler 14 kommenden Strahl liegen muß.b) the angle of incidence on the beam splitters 14 , 2 can also be chosen to be less than 45 °, but on the condition that the angles of incidence on both beam splitters are the same and that the deflection planes are perpendicular to one another, the second deflection plane additionally being parallel to the incident , beam coming from the first beam splitter 14 must lie.

Durch die vorgeschlagenen Maßnahmen ist nun ein Laserleistungsmeßgerät gegeben, das nicht nur die Leistungsmessung simultan zur Nutzung des Laser­ strahls durchführt, wobei eine Transmission für den Laserstrahl von mindestens 98% möglich ist, sondern auch Meßfehler durch Fremdlicht (Tageslicht, andere Lichtquellen) vermeidet. Für eine Optimierung der Wirtschaftlichkeit sorgt die kompakte und kleine Bauweise, Größen von 10×10×20 mm³ sind durchaus realisierbar, um so das Modul in andere Systeme oder Laserstrahlquellen zu integrieren. Weiterhin ist eine gute Linearität über einen weiten Temperaturbe­ reich und eine Unempfindlichkeit gegenüber Schwankungen der relativen Feuchte in der Umgebungsluft, aber auch eine elektromagnetische Verträglich­ keit mit anderen Komponenten gewährleistet.The proposed measures now make a laser power meter given that not only the power measurement simultaneously with the use of the laser beam, with a transmission for the laser beam of at least 98% is possible, but also measurement errors due to extraneous light (daylight, other Light sources) avoided. The ensures that the economy is optimized compact and small design, sizes of 10 × 10 × 20 mm³ are quite realizable, so that the module into other systems or laser beam sources integrate. Furthermore, there is good linearity over a wide temperature range rich and insensitive to fluctuations in relative Humidity in the ambient air, but also an electromagnetic compatibility guaranteed with other components.

Zu erwähnen ist noch, daß Veränderungen der Laserleistung von der Elektro­ nik 7 mit ihrer Stromversorgung 10 erfaßt und über eine Anzeigeeinrichtung 8 sichtbar gemacht werden, wobei wahlweise der Datenausgang (Schnittstelle) 9 analog und/oder digital zur direkten Anzeige oder zur Weiterverarbeitung, ge­ gebenenfalls in externen Systemen sein kann.It should also be mentioned that changes in the laser power from the electronics 7 with their power supply 10 are detected and made visible via a display device 8 , the data output (interface) 9 being optionally analog and / or digital for direct display or further processing, if appropriate can be in external systems.

Claims (5)

1. Laserleistungsmeßgerät mit einem Sensor und einer elektronischen Auswert- und Anzeigeeinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßgerät modular aufgebaut ist und seinem Sensor (6) ein von Blenden (11, 12, 13) mit Strahlein- oder Austrittsöffnungen abgeschirmter, für die Laserwellenlänge hoch transmittierender Strahlteiler (2) zugeordnet ist, der in der Achse des La­ serstrahls (1) liegt und an seiner ersten Fläche (2a) einen Bruchteil des Laser­ strahlanteils (1b) zum Sensor (6) hin reflektiert und an seiner zweiten Fläche (2b) wieder einen Strahlbruchteil (1b′) parallel zum ersten (1b) reflektiert, wo­ bei beide Reflexionsstrahlen (1b, 1b′) durch die Blende (13) auf die Photodiode (5) des Sensors (6) treffen.1. Laser power meter with a sensor and an electronic evaluation and display device, characterized in that the measuring device is modular and its sensor ( 6 ) one of diaphragms ( 11 , 12 , 13 ) shielded with beam inlets or outlets, high for the laser wavelength transmissive beam-splitter (2) is associated, which is located in the axis of the La serstrahls (1) and at its first surface (2 a) reflects a fraction of the laser beam portion (1 b) to the sensor (6) back and on its second surface ( 2 b) again reflects a fraction of the beam ( 1 b ') parallel to the first ( 1 b), where both reflection beams ( 1 b, 1 b') meet through the diaphragm ( 13 ) on the photodiode ( 5 ) of the sensor ( 6 ) . 2. Laserleistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Lasermeßstrahls (1) vor dem Strahlteiler (2) ein zusätzli­ cher Strahlteiler (14) gleicher Spezifikation so angeordnet ist, daß eine Strah­ lumlenkung um 90° in einer Ebene erzielt wird, die senkrecht zur Betrach­ tungsrichtung steht und die zweite Ablenkung ebenfalls um 90° erfolgt, jedoch in einer zweiten Ebene, die zur ersten Ebene senkrecht steht, wobei die Anteile der Laserstrahlung (1), die am ersten Strahlteiler (14) parallel polarisiert auf­ treffen, so reflektiert werden, daß sie am zweiten Strahlteiler (2) senkrecht zur Ablenkebene orientiert sind oder umgekehrt.2. Laser power meter according to claim 1, characterized in that in the beam path of the laser measuring beam ( 1 ) in front of the beam splitter ( 2 ) an additional beam splitter ( 14 ) of the same specification is arranged so that a beam deflection by 90 ° is achieved in one plane, which is perpendicular to the viewing direction and the second deflection likewise takes place by 90 °, but in a second plane which is perpendicular to the first plane, the portions of the laser radiation ( 1 ) which are polarized in parallel on the first beam splitter ( 14 ), are reflected so that they are oriented on the second beam splitter ( 2 ) perpendicular to the deflection plane or vice versa. 3. Laserleistungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß die Strahlteiler (14, 2) einseitig oder beidseitig mit einer Antirefle­ xionsschicht versehen sind, die bei beiden Strahlteilern jedoch gleich ist.3. Laser power meter according to claim 1 or 2, characterized in that the beam splitters ( 14 , 2 ) are provided on one or both sides with an anti-reflection layer, which is the same in both beam splitters. 4. Laserleistungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel der Laserstrahlung (1) am Strahlteiler (14) und der Einfallswinkel der dort reflektierten Anteile 1b und 1b′ am Strahlteiler (2) identisch, aber auch größer oder kleiner als 45° sein können und die Umlenkebenen senkrecht aufeinander stehen, jedoch die zweite Um­ lenkebene zusätzlich parallel zu der vom ersten Strahlteiler (14) kommenden Strahlung (1b, 1b′) liegt.4. Laser power meter according to one of claims 1 to 3, characterized in that the angle of incidence of the laser radiation ( 1 ) on the beam splitter ( 14 ) and the angle of incidence of the parts 1 b and 1 b 'reflected there' on the beam splitter ( 2 ) are identical, but also larger or can be less than 45 ° and the deflection planes are perpendicular to each other, but the second order to the steering plane is also parallel to the radiation coming from the first beam splitter ( 14 ) ( 1 b, 1 b '). 5. Laserleistungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Strahlteiler (2, 14) aus einer dünnen dielek­ trischen Schicht mit den geforderten Reflexionseigenschaften bestehen, die von einem geeigneten Träger gehalten wird.5. Laser power meter according to one of claims 1 to 4, characterized in that the beam splitter or beams ( 2 , 14 ) consist of a thin dielectric layer with the required reflection properties, which is held by a suitable carrier.