WO2017101895A2 - Transparente mess-sonde für strahl-abtastung - Google Patents

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WO2017101895A2
WO2017101895A2 PCT/DE2016/000423 DE2016000423W WO2017101895A2 WO 2017101895 A2 WO2017101895 A2 WO 2017101895A2 DE 2016000423 W DE2016000423 W DE 2016000423W WO 2017101895 A2 WO2017101895 A2 WO 2017101895A2
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light
light beam
probe
region
axis
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Reinhard Kramer
Otto MÄRTEN
Stefan Wolf
Roman Niedrig
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Primes Gmbh
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Publication date
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Publication of WO2017101895A3 publication Critical patent/WO2017101895A3/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/02—Details
    • G01J1/04—Optical or mechanical part supplementary adjustable parts
    • G01J1/0407—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings
    • G01J1/0411—Optical elements not provided otherwise, e.g. manifolds, windows, holograms, gratings using focussing or collimating elements, i.e. lenses or mirrors; Aberration correction
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01J—MEASUREMENT OF INTENSITY, VELOCITY, SPECTRAL CONTENT, POLARISATION, PHASE OR PULSE CHARACTERISTICS OF INFRARED, VISIBLE OR ULTRAVIOLET LIGHT; COLORIMETRY; RADIATION PYROMETRY
    • G01J1/00—Photometry, e.g. photographic exposure meter
    • G01J1/42—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors
    • G01J1/4257—Photometry, e.g. photographic exposure meter using electric radiation detectors applied to monitoring the characteristics of a beam, e.g. laser beam, headlamp beam
    • G01J2001/4261—Scan through beam in order to obtain a cross-sectional profile of the beam

Definitions

  • the invention relates to a device for scanning light beams.
  • the invention is suitable for the determination of geometric parameters such as the intensity distribution, the beam profile or the beam diameter in the cross section of a light beam or laser beam.
  • the invention enables the direct scanning of laser beams with the highest brilliance and power in the kilowatt and multi-kilowatt range without prior attenuation of the laser beam.
  • the device can be used to scan a plurality of beam cross sections in different planes and thus can also be used to determine beam parameter products, beam propagation factors or focus positions of laser beams.
  • Geometric parameters of a light beam or a laser beam are important parameters for characterizing the beam. Such parameters may be, for example, the beam diameter, the beam profile, the focus position or the beam parameter product. Beam parameters must be periodically measured for quality control in many production processes using light beams. Particular difficulties are to be overcome if the light beam to be measured is a laser beam with high brilliance and / or power and if the beam waist of a focused laser beam is to be measured where very high power densities occur. On the one hand, with very high power laser beams, the sensor or element located in the beam to obtain a sensor signal may be altered or destroyed. On the other hand, if the beam is first attenuated to avoid such problems, the high power of a beam may influence the attenuator, for example, by induced thermal effects, whereby the parameters of the beam may be changed and hence the measurement is unreliable.
  • Attenuation devices are known from the prior art.
  • DE 10 2011 117 327 A1 discloses a comparatively simple device for precise and reproducible attenuation, which consists of several beam splitters arranged in different spatial directions.
  • the device shown is only suitable for collimated beams; Accordingly, as shown in the disclosure, a divergent or focused beam must first be collimated with a lens.
  • DE 10 2012 106 779 AI Another example of an attenuation device is shown in DE 10 2012 106 779 AI, which operates on a similar basic principle, but is also suitable for divergent radiation; a lens is arranged downstream behind beam splitters.
  • the radiation passes through a plurality of optical elements before a measuring radiation can be registered by a detector.
  • the correct functioning of the attenuation devices without influencing the beam is usually only guaranteed as long as the surfaces of the optical elements are not contaminated or contaminated by dust.
  • a fundamental uncertainty, whether the beam has been changed by the optical elements due to thermal interaction in its geometric parameters or not, is therefore difficult to avoid. To eliminate such uncertainties, it is necessary to take a sample sample or sample directly in the unaltered and non-attenuated beam.
  • a principal possibility for the measurement consists in directing the beam onto a spatially resolving sensor, for example onto a CCD camera, and in this way determining the intensity distribution in the cross section of the beam.
  • a spatially resolving sensor for example onto a CCD camera
  • Such a direct measurement with a spatially resolving sensor is forcibly unsuitable for higher power beams. It is therefore common for higher power beams to increase the intensity distribution in a raster motion, e.g. line by line scan with a device that takes a sample from a small segment of the beam and this sample radiation leads to a detector.
  • a device of the aforementioned type discloses the DE 199 09 595 AI.
  • the beam is scanned with a pinhole or with a small pinhole with the peculiarity that behind the pinhole a scattering body is arranged, whereby the measurement signal obtained is less dependent on the direction of incidence to be measured Radiation.
  • Another device of this kind shows the WO 2009/000500 AI.
  • a partial beam is coupled out of the beam by means of an aperture or a hollow needle-like scanning head, which scans the beam cross section.
  • the sub-beam is directed by means of a lens to a position-resolving detector for generating wavefront-specific measurement data.
  • the beam deflection device of the scanner optics can be used to guide the beam in a raster motion over the scanning head.
  • Such devices and methods are disclosed, for example, in DE 10 2005 038 587 A1 and DE 10 2011 006 553 A1.
  • WO 98/50196 discloses an apparatus for detecting and calculating focus position, profile and power distribution of a focused laser beam.
  • the beam is scanned with a light-influencing body.
  • the light-influencing body is an optical fiber arranged transversely to the beam, which deflects radiation components from the laser beam onto a light sensor.
  • the fiber always forcibly detects the entire beam cross-section in one direction, so that the measurement signal is a signal integrated in one dimension and thus no spatially resolved signals can be generated in this direction.
  • the light-influencing body is reflective in other disclosed embodiments, eg silver-containing, or designed to be absorbent.
  • the device known from WO 98/50196 is also known on the one hand not suitable for laser radiation highest performance and brilliance, and on the other hand, the device described is not suitable for achieving high spatial resolution, since the disclosure provides no information about a precisely defined interaction geometry on or in the light-influencing bodies.
  • the invention is therefore an object of the invention to provide a measuring probe for scanning light beams, which is suitable for the determination of geometric parameters of laser beams high power or power density, and allows the determination of geometric parameters in high spatial resolution.
  • an apparatus for scanning a light beam which comprises a body, a probe area and a detector.
  • the body is made of an optically transparent material and has a light beam entrance surface, a light beam exit surface, and a detection light exit surface.
  • the light beam entrance surface and the light beam exit surface are substantially smooth and polished.
  • the body contains the probe area, which has a light-deflecting structuring.
  • the detector is designed to detect at least part of the beam portion deflected from the light beam by the probe area.
  • the body and the light beam are movable in two different directions of movement perpendicular to the direction of the axis of the light beam relative to each other.
  • the probe region has a shape whose two-dimensional projection on a surface perpendicular to the axis of the light beam (or projection in the direction of the axis of the light beam) has approximately equal dimensions in the two different directions of movement perpendicular to the axis of the light beam.
  • the probe region has a shape whose two-dimensional projection on a surface perpendicular to the axis of the light beam (or projection in the direction of the axis of the light beam) is radially symmetrical.
  • the body may be rod-shaped in one embodiment of the invention.
  • the light-deflecting structuring in the probe region can be formed by varying the refractive index and / or density of a material in the probe region.
  • the light-deflecting structuring in the probe region can also be formed by a roughness of a surface.
  • the light deflecting patterning in the probe region may be formed by one or more cavities or cracks in the material of the probe region.
  • the light deflecting structuring may be formed in the probe area by doping a material in the probe area.
  • the light-deflecting structure in the probe region can be produced by means of a focused short-pulse laser.
  • the light-deflecting structuring in the probe region is formed by a plurality of structural details whose spatial density distribution within the probe region is radially symmetric or rotationally symmetrical.
  • the optically transparent material of the body may have an absorption of less than 100 ppm / cm in the range of the wavelength of the light beam to be scanned.
  • the body includes a detection light deflection region which deflects at least a portion of the deflected from the probe region beam portion in the direction of the detector.
  • the detection light deflection region can be formed by a light-deflecting structuring.
  • the detection light deflection region can also be formed by one or more recesses in the body.
  • the detection light deflection region can furthermore be formed by a bevelled surface of the body.
  • the body is stationary and the light beam is movable relative to the body.
  • a direction of movement for scanning the light beam is generated by a rotational movement of the body about an axis of rotation which has a distance to the axis of the light beam.
  • Another direction of movement for scanning the light beam can be generated by changing the distance of the axis of rotation to the axis of the light beam.
  • a direction of movement for scanning the light beam is generated by a vibrational movement of the body.
  • a device for light collection is arranged between the detection light exit surface of the body and the detector.
  • the means for collecting light comprises at least one of the following elements: a lens, a gradient index lens, a concave mirror, a light guide, or a waveguide.
  • the body includes further probe areas arranged at different positions for generating a plurality of parallel or concentric scanning tracks.
  • the body includes, in addition to the probe area, an elongated area with a light deflecting pattern.
  • the elongate region is designed substantially one-dimensionally, has a distance to the probe region in the direction of a movement direction and is oriented perpendicular to the axis of the light beam.
  • the device according to the invention can be used for determining at least one of the following parameters of the light beam: beam diameter, beam profile, intensity distribution in the cross section of the light beam, divergence angle, beam parameter product, propagation factor, focus position.
  • Figure 1 A schematic cross-sectional view of the invention
  • Apparatus for scanning a light beam Apparatus for scanning a light beam.
  • Figure 2 A schematic representation of a possible embodiment of the
  • FIG. 3 A schematic representation of an embodiment of the invention with a disk as a body.
  • Figure 4 A schematic representation of another embodiment of the
  • Invention having a cylindrical body, with a bevelled surface of the body for deflecting the detection light and with a rotation axis for generating a relative movement.
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a further exemplary embodiment of the invention
  • Invention having a detection light deflection region within a rod-shaped body.
  • Figure 6 A schematic representation of another embodiment of the
  • Invention with a disc-shaped body, with a detection light deflection within the body and with a rotation axis for generating a relative movement.
  • Figure 7 A schematic representation of another embodiment of the
  • the body additionally has an elongate region with light-deflecting structuring.
  • FIG. 8 shows a schematic representation of a further exemplary embodiment of the invention
  • Invention with a disc-shaped body, with a detection light deflection region within the body and with additional probe regions in the body for generating a plurality of concentric scanning traces with a single revolution of the body.
  • Figure 9 A schematic cross-sectional view of another
  • Embodiment of the invention with a lens that images the probe area on the detector.
  • Figure 10 A schematic cross-sectional view of another
  • FIG. 11 A schematic cross-sectional view of another exemplary embodiment of the invention with a deflection mirror for the detection light and with a lens as a device for light collection.
  • Figure 12 A schematic cross-sectional view of another embodiment of the invention with a concave mirror as a device for light collection.
  • FIG. 13 shows a schematic cross-sectional view of a further exemplary embodiment of the invention with a bevelled surface of the body for deflecting the detection light, with a diaphragm and with a lens which images the probe area onto the opening of the diaphragm.
  • Figure 14 A partial view of the invention in a plan view of the body, which is formed in this embodiment as a cylindrical rod, with a probe area near the light beam entrance surface and with an additional representation of the light rays at the light beam entrance surface and reflected at the light beam exit surface.
  • Figure 15 A partial view of the invention in a plan view of the body, which is formed in this embodiment as a rod with semi-cylindrical side surfaces, with a probe area near the light beam exit surface and with an additional representation of the light rays on the light beam - Entry surface and reflected at the light beam exit surface.
  • FIG. 16 shows a schematic representation of the probe region in a possible embodiment of the invention, in which the probe region is of spherical design and the entire probe region has a light-deflecting structuring.
  • FIG. 17 A schematic representation of the probe region in a further embodiment of the invention, in which the probe region is spherical is formed and only an outer spherical shell portion of the probe region has a light deflecting structuring.
  • FIG. 18 shows a schematic representation of the probe region in a further embodiment of the invention, in which the probe region is circular disk-shaped.
  • Figure 19 A schematic representation of the probe area in another
  • Embodiment of the invention wherein the probe area is elliptical in shape and is arranged obliquely to the axis of the light beam in the body, so that the projection of the probe area in the direction of the axis of the light beam represents a radially symmetric circular disc.
  • Figure 20 A schematic representation of a Strahlpro fils in the cross section of a
  • Light beam (above); a sampling function (center) and a detector signal, which results from convolution of the beam profile with the sampling function (bottom).
  • Figure 21 A schematic cross-sectional view of a spherical
  • Probe area with uniform distribution of structural details within the probe area (b); a schematic representation of
  • Probe area with a light-deflecting structuring which has structural details only in an outer spherical shell of the probe area (b); a schematic representation of the distribution density of the structure details (a); and a simulation of the resulting probe function for a probe region having this patterning (c).
  • Figure 23 A schematic cross-sectional representation of a spherical
  • Probe area with a light-deflecting structuring where the distribution density of the structure details at the edge of the probe area is maximum and decreases toward the center of the probe area (b); a schematic representation of the distribution density of the structure details (a); and a simulation of the resulting, approximately rectangular scanning function for a probe region with this structuring (c).
  • Figure 24 A schematic cross-sectional representation of a spherical
  • Probe region with a light-deflecting structuring in which the distribution density of the structural details in the center of the probe region is maximum and decreases towards the edge of the probe region (b); a schematic representation of the distribution density of the structure details (a); and a simulation of the resulting approximately Gaussian probe function for a probe region having this patterning (c).
  • FIG. 1 is a schematic sectional view of the invention.
  • a laser beam or light beam 10 having an axis 11 strikes the light beam entrance surface 22 of a body 20 made of a transparent optical material.
  • the light beam 10 propagates through the body 20 and exits the body 20 via the light beam exit surface 23.
  • the body 20 includes a probe area 30 having a light deflecting pattern. At the light-deflecting structuring of the probe area 30, a part of the light beam 10 is deflected in other directions when the light beam 10 strikes the probe area 30. A portion of the light 17 may be deflected in directions leaving the body 20 without encountering the detector 40.
  • Another part of the light 15 is deflected in a direction in which the deflected light 15 is guided within the body 20 to the detection light exit surface 25, at which the deflected light 15 leaves the body 20. At least part of the deflected light 15 is detected by the detector 40. To avoid unwanted light components on the detector 40, the detection light exit surface 25 and the detector 40 may be jointly enclosed by a cover 48.
  • the body 20 and the light beam 10 are movable in several spatial directions 51, 52, 53 relative to each other.
  • FIG 2 an embodiment of the invention is shown schematically, in which the body 20 has an elongated rod-shaped with a rectangular cross-section.
  • the Body 20 rotatably mounted on a rotation axis 61, which is preferably arranged parallel to the axis 11 of the light beam 10.
  • the body 20 and the rotation axis 61 are coupled to a movement device such that the distance 62 between the axis 1 1 of the light beam 10 and the rotation axis 61 is adjustable.
  • a deflection mirror 43 is arranged, which deflects the deflected light 15 propagating via the detection light exit surface 25 in the direction of the detector 40.
  • the deflecting mirror 43 is preferably rigidly coupled to the body 20, so also rotates about the axis of rotation 61.
  • detector 40 need not be rigidly coupled to the body 20 and the deflection mirror 43, but is preferably with the moving means coupled, which generates the relative movement 52, so that the position of the detector 40 remains on the axis of rotation 61.
  • Figure 3 shows an embodiment of the invention, in which the body 20 is not designed rod-shaped, but has a disc-shaped shape and has a recess in the middle.
  • the axis of rotation preferably runs through the middle or along the axis of symmetry of the disk-shaped body 20.
  • FIG. 4 shows a further exemplary embodiment of the invention similar to the embodiment shown in FIG.
  • the body 20 is formed as a cylindrical rod.
  • the body 20 in this example comprises a detection light deflection region 36.
  • the detection light deflection region 36 may be configured as a bevelled surface of the body 20, and thus functions as a deflection mirror 43.
  • the body 20 likewise has a detection light deflection region 36.
  • the detection light deflection region 36 here is a region within the rod-shaped body 20, which may be formed, for example, by a light-deflecting structuring.
  • FIG. 6 shows an exemplary embodiment of the invention in which a detection light deflecting region 36 is arranged in a disc-shaped body 20.
  • the detection light deflection region 36 is preferably in the middle of the disk-shaped body arranged and deflects a portion of the deflected light from the probe area 30 toward the detector 40.
  • the detector 40 may be arranged in the axis of rotation 61 around which the disk-shaped body 20 rotates to produce the relative movement 51 relative to the light beam 10.
  • the detector 40 itself does not have to rotate together with the body 20 about the axis of rotation 61.
  • the body 20 additionally includes an elongate region 35 with a light-scattering structuring.
  • the elongate region 35 is arranged at a distance from the probe region 30 in the direction of movement 51. With each scan motion, an additional signal is thereby generated on the detector 40, which can be used to synchronize the signals from the individual scanning movements.
  • FIG. 8 shows an exemplary embodiment similar to FIG. 6.
  • further probe regions 32 are arranged in different azimuthal positions in the disc-shaped body 20.
  • the probe regions 32 may have different distances to the axis of rotation 61, such that a single revolution of the body 20 generates a plurality of concentric scanning tracks 34.
  • the scanning time for complete detection of a cross section of the light beam 10 can thereby be significantly reduced.
  • FIG. 9 shows a further possible aspect of the invention.
  • a light collection device 44 is arranged in this example.
  • the device for light collection 44 may be a lens which images the probe region 30 onto the detector 40 in the exemplary embodiment shown in FIG.
  • the light fraction which is detected by the detector 40 on the other hand causes the exact mapping of the probe area 30 to the detector 40, a selection of the detected light component.
  • this detection light selection unwanted scattered light can be hidden.
  • Figure 10 shows a similar aspect of the invention as Figure 9.
  • the probe area 30 is not imaged by the light collection device 44 or by the lens, but the detection light exit surface 25 is on the detector 40 shown.
  • the detection light exit surface 25 is on the detector 40 shown.
  • Radiation components 16, which are guided by total reflection within the body 20 to the detection light exit surface 25, can thus be imaged onto the detector 40.
  • the detection light exit surface 25 is imaged onto the detector 40 by means of a lens as a light collection device 44.
  • the detection light 15 is deflected by means of a deflection mirror 43.
  • An arrangement with deflection of the detection light is favorable if the relative movement 51 is generated by rotation of the body 20 about a rotation axis 61.
  • deflection mirror 43 and light collection device 44 are arranged on the axis of rotation 61. It is not necessary that the device for light collection 44 and the detector 40 are coupled to the rotational movement.
  • the device for collecting light 44 may also be formed as a concave mirror, as shown schematically in Figure 12. Deflection mirror and device for light collection are united in this way in an optical element.
  • the body 20 is equipped with a detection light deflecting region 36.
  • the detection light deflection region 36 may be an area with light-deflecting structuring, a recess or recess in the body 20, or, as shown in FIG. 13, a beveled surface of the body 20, which thus acts as a deflection mirror 43.
  • FIG. 13 shows yet another possible aspect of the invention.
  • a diaphragm 46 may be arranged between the detection light exit surface 25 and the detector 40. It can be achieved with the diaphragm 46 that, if possible, beam portions 15 deflected only by the probe area 30 are detected by the detector 40.
  • FIG. 13 shows yet another possible aspect of the invention.
  • the device for light collection 44 or the lens forms the probe region 30 on the diaphragm 46. Only the detection light which passes through the opening of the diaphragm 46 can be detected by the detector 40.
  • the aspects of the invention illustrated in FIGS. 14 and 15 relate to the positioning of the probe region 30 within the body 20.
  • the body 20 shown by way of example in FIG. 14 has a cylindrical shape with a circular cross-section, such that the light-beam entry surface 22 and the light beam exit surface 23 are cylindrically curved. Due to the refraction at the light beam entry surface 22, the beam parameters of the light beam 10 change.
  • a curved light beam entry surface 22 that the probe region 30 comes as close as possible is disposed at the light beam entrance surface 22. If the entrance and exit surfaces 22 and 23 are not anti-reflective, then the light beam is not only refracted at these surfaces, but also reflected to a small extent (light beams 12, 13, 14). In the case of curved entry and exit surfaces 22 and 23, the light beam component 13 reflected at the light beam exit surface 23 can be partially focused on the probe region 30 and therefore cause signal distortions in the detection light.
  • the body 20 shown by way of example in FIG. 15 is a cuboid bar with semi-cylindrical side faces, the cross section shown therefore has an exploded circular shape.
  • the light beam entry surface 22 and the light beam exit surface 23 are planar in the effective region in this embodiment, so that the refraction of the light beam 10 at the light beam entry surface 22 has no influence on the beam parameters.
  • a partial reflection 13 of the light beam 10 at the light beam exit surface 23 can then also lead to an increased signal in the detection light, however, the increased signal component is a practically constant factor and therefore has no influence on the determination of the geometric parameters from the detected Signal.
  • the light 14 successively reflected at exit surface 23 and at entrance surface 22 could in principle lead to more pronounced signal distortions, it is already sufficiently attenuated by the two-fold reflection against the useful signal, the detection light deflected from the light beam 10.
  • FIGS. 16, 17, 18 and 19 illustrate possible aspects of the invention which relate to the configuration of the probe region 30.
  • Figure 16 shows two cross-sectional partial views of the body 20 in two different spatial directions perpendicular to the possible directions of movement 51 and 52.
  • the probe area 30 is in this ,
  • Embodiment spherical The projection of the probe area 30 in the direction of the axis 11 of the light beam 10 is thus circular and radially symmetrical with a diameter 33.
  • the light deflecting structuring of the probe area 30 in this example comprises a plurality of structural details 31. Details 31 evenly distributed within the probe area 30.
  • FIG. 17 also shows two partial cross-sectional views of the body 20 with a spherical probe area 30 in two different spatial directions perpendicular to the possible directions of movement 51 and 52.
  • the probe area 30 has a light-deflecting structuring only in the area of its outer spherical shell.
  • the light-deflecting structuring of the probe region 30 is in turn formed by a plurality of structural details 31, which are uniformly distributed within the outer spherical shell of the probe region 30.
  • FIG. 18 shows an embodiment of the body 20 with a disk-shaped probe region 30.
  • the probe region 30 has the shape of a circular disk, which is arranged perpendicular to the axis 11 of the light beam 10 in the body 20.
  • the projection of the probe area 30 in the direction of the axis 11 of the light beam 10 is therefore also circular and radially symmetric with a diameter 33.
  • the light deflecting structuring of the probe area 30 may be formed by a plurality of structural details 31, which are inside the circular disc of the probe region 30 are preferably evenly distributed.
  • the probe region 30 has in this embodiment the shape of an elliptical disc, which is arranged at an angle to the axis 11 of the light beam 10 in the body 20.
  • the angle to the axis 1 1 and the ellipticity of the disc of the probe area 30 are designed so that the projection of the probe area 30 in the direction of the axis 1 1 of the light beam 10 is circular and radially symmetrical with a diameter 33.
  • the relationship between the beam profile along a scanning track in the cross section of a light beam 10 and the signal at the detector 40 is shown schematically in FIG. 20 shown.
  • the probe region 30 has a finite extent and thus defines the width of the scanning function ( Figure 20 center).
  • the beam profile ( Figure 20 above, and dashed in Figure 20 below) is scanned with the probe area 30; In this case, the sampling function is shifted as a function of the time t over the beam profile.
  • this process is represented by a convolution of the beam profile with the sampling function, the result being the detector signal ( Figure 20 below).
  • the detector signal is therefore widened with respect to the beam profile.
  • FIG. 21 schematically shows a spherical probe region 30, in which the light-deflecting structuring is formed by a multiplicity of structural details 31, which in this example are uniformly distributed in the probe region 30 (FIG. 21 b).
  • the spatial density distribution of the structural details is therefore constant or corresponds to a rectangular function (FIG. 21 a).
  • the resulting sampling function of the probe region 30 is not constant, but undergoes a pronounced maximum in the center of the probe region 30 (FIG. 21 c).
  • FIGS. 22, 23 and 24 show examples of spherical probe regions 30 with different rotationally symmetric structure-density distributions.
  • FIG. 22 schematically shows a probe region 30 with a light-scattering structuring, in which the structural details 31 are arranged in an outer spherical shell of the probe region 30 (FIGS. 22 a and b).
  • Figure 22c shows the resulting sampling function which, in contrast to the embodiment of Figure 21, has a pronounced minimum in the center.
  • FIG. 23 shows a probe region 30 in which the structural details 31 in the region of the outer spherical shell of the probe region 30 are distributed most densely and their density decreases towards the center of the probe region 30 (FIGS b).
  • the l resulting scanning function ( Figure 23 c) has an approximately rectangular shape and thus corresponds to the sampling function of a pinhole.
  • FIG. 24 c a sampling function
  • an apparatus for scanning a light beam 10 which comprises a body 20, a probe area 30 and a detector 40.
  • the body 20 is made of an optically transparent material and has a light beam entrance surface 22, a light beam exit surface 23 and a detection light exit surface 25.
  • the light beam 10 can enter the body 20 through the light beam entry surface 22, propagating through the body 20 and exit at the light beam exit surface 23 again.
  • the light beam entrance surface 22 and the light beam exit surface 23 are substantially smooth and polished to avoid unwanted stray light.
  • the body 20 includes a probe area 30 having a light deflecting pattern.
  • the light beam 10 and the body 20 are movable relative to each other.
  • the position of the light beam 10 can be controlled, for example by means of a scanner device, or the body 20 can be moved relative to the light beam 10 by means of a movement device.
  • There are at least two different directions of movement 51, 52 are provided, which are oriented approximately perpendicular to the axis 11 of the light beam 10.
  • a raster movement in the directions of movement 51 and 52 of the probe area 30th of the body 20 is guided by a cross section of the light beam 10 and scanned in this way the intensity distribution of the light beam 10.
  • the probe region 30 As soon as the probe region 30 at least partially detects the light beam 10, a fraction of the light beam 10 is deflected due to the light-deflecting structuring of the probe region 30.
  • the deflected beam portions 15, 16, 17 can propagate in different directions. A portion of the light 17 may be deflected in directions leaving the body 20 without encountering the detector 40. Another part of the deflected light 15 propagates through the body 20, exits at the detection light exit surface 25 and is detected by the detector 40.
  • the detector 40 is a photosensitive detector, such as a photodiode, which converts the incident light into an electrical signal.
  • the signal from the detector 40 is recorded during the scanning movements; From the recorded signals, the intensity distribution in the cross section of the light beam 10 or its beam profile can then be reconstructed.
  • the detection light exit surface 25 and the detector 40 may be jointly enclosed by a cover 48.
  • the probe region 30 may be disposed within the body 20 or directly on a surface of the body 20, for example at the light beam entrance surface 22 or at the light beam exit surface 23.
  • the probe region 30 may be in volume or in plan be educated.
  • the effective area is thus the two-dimensional projection of the probe area 30 on a surface perpendicular to the axis 11 of the light beam 10.
  • This effective area determines how large the sample is taken from the cross section of the light beam 10. In other words, the area of the probe area is effective in the plan view from the direction of the axis of the light beam 10.
  • This two-dimensional projection of the probe area has approximately the same dimensions in the directions of movement 51 and 52.
  • the two-dimensional projection of the probe region 30 For example, 2Q can be a square, a circle, or a regular polygon. Accordingly, the probe area 30 itself may be, for example, a cuboid, a rectangular disk, a sphere, an ellipsoid, a circular disk, or an elliptical disk. Other shapes of the probe area 30 are possible as long as the two-dimensional projection of the shape in the direction of the axis 11 has similar dimensions in the two directions of movement 51, and 52.
  • the optically transparent material of the body 20 has a low absorption and a high thermo-mechanical stability.
  • Suitable materials are, for example, quartz glass, in particular synthetically produced quartz glass, sapphire, and other crystal glasses and optical glasses with a high transmittance. When using quartz glass, a particularly low absorption is achieved; Many quartz glasses have an absorption of less than 100 ppm / cm.
  • the material in the probe region 30 of the body 20 may be the same material as the optically transparent material of the body 20. Outside the probe region 30, the light beam 10 propagates undisturbed through the transparent material. Within the probe region 30, the light beam 10 is deflected by the light deflecting structuring to a fraction in other directions.
  • the light-deflecting effect of the structuring can be based on refraction, reflection or scattering. For this purpose, within the probe region 30, for example, the density or the refractive index of the material may have local changes.
  • the light deflecting structuring may also be formed by a rough interface or surface.
  • the light-deflecting structuring can furthermore be formed by cavities, cracks or other imperfections in the material.
  • the material in the probe region 30 may also be entirely or partially a different material than the material of the body 20.
  • the material in the probe region 30 may also have a doping.
  • the light-deflecting structuring of the probe region 30 can also be formed by fluorescence converters in the material of the probe region 30, such that the deflected light 15 has a different wavelength than the light beam 10.
  • the light-deflecting structuring in the probe region 30 does not have to be uniform , isotropic or spatially constant.
  • the light deflecting structuring in the probe region 30 may also be formed by a single or a plurality of structural details 31.
  • a structural detail 31 may For example, be a microscopic crack or cavity in the material, or a microscopic change in the material in terms of density, refractive index or doping.
  • the probe region 30 can consist of only a single structural detail 31.
  • the probe region 30 may also consist of a plurality of structural details 31.
  • the structural details may partially overlap spatially, but they may also be spaced from one another.
  • the number of structure details 31 per unit volume results in a spatial density of the structuring.
  • the light-deflecting effect of structuring is the greater, i. E. the deflected light component is larger, the higher the density of the structuring.
  • the spatial density distribution function of the structural details is preferably radially symmetric to the center of the probe region 30.
  • the probe region 30 is the so-called internal glass engraving.
  • a pulsed laser beam is focused within the optically transparent material on a very small, for example, diffraction-limited spot. Due to the extreme pulse power densities occurring in the process, a defect can be generated in the focused area. By exploiting non-linear effects, the range of change of the material can be narrowly limited. It is thus possible to produce defects with dimensions in the range of about 1 ⁇ to some 10 ⁇ .
  • the generated defects may be voids, cracks, opacities, or local, almost punctual changes in density and / or refractive index of the material.
  • probe region 30 Another possibility for producing the probe region 30, in particular when the probe region 30 is arranged on the surface of the body 20, consists in selective etching.
  • selective laser etching particularly small and accurate structures can be generated.
  • the material's etchability is greatly enhanced by local laser pulse treatment, and in a second step, the treated material sites are removed by chemical etching.
  • the time profile of the deflected light 15 impinging on the detector 40 and of the signal generated therefrom by the detector 40 does not correspond exactly to the beam profile on the scanned track of the cross section of the light beam 10, but instead corresponds to the detector profile.
  • Signal is widened.
  • the detector Signal is mathematically a convolution of the scanning function of the probe area 30 with the beam profile. In Figure 20, these relationships are shown schematically. If the width of the scanning function defined by the dimensions of the probe area is small compared to the width of the beam profile, for example 1/10 or smaller, then the influence of the scanning function can be neglected. If the width of the scanning function is comparable to the width of the beam profile, then the detector signal is significantly widened, whereby the accuracy of the scan is reduced. A more accurate reconstruction of the beam profile from the detector signal can be achieved by means of a deployment of the detector signal.
  • the scanning function of the probe area 30 is accordingly required.
  • the scanning function is dependent on the shape and the design of the probe area 30 and on the design of the light-deflecting structuring of the probe area 30.
  • the light-deflecting structuring may, for example, be formed by a plurality of structural details 31 whose mean distance between two neighboring structures - details is about the same.
  • the spatial density distribution of the structure details 31 is approximately constant in that case.
  • the probability of the scattering or deflection of the light from the light beam 10 is then least at the edge of the spherical probe region 30 and greatest at the center of the probe region 30.
  • FIG. 21 shows schematically the course of the structure density and the resulting sampling function for this example.
  • a scanning function with a pronounced maximum in the middle results.
  • a probe region 30 with a structuring only in the outer region of a spherical shell has a scanning function which is maximal at the edges and has a minimum in the middle, as shown by way of example in FIG.
  • the invention makes it possible to carry out the scanning function of the probe area 30 in the desired manner.
  • a sampling function corresponding to a conventional pinhole.
  • a pinhole has a rectangular scanning function, because for each point within the aperture of the aperture, the light extraction from the beam cross section is identical ⁇ is.
  • An approximately rectangular scanning function can be achieved with the device according to the invention in that the light deflecting structuring in a spherical probe region 30 has a distribution density that is maximal at the outer edge of the probe region 30 and decreases towards the center of the probe region 30.
  • FIG. 23 schematically shows an example of a probe region 30 configured in this way.
  • An approximately rectangular scanning function can also be achieved with a circular-disk-shaped probe region 30 whose structuring is formed from structural details 31 whose spatial distribution density is within the circular disk-shaped probe region is approximately constant.
  • Other scanning functions can also be advantageous and can be represented by a suitable structuring of the probe region 30.
  • a suitable structuring of the probe region 30 When scanning light beams or laser beams 10 having a substantially Gaussian beam profile, it may be convenient to detect and scan the beam with a Gaussian scan function as well. The broadening of the detector signal can be calculated particularly easily in such cases, so that the reconstruction of the beam profile is particularly simple.
  • An approximately Gaussian scan function can be achieved by means of a density distribution of the light deflecting structuring in a spherical probe region 30, which is maximal in the center of the probe region 30 and decreases sharply towards the edge of the probe region.
  • FIG. 24 schematically shows an example of a probe region 30 with an approximately Gaussian scanning function.
  • thermo-optical changes of the body 20 are small and, due to the measurement principle, have virtually no effect on the detection light generated by the probe region 30.
  • dust on the surfaces of the body scattered light when passing through the light beam 10 can be generated. This scattered light can result in an increased background signal on the detector 40, so that a high dust load of the body can be detected on the basis of the background signal.
  • the invention offers significant advantages over the prior art: •
  • the device allows the scanning and measurement of light beams and laser beams with very high power and / or power density.
  • the power or power density of the beam may be several orders of magnitude higher without affecting or destroying the measuring probe.
  • the device allows the scanning and measurement of light beams with high spatial resolution in all spatial directions.
  • the scanning function can be adapted to many requirements by different structuring of the probe area.
  • the measuring probe according to the invention and the signals generated are insensitive to dust pollution.
  • a high dust load can be detected and taken into account in the signal evaluation.
  • the body 20 may have different shapes.
  • the body may be, for example, a cuboid or a cylinder; it may also be generally rod-shaped, the cross-sectional shape of the rod may be different: for example rectangular, square, trapezoidal, oblique quadrangle, hexagon, octagon, circular, elliptical, exploded circular, semicircular and the like.
  • the body 20 may also be plate, disc or annular.
  • the body 20 may be, for example, a circular disk.
  • the circular disk may have a recess or a bore in the center.
  • the spatial resolution of the scan depends on the size of the probe region 30.
  • the dimensions of the probe area 30 are smaller than the diameter of the light beam 10 to be measured.
  • the probe area 30 may have, for example, dimensions in the direction of the directions of movement 51, 52 of a maximum of 200 ⁇ m.
  • the diameter 33 of the probe region 30 may also be smaller, for example in the range of about 5 ⁇ to 100 ⁇ lie.
  • the movement device for providing a relative movement between the light beam 10 and the body 20 can be designed differently.
  • the body 20 may, for example, be coupled to a movement device consisting of Cartesian linear guides with corresponding drives.
  • At least one movement direction 51 is a rotational movement about a rotation axis 61. Since during a rotational movement the scanning tracks 34 have a curvature, it is provided that the axis of rotation 61 can have a sufficient distance 62 from the axis 11 of the light beam 10. To provide a further direction of movement 52, the axis of rotation 61 can be moved and thus the distance 62 to the axis 1 1 of the light beam 10 are changed.
  • the movement device can perform a vibratory movement.
  • the oscillatory motion may be a parallel motion or a rotational motion.
  • the body 20 may include a detection light deflection region 36.
  • the detection light deflecting region deflects at least part of the beam portion 15 deflected by the probe region 30 in the direction of the detector 40.
  • the detection light deflection region 36 may have a light-deflecting structuring in the material of the body 20.
  • the light-deflecting structuring of the detection light deflection region 36 may be carried out in a similar manner as the light-deflecting structuring of the probe region 30.
  • the detection light deflection region 36 may also be a bevelled surface of the body 20, or be formed by one or more recesses in the body 20 ,
  • the detection light exit surface 25 and the detector 40 further elements for optimizing the beam guidance of the light portion 15 deflected by the probe area 30 can be provided.
  • Possible elements are devices for collecting light, deflecting mirrors, light-diffusing surfaces, or diaphragms.
  • the deflected light 15 emerging from the detection light exit surface can be focused on the detector 40.
  • the light collection device may also be used to image the probe region 30 directly onto the detector 40. It can thus be achieved that the detector 40 selectively detects only light that has been deflected by the probe area 30. In this way, the extraneous light suppression can be improved.
  • the light collection device can be, for example, a lens, a concave mirror, a light guide or a waveguide 2 include.
  • the lens may be any type of lens, ie, a single lens spherical or aspherical lens, a lens system, or a gradient index lens.
  • a deflection mirror 43 may be helpful in decoupling the movement of the body 20 from the detector 40.
  • a light-diffusing surface may be beneficial for reducing or eliminating directional dependencies in detection sensitivity.
  • the body 20 may include one or more additional probe regions 32 in addition to the probe region 30.
  • the further probe regions 32 have a light-deflecting structuring.
  • the light-deflecting structuring of the further probe regions 32 can be carried out in a manner similar to the light-deflecting structuring of the probe region 30.
  • the further probe regions 32 have the same dimensions as the probe region 30.
  • the probe region 30 and the further probe regions 32 are arranged at different positions in the body 20. In particular, the probe area 30 and the further probe areas 32 are spaced apart in the direction of movement 51.
  • the probe area 30 and the further probe areas 32 may, for example, have different azimuthal positions and also different radial distances to the axis of rotation 61. In this way, with a single scan Motion or with a single revolution of the body 20 a plurality of parallel or concentric scan tracks 34 are generated. The sampling time required to completely detect a cross section of the light beam 10 can thereby be significantly reduced.
  • the body 20 may further comprise an elongate region 35 with light deflecting structuring.
  • the elongated region 35 is preferably arranged substantially one-dimensionally and oriented approximately perpendicular to the axis 11 of the light beam 10. In the direction of the movement direction 51, the elongate region 35 is spaced from the probe region 30, which is preferably larger than a diameter of the light beam 10 to be measured. Due to the light-deflecting structuring of the elongated region 35, a portion is deflected out of the light beam 10 the elongate region detects the light beam 10, and a portion of the deflected beam component propagates in the direction of the detector 40 and can be detected by the detector 40.
  • the elongated region 35 may also be embodied as an edge or a side surface of a rod-shaped body 20.
  • the light-deflecting structuring of the elongate region 35 can be carried out in a similar manner as the light-deflecting structuring of the probe region 30.
  • the detection light exit surface 25 may be provided with a reflection-reducing coating.
  • the light beam entrance surface 22 and / or the light beam exit surface 23 may also be provided with a reflection reducing coating, for example a single or multiple dielectric layer.
  • a reflection reducing coating for example a single or multiple dielectric layer.
  • even thin dielectric layers have very low absorptions and typically have lower laser beam damage thresholds than the carrier materials, which is why uncoated light beam entry surfaces 22 and light beam exit surfaces 23 are also provided.
  • the light beam 10 is not only refracted when passing the light beam entrance surface 22 and the light beam exit surface 23, but also reflected to a very small extent (so-called Fresnel reflection), so that reflected light beam portions 12, 13, 14 arise.
  • Fresnel reflection very small extent
  • Some reflected light beam components 13 and 14 can be detected by the probe region 30 and thus lead to disturbances in the detector signal.
  • the light beam exit surface 23 may be inclined relative to the light beam 10. It is also possible to arrange the probe area 30 as close as possible to or directly to the light beam exit area 23, as shown in FIG. Further features and possible embodiments are shown in the figures and shown in the figure descriptions.
  • the invention can be used, for example, to determine the following parameters of a light beam 10: beam diameter, beam profile, intensity distribution, power density, or integral power. If, in addition to the movement directions 51 and 52, an adjustment or drive possibility in the third movement direction 53 parallel to the direction of the axis 11 of the light beam 10 is provided in the movement device of the device according to the invention, the determination of the following parameters of a light beam 10 is furthermore possible: divergence - Angle, beam parameter product, propagation factor, or focus position.
  • the invention can be used to sample very high power and / or power density laser beams.
  • the laser beam may have a power of up to 1000 W and also significantly higher, for example, 100 kW and above.
  • the laser beam can have a power density of up to 5 MW / cm 2 or several orders of magnitude higher.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Mess-Sonde zur Abtastung von Lichtstrahlen (10) oder Laserstrahlen. Die Mess-Sonde ist geeignet zur Abtastung von Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und zur Bestimmung von geometrischen Parametern eines Lichtstrahls (10) mit hoher Ortsauflösung. Dazu wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, die einen Körper (20), einen Sonden-Bereich (30) und einen Detektor (40) umfasst. Der Körper (20) besteht aus einem optisch transparenten Material und hat eine Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22), eine Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) und eine Detektionslicht-Austrittsfläche (25). Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) und die Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) sind im Wesentlichen glatt und poliert. Der Körper (20) beinhaltet den Sonden-Bereich (30), der eine lichtablenkende Strukturierung aufweist. Der Detektor (40) ist ausgebildet, wenigstens einen Teil des vom Sonden-Bereich (30) aus dem Lichtstrahl (10) abgelenkten Strahl-Anteils (15) zu erfassen. Der Körper (20) und der Lichtstrahl (10) sind in zwei verschiedenen Bewegungsrichtungen (51, 52) senkrecht zur Richtung der Achse (11) des Lichtstrahls (10) relativ zueinander bewegbar. Der Sonden-Bereich (30) hat eine Form, deren zweidimensionale Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) annähernd gleiche Abmessungen in den zwei verschiedenen Bewegungsrichtungen (51, 52) senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) hat.

Description

Titel: Transparente Mess-Sonde für Strahl-Abtastung
BESCHREIBUNG
GEBIET DER ERFINDUNG
[0001] Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abtastung von Lichtstrahlen. Die Erfindung ist geeignet zur Bestimmung von geometrischen Parametern wie beispielsweise der Intensitätsverteilung, dem Strahlprofil oder dem Strahldurchmesser im Querschnitt eines Lichtstrahls oder Laserstrahls. Die Erfindung ermöglicht die direkte Abtastung von Laserstrahlen mit höchster Brillanz und Leistung im Kilowatt- und Multi-Kilowatt-Bereich ohne vorherige Abschwächung des Laserstrahls. Die Vorrichtung kann verwendet werden zur Abtastung mehrerer Strahlquerschnitte in verschiedenen Ebenen und kann damit auch zur Bestimmung von Strahlparameter-Produkten, Strahlpropagationsfaktoren oder Fokus- Positionen von Laserstrahlen eingesetzt werden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
[0002] Geometrische Parameter eines Lichtstrahls oder eines Laserstrahls sind wichtige Größen zur Charakterisierung des Strahls. Solche Parameter können beispielsweise der Strahldurchmesser, das Strahlprofil, die Fokus-Position oder das Strahlparameter-Produkt sein. Strahlparameter müssen in vielen Produktionsprozessen, bei denen mit Lichtstrahlen gearbeitet wird, zur Qualitätskontrolle in regelmäßigen Abständen gemessen werden. Besondere Schwierigkeiten sind zu überwinden, wenn es sich bei dem zu vermessenden Lichtstrahl um einen Laserstrahl mit hoher Brillanz und/oder Leistung handelt, und wenn die Strahltaille eines fokussierten Laserstrahls vermessen werden soll, wo sehr hohe Leistungsdichten auftreten. Einerseits kann bei Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung der Sensor oder das Element, das zur Gewinnung eines Sensor-Signals im Strahl befindlich ist, verändert oder zerstört werden. Wenn andererseits zur Vermeidung solcher Probleme zunächst der Strahl abgeschwächt wird, so kann die hohe Leistung eines Strahls die Abschwächungseinrichtung beispielsweise durch induzierte thermische Effekte beeinflussen, wodurch die Parameter des Strahls verändert werden können und demzufolge die Messung unzuverlässig ist.
|Bestätigungskopie [0003] Aus dem Stand der Technik sind derartige Abschwächungseinrichtungen bekannt. Beispielhaft wird auf die DE 10 2011 117 327 AI hingewiesen, die eine vergleichsweise einfache Vorrichtung zur präzisen und reproduzierbaren Abschwächung offenbart, die aus mehreren in unterschiedlichen Raumrichtungen angeordneten Strahlteilern besteht. Die gezeigte Vorrichtung ist nur für kollimierte Strahlen geeignet; ein divergenter oder fokussierter Strahl muss demnach, wie in der Offenbarung gezeigt, zunächst mit einer Linse kollimiert werden. Ein anderes Beispiel für eine Abschwächungseinrichtung zeigt die DE 10 2012 106 779 AI, die nach einem ähnlichen Grundprinzip funktioniert, jedoch auch für divergente Strahlung geeignet ist; eine Linse ist dabei strahlabwärts hinter Strahlteilern angeordnet. In den bekannten Vorrichtungen dieser Art durchläuft die Strahlung mehrere optische Elemente, bevor eine Messstrahlung von einem Detektor registriert werden kann. Die korrekte Funktionsweise der Abschwächungseinrichtungen ohne Beeinflussung des Strahls ist üblicherweise nur gewährleistet, solange die Oberflächen der optischen Elemente nicht kontaminiert oder durch Staub belastet sind. Eine prinzipielle Unsicherheit, ob der Strahl durch die optischen Elemente aufgrund thermischer Wechselwirkung in seinen geometrischen Parametern verändert wurde oder nicht, ist daher kaum zu vermeiden. Um solche Unsicherheiten auszuschalten, ist es notwendig, eine Proben-Entnahme oder Abtastung direkt im unveränderten und nicht abgeschwächten Strahl vorzunehmen.
[0004] Zur Abtastung der Intensitätsverteilung in einer Querschnitts-Ebene des Lichtstrahls sind aus dem Stand der Technik zahlreiche Verfahren bekannt. Eine prinzipielle Möglichkeit zur Messung besteht darin, den Strahl auf einen ortsauflösenden Sensor zu richten, zum Beispiel auf eine CCD-Kamera, und auf diese Weise die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Strahls zu bestimmen. Eine solche direkte Messung mit einem ortsauflösenden Sensor ist für Strahlen höherer Leistung zwangsweise ungeeignet. Es ist daher für Strahlen höherer Leistung üblich, die Intensitätsverteilung in einer Raster-Bewegung, z.B. zeilenweise, mit einer Einrichtung abzutasten, die aus einem kleinen Segment des Strahls eine Probe entnimmt und diese Probenstrahlung auf einen Detektor führt.
[0005] Eine Vorrichtung der vorgenannten Art offenbart beispielsweise die DE 199 09 595 AI . Dort wird der Strahl mit einem Pinhole bzw. mit einer kleinen Lochblende abgetastet mit der Besonderheit, dass hinter dem Pinhole ein Streukörper angeordnet ist, wodurch das gewonnene Messsignal weniger abhängig ist von der Einfallsrichtung der zu vermessenden Strahlung. Eine weitere Vorrichtung dieser Art zeigt die WO 2009/000500 AI. Auch hier wird aus dem Strahl mittels einer Apertur oder einem hohlnadelartigen Abtastkopf, der den Strahlquerschnitt scannend abtastet, ein Teilstrahl ausgekoppelt. Der Teilstrahl wird mittels einer Linse auf einen positionsauflösenden Detektor gerichtet zur Erzeugung von wellenfrontspezifischen Messdaten.
[0006] Es ist nicht immer erforderlich, den Abtastkopf mit einer Bewegungseinrichtung zu koppeln. Wenn ein Strahl vermessen werden soll, der von einer Scanner-Optik erzeugt wird, so lässt sich die Strahlablenkeinrichtung der Scanner-Optik nutzen, um den Strahl in einer Raster-Bewegung über den Abtastkopf zu führen. Solche Vorrichtungen und Verfahren offenbaren beispielsweise die DE 10 2005 038 587 AI und die DE 10 2011 006 553 AI.
[0007] Bei den bekannten Vorrichtungen zur Abtastung eines Strahls ist es erforderlich, den Strahl auf irgendeine Art und Weise zu ortsspezifisch begrenzen, um einen Teilstrahl aus einem kleinen Segment des Strahlquerschnitts zu gewinnen. Diese Begrenzungen können Lochblenden, Aperturen, Hohlnadeln, Umlenkspiegel bzw. deren Rand oder Halterung, oder sonstige Einrichtungen sein. Dabei fällt zwangsweise zeitweilig Strahlung auf diese Begrenzungen, welche bei sehr hohen Leistungsdichten, wie sie im Fokus eines hochbrillanten Strahls auftreten können, zerstört werden können, selbst wenn der Strahl nur für einen sehr kurzen Zeitraum während des Abtast- Vorgangs auf die Begrenzung fällt. Die bekannten Vorrichtungen sind daher nicht geeignet für die Vermessung von Strahlquerschnitten im Bereich der Taille bzw. im Fokus-Bereich von Laserstrahlung mit sehr hoher Leistung. [0008] In der WO 98/50196 wird eine Vorrichtung offenbart zum Detektieren und Berechnen von Fokus-Position, Profil und Leistungsverteilung eines fokussierten Laserstrahls. Dazu wird der Strahl mit einem Licht-beeinflussenden Körper abgetastet. In der gezeigten Ausführungsform ist der Licht-beeinflussende Körper eine quer zum Strahl angeordnete optische Faser, welche Strahlungsanteile aus dem Laserstrahl auf einen Licht-Sensor umlenkt. Dabei erfasst die Faser zwangsweise in einer Richtung immer den ganzen Strahlquerschnitt, so dass das Messsignal ein in einer Dimension integriertes Signal ist und somit in dieser Richtung keine ortsaufgelösten Signale erzeugt werden können. Der Licht-beeinflussende Körper ist in weiteren offenbarten Ausführungsformen reflektierend, z.B. silberhaltig, oder absorbierend ausgestaltet. Somit ist auch die aus der WO 98/50196 bekannte Vorrichtung einerseits nicht für Laserstrahlung höchster Leistung und Brillanz geeignet, und andererseits ist die beschriebene Vorrichtung nicht zur Erzielung hoher örtlicher Auflösung geeignet, da die Offenbarung keinen Aufschluss gibt über eine exakt definierte Wechselwirkungs- Geometrie an oder in den Licht-beeinflussenden Körpern.
[0009] Die aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen und Verfahren weisen demnach erhebliche Nachteile auf im Hinblick auf die Verwendbarkeit bei sehr hoher Laserleistung oder Leistungsdichte, und/oder hinsichtlich der erzielbaren Ortsauflösung.
KURZE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
[0010] Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Mess-Sonde zur Abtastung von Lichtstrahlen zu schaffen, die für die Bestimmung von geometrischen Parametern von Laserstrahlen hoher Leistung oder Leistungsdichte geeignet ist, und die die Bestimmung von geometrischen Parametern in hoher Ortsauflösung ermöglicht.
[0011] Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls vorgeschlagen, die einen Körper, einen Sonden-Bereich und einen Detektor umfasst. Der Körper besteht aus einem optisch transparenten Material und hat eine Lichtstrahl- Eintrittsfläche, eine Lichtstrahl- Austrittsfläche und eine Detektionslicht-Austrittsfläche. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche und die Lichtstrahl-Austrittsfläche sind im Wesentlichen glatt und poliert. Der Körper beinhaltet den Sonden-Bereich, der eine lichtablenkende Strukturierung aufweist. Der Detektor ist ausgebildet, wenigstens einen Teil des vom Sonden-Bereich aus dem Lichtstrahl abgelenkten Strahl-Anteils zu erfassen. Der Körper und der Lichtstrahl sind in zwei verschiedenen Bewegungsrichtungen senkrecht zur Richtung der Achse des Lichtstrahls relativ zueinander bewegbar. Der Sonden-Bereich hat eine Form, deren zweidimensionale Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Achse des Lichtstrahls (bzw. Projektion in Richtung der Achse des Lichtstrahls) annähernd gleiche Abmessungen in den zwei verschiedenen Bewegungsrichtungen senkrecht zur Achse des Lichtstrahls hat.
[0012] Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Sonden-Bereich eine Form aufweist, deren zweidimensionale Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Achse des Lichtstrahls (bzw. Projektion in Richtung der Achse des Lichtstrahls) radialsymmetrisch ist. [0013] Der Körper kann in einer Ausfiinrungsforrn der Erfindung stabförmig sein.
[0014] Es ist auch eine Ausfuhrungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Körper scheibenförmig ist.
[0015] Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich kann gebildet sein durch Variation von Brechzahl und/oder Dichte eines Materials im Sonden-Bereich. [0016] Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich kann auch gebildet sein durch eine Rauigkeit einer Fläche.
[0017] Es ist ebenfalls vorgesehen, dass die lichtablenkende Strukturierung im Sonden- Bereich gebildet sein kann durch einen oder mehrere Hohlräume oder Risse im Material des Sonden-Bereichs.
[0018] Es ist weiterhin vorgesehen, dass die lichtablenkende Strukturierung im Sonden- Bereich gebildet sein kann durch eine Dotierung eines Materials im Sonden-Bereich. [0019] Die lichtablenkende Stnikturierung im Sonden-Bereich kann hergestellt sein mittels eines fokussierten Kurzpuls-Lasers.
[0020] Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Sonden-Bereich kugelförmig ist.
[0021] In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich gebildet durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten, deren räumliche Dichte- Verteilung innerhalb des Sonden-Bereichs radialsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ist.
[0022] Das optisch transparente Material des Körpers kann eine Absorption von weniger als 100 ppm/cm im Bereich der Wellenlänge des abzutastenden Lichtstrahls aufweisen. [0023] Bei einer möglichen Ausführungsform der Erfindung beinhaltet der Körper einen Detektionslicht-Umlenkbereich, welcher zumindest einen Teil des vom Sonden-Bereich abgelenkten Strahl- Anteils in Richtung zum Detektor umlenkt. [0024] Der Detektionslicht-Umlenkbereich kann gebildet sein durch eine lichtablenkende Strukturierung.
[0025] Der Detektionslicht-Umlenkbereich kann auch gebildet sein durch eine oder mehrere Aussparungen im Körper.
[0026] Der Detektionslicht-Umlenkbereich kann weiterhin gebildet sein durch eine abgeschrägte Fläche des Körpers.
[0027] Es ist eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der der Körper ortsfest ist und der Lichtstrahl gegenüber dem Körper bewegbar ist.
[0028] Es ist auch eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der der Körper gegenüber dem Lichtstrahl bewegbar ist. [0029] In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung wird eine Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls erzeugt durch eine Rotationsbewegung des Körpers um eine Drehachse, die zur Achse des Lichtstrahls einen Abstand aufweist.
[0030] Eine andere Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls kann erzeugt werden durch Änderung des Abstandes der Drehachse zur Achse des Lichtstrahls.
[0031] Bei einer weiteren möglichen Ausführungsform der Erfindung wird eine Bewegungsrichtung zur Abtastung des Lichtstrahls erzeugt durch eine Schwingungsbewegung des Körpers.
[0032] Es ist eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Körper zusätzlich in einer Richtung längs der Ache des Lichtstrahls bewegbar ist. [0033] In einer möglichen Ausführungsform der Erfindung ist zwischen der Detektionslicht- Austrittsfläche des Körpers und dem Detektor eine Einrichtung zur Lichtsammlung angeordnet. Die Einrichtung zur Lichtsammlung umfasst wenigstens eines der folgenden Elemente: eine Linse, eine Gradientenindexlinse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter, oder einen Hohlleiter.
[0034] Es ist eine Ausführungsform der Vorrichtung vorgesehen, bei der der Körper weitere Sonden-Bereiche beinhaltet, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind zur Erzeugung von mehreren parallelen oder konzentrischen Abtastspuren.
[0035] Es ist auch eine Ausführungsform der Erfindung vorgesehen, bei der der Körper zusätzlich zum Sonden-Bereich einen länglichen Bereich mit einer lichtablenkenden Strukturierung beinhaltet. Der längliche Bereich ist im Wesentlichen eindimensional ausgestaltet, hat in Richtung einer Bewegungsrichtung einen Abstand zum Sonden-Bereich und ist senkrecht zur Achse des Lichtstrahls orientiert angeordnet.
[0036] Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zum Bestimmen wenigstens eines der folgenden Parameter des Lichtstrahls verwendet werden: Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls, Divergenz-Winkel, Strahlparameter- Produkt, Propagationsfaktor, Fokusposition.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGUREN
[0037] Die Erfindung wird anhand der folgenden Figuren näher dargestellt, ohne auf die gezeigten Ausführungsformen beschränkt zu sein. Es zeigt:
[0038] Figur 1 : Eine schematische Querschnitts-Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls.
[0039] Figur 2: Eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der
Erfindung mit einem rechteckförmigen Stab als Körper, mit einem Umlenkspiegel für das Detektionslicht und mit einer Drehachse zur Erzeugung einer Relativbewegung. [0040] Figur 3: Eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Scheibe als Körper.
[0041] Figur 4: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung mit einem zylinderförmigen Körper, mit einer abgeschrägten Fläche des Körpers zur Umlenkung des Detektionslichts und mit einer Drehachse zur Erzeugung einer Relativbewegung.
[0042] Figur 5: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung mit einem Detektionslicht-Umlenkbereich innerhalb eines stabförmigen Körpers.
[0043] Figur 6: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung mit einem scheibenförmigen Körper, mit einem Detektionslicht- Umlenkbereich innerhalb des Körpers und mit einer Drehachse zur Erzeugung einer Relativbewegung.
[0044] Figur 7: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung, bei dem der Körper zusätzlich einen länglichen Bereich mit lichtablenkender Strukturierung aufweist.
[0045] Figur 8: Eine schematische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der
Erfindung mit einem scheibenförmigen Körper, mit einem Detektionslicht- Umlenkbereich innerhalb des Körpers und mit zusätzlichen Sonden-Bereichen im Körper zur Erzeugung von mehreren konzentrischen Abtastspuren mit einer einzelnen Umdrehung des Körpers.
[0046] Figur 9: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Linse, die den Sonden-Bereich auf den Detektor abbildet.
[0047] Figur 10: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren
Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einer Linse, welche die Detektionslicht- Austrittsfläche auf den Detektor abbildet. Figur 11 : Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung mit einem Umlenkspiegel für das Detektionslicht und mit einer Linse als Einrichtung zur Lichtsammlung.
Figur 12: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfindung mit einem Hohlspiegel als Einrichtung zur Lichtsammlung.
Figur 13: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines weiteren Ausfuhrungsbeispiels der Erfindung mit einer abgeschrägten Fläche des Körpers zur Umlenkung des Detektionslichts, mit einer Blende und mit einer Linse, welche den Sonden-Bereich auf die Öffnung der Blende abbildet.
Figur 14: Eine Teil- Ansicht der Erfindung in einer Aufsicht auf den Körper, der in diesem Ausführungsbeispiel als zylindrischer Stab ausgebildet ist, mit einem Sonden-Bereich nahe der Lichtstrahl-Eintrittsfläche und mit einer zusätzlichen Darstellung der Lichtstrahlen, die an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche und an der Lichtstrahl- Austrittsfläche reflektiert werden.
Figur 15: Eine Teil- Ansicht der Erfindung in einer Aufsicht auf den Körper, der in diesem Ausführungsbeispiel als Stab mit halbzylindrischen Seitenflächen ausgebildet ist, mit einem Sonden-Bereich nahe der Lichtstrahl-Austrittsfläche und mit einer zusätzlichen Darstellung der Lichtstrahlen, die an der Lichtstrahl- Eintrittsfläche und an der Lichtstrahl-Austrittsfläche reflektiert werden.
Figur 16: Eine schematische Darstellung des Sonden-Bereichs in einer möglichen Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sonden-Bereich kugelförmig ausgebildet ist und der gesamte Sonden-Bereich eine lichtablenkende Strukturierung aufweist.
Figur 17: Eine schematische Darstellung des Sonden-Bereichs in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sonden-Bereich kugelförmig ausgebildet ist und nur ein äußerer Kugelschalen-Bereich des Sonden-Bereichs eine lichtablenkende Strukturierung aufweist.
Figur 18: Eine schematische Darstellung des Sonden-Bereichs in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sonden-Bereich kreisscheibenförmig ausgebildet ist.
[0056] Figur 19: Eine schematische Darstellung des Sonden-Bereichs in einer weiteren
Ausführungsform der Erfindung, bei welcher der Sonden-Bereich ellipsenförmig ausgebildet ist und schräg zur Achse des Lichtstrahls im Körper angeordnet ist, so dass die Projektion des Sonden-Bereichs in Richtung der Achse des Lichtstrahls eine radialsymmetrische Kreisscheibe darstellt.
[0057] Figur 20: Eine schematische Darstellung eines Strahlpro fils im Querschnitt eines
Lichtstrahls (oben); einer Abtastfunktion (Mitte) und eines Detektor-Signals, das durch Faltung des Strahlprofils mit der Abtastfunktion entsteht (unten).
[0058] Figur 21 : Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines kugelförmigen
Sonden-Bereichs mit gleichmäßiger Verteilung von Struktur-Einzelheiten innerhalb des Sonden-Bereichs (b); eine schematische Darstellung der
Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten (a); und eine Simulation der resultierenden Abtastfunktion für einen Sonden-Bereich mit dieser Strukturierung (c). [0059] Figur 22: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines kugelförmigen
Sonden-Bereichs mit einer lichtablenkenden Strukturierung, die nur in einer äußeren Kugelschale des Sonden-Bereichs Struktur-Einzelheiten aufweist (b); eine schematische Darstellung der Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten (a); und eine Simulation der resultierenden Abtastfunktion für einen Sonden- Bereich mit dieser Strukturierung (c).
[0060] Figur 23: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines kugelförmigen
Sonden-Bereichs mit einer lichtablenkenden Strukturierung, bei der die Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten am Rand des Sonden-Bereichs maximal ist und zum Zentrum des Sonden-Bereichs hin abnimmt (b); eine schematische Darstellung der Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten (a); und eine Simulation der resultierenden, ungefähr rechteckförmigen Abtastfunktion für einen Sonden-Bereich mit dieser Strukturierung (c).
[0061] Figur 24: Eine schematische Querschnitts-Darstellung eines kugelförmigen
Sonden-Bereichs mit einer lichtablenkenden Strukturierung, bei der die Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten im Zentrum des Sonden-Bereichs maximal ist und zum Rand des Sonden-Bereichs hin abnimmt (b); eine schematische Darstellung der Verteilungsdichte der Struktur-Einzelheiten (a); und eine Simulation der resultierenden, ungefähr gauß-förmigen Abtastfunktion für einen Sonden-Bereich mit dieser Strukturierung (c).
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER FIGUREN [0062] Figur 1 zeigt schematisch eine Schnitt-Darstellung der Erfindung. Ein Laserstrahl oder Lichtstrahl 10 mit einer Achse 11 trifft auf die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 eines Körpers 20, der aus einem transparenten optischen Material besteht. Der Lichtstrahl 10 propagiert durch den Körper 20 und tritt über die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 wieder aus dem Körper 20 aus. Der Körper 20 beinhaltet einen Sonden-Bereich 30 mit einer lichtablenkenden Strukturierung. An der lichtablenkenden Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 wird ein Teil des Lichtstrahls 10 in andere Richtungen abgelenkt, wenn der Lichtstrahl 10 auf den Sonden- Bereich 30 trifft. Ein Teil des Lichts 17 kann in Richtungen abgelenkt werden, bei der es den Körper 20 verlässt, ohne auf den Detektor 40 zu treffen. Ein anderer Teil des Lichts 15 wird in eine Richtung abgelenkt, bei der das abgelenkte Licht 15 innerhalb des Körpers 20 zur Detektionslicht-Austrittsfläche 25 geführt wird, an der das abgelenkte Licht 15 den Körper 20 verlässt. Zumindest ein Teil des abgelenkten Lichts 15 wird vom Detektor 40 erfasst. Zur Vermeidung von unerwünschten Lichtanteilen auf dem Detektor 40 können die Detektionslicht-Austrittsfläche 25 und der Detektor 40 gemeinsam von einer Abdeckung 48 umschlossen sein. Der Körper 20 und der Lichtstrahl 10 sind in mehreren Raumrichtungen 51, 52, 53 relativ zueinander bewegbar.
[0063] In Figur 2 ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt, bei der der Körper 20 eine längliche stabförmige Gestalt mit einem rechteckförmigen Querschnitt hat. Zur Erzeugung einer Relativbewegung 51 zwischen Lichtstrahl 10 und Körper 20 ist der Körper 20 auf einer Drehachse 61 drehbar gelagert, welche vorzugsweise parallel zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 angeordnet ist. Zur Erzeugung einer weiteren Relativbewegung 52 zwischen Lichtstrahl 10 und Körper 20 sind der Körper 20 und die Drehachse 61 so an eine Bewegungseinrichtung gekoppelt, dass der Abstand 62 zwischen Achse 1 1 des Lichtstrahls 10 und Drehachse 61 verstellbar ist. Auf der Drehachse 61 ist ein Umlenkspiegel 43 angeordnet, welcher das über die Detektionslicht- Austrittsfläche 25 propagierende abgelenkte Licht 15 in Richtung zum Detektor 40 umlenkt. Der Umlenkspiegel 43 ist vorzugsweise mit dem Körper 20 starr gekoppelt, rotiert also ebenfalls um die Drehachse 61. Der ebenfalls auf der Drehachse 61 angeordnete Detektor 40 muss jedoch nicht mit dem Körper 20 und dem Umlenkspiegel 43 starr gekoppelt sein, ist aber vorzugsweise mit der Bewegungseinrichtung gekoppelt, die die Relativbewegung 52 erzeugt, damit die Position des Detektors 40 auf der Drehachse 61 bleibt.
[0064] Figur 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem der Körper 20 nicht stabförmig ausgeführt ist, sondern eine scheibenförmige Gestalt besitzt und eine Ausnehmung in der Mitte aufweist. Die Drehachse verläuft vorzugsweise durch die Mitte bzw. entlang der Symmetrieachse des scheibenförmigen Körpers 20. Die sonstige Ausgestaltung kann entsprechend Figur 2 ausgeführt sein. [0065] In Figur 4 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ähnlich der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform dargestellt. Im Unterschied zu Figur 2 ist der Körper 20 als zylinderförmiger Stab ausgebildet. Weiterhin umfasst der Körper 20 in diesem Beispiel einen Detektionslicht-Umlenkbereich 36. Der Detektionslicht-Umlenkbereich 36 kann, wie in Figur 4 gezeigt, als eine abgeschrägte Fläche des Körpers 20 ausgestaltet sein, und wirkt somit wie ein Umlenkspiegel 43.
[0066] Bei dem in Figur 5 gezeigten Ausführungsbeispiel der Erfindung weist der Körper 20 ebenfalls einen Detektionslicht-Umlenkbereich 36 auf. Im Unterschied zu Figur 4 ist der Detektionslicht-Umlenkbereich 36 hier ein Bereich innerhalb des stabförmigen Körpers 20, der beispielsweise durch eine lichtablenkende Strukturierung gebildet sein kann.
[0067] Figur 6 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem ein Detektionslicht- Umlenkbereich 36 in einem scheibenförmigen Körper 20 angeordnet ist. Der Detektionslicht- Umlenkbereich 36 ist dabei vorzugsweise in der Mitte des scheibenförmigen Körpers angeordnet und lenkt einen Teil des vom Sonden-Bereich 30 abgelenkten Lichts in Richtung zum Detektor 40 um. Der Detektor 40 kann in der Drehachse 61 angeordnet sein, um die der scheibenförmige Körper 20 rotiert zur Erzeugung der Relativbewegung 51 gegenüber dem Lichtstrahl 10. Der Detektor 40 selbst muss dabei nicht zusammen mit dem Körper 20 um die Drehachse 61 rotieren.
[0068] Bei dem in Figur 7 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung beinhaltet der Körper 20 zusätzlich einen länglichen Bereich 35 mit einer lichtstreuenden Strukturierung. Der längliche Bereich 35 ist zum Sonden-Bereich 30 in der Bewegungsrichtung 51 beabstandet angeordnet. Bei jeder Abtastung-Bewegung wird dadurch ein zusätzliches Signal auf dem Detektor 40 erzeugt, welches zur Synchronisation der Signale aus den einzelnen Abtast-Bewegungen genutzt werden kann.
[0069] In Figur 8 ist ein Ausführungsbeispiel ähnlich Figur 6 dargestellt. In diesem Beispiel sind zusätzlich zu dem Sonden-Bereich 30 weitere Sonden-Bereiche 32 in verschiedenen azimutalen Positionen im scheibenförmigen Körper 20 angeordnet. Die Sonden-Bereiche 32 können zur Drehachse 61 verschiedene Abstände aufweisen, so dass mit einer einzelnen Umdrehung des Körpers 20 mehrere konzentrische Abtast-Spuren 34 erzeugt werden. Die Abtast-Zeit zur vollständigen Erfassung eines Querschnitts des Lichtstrahls 10 kann dadurch erheblich reduziert werden.
[0070] In Figur 9 ist ein weiterer möglicher Aspekt der Erfindung dargestellt. Zwischen der Detektionslicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 ist in diesem Beispiel eine Einrichtung zur Lichtsammlung 44 angeordnet. Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann eine Linse sein, die im gezeigten Ausführungsbeispiel von Figur 9 den Sonden-Bereich 30 auf den Detektor 40 abbildet. Einerseits kann mit der Einrichtung zur Lichtsammlung 44 der Lichtanteil erhöht werden, der vom Detektor 40 erfasst wird, andererseits bewirkt die die exakte Abbildung des Sonden-Bereichs 30 auf den Detektor 40 eine Selektion des detektierten Lichtanteils. Mittels dieser Detektionslicht- Selektion kann unerwünschtes Streulicht ausgeblendet werden. Allerdings kann es auch als Detektionslicht erwünschte Strahl- Anteile 16 geben, die zwar durch Totalreflexion innerhalb des Körpers 20 zur Detektionslicht- Austrittsfläche 25 geführt werden, aber aufgrund der Strahl-Selektion durch die Abbildung den Detektor 40 nicht erreichen können. ^
[0071] Figur 10 zeigt einen ähnlichen Aspekt der Erfindung wie Figur 9. In dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel wird nicht der Sonden-Bereich 30 durch die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 bzw. durch die Linse abgebildet, sondern die Detektionslicht- Austrittsfläche 25 wird auf den Detektor 40 abgebildet. Dadurch kann ein wesentlich größerer Anteil an abgelenkter Strahlung 15 vom Detektor 40 erfasst werden. Auch Strahlungs- Anteile 16, die durch Totalreflexion innerhalb des Körper 20 zur Detektionslicht- Austrittsfläche 25 geführt werden, können damit auf den Detektor 40 abgebildet werden.
[0072] Auch bei dem in Figur 11 dargestellten Ausführungsbeispiel wird die Detektionslicht- Austrittsfläche 25 mittels einer Linse als Einrichtung zur Lichtsammlung 44 auf den Detektor 40 abgebildet. Zusätzlich wird das Detektionslicht 15 mittels eines Umlenkspiegels 43 umgelenkt. Eine Anordnung mit Umlenkung des Detektionslichts ist günstig, wenn die Relativbewegung 51 durch Rotation des Körpers 20 um eine Drehachse 61 erzeugt wird. Vorzugsweise werden Umlenkspiegel 43 und Einrichtung zur Lichtsammlung 44 auf der Drehachse 61 angeordnet. Dabei ist es nicht erforderlich, dass die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 und der Detektor 40 mit der Rotationsbewegung gekoppelt sind.
[0073] Die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann auch als Hohlspiegel ausgebildet sein, wie in Figur 12 schematisch dargestellt. Umlenkspiegel und Einrichtung zur Lichtsammlung sind auf diese Weise in einem optischen Element vereint.
[0074] Bei dem in Figur 13 dargestellten möglichen Aspekt der Erfindung ist der Körper 20 mit einem Detektionslicht-Umlenkbereich 36 ausgestattet. Der Detektionslicht- Umlenkbereich 36 kann ein Bereich mit lichtablenkender Strukturierung, eine Aussparung oder Ausnehmung im Körper 20, oder, wie in Figur 13 gezeigt, eine abgeschrägte Fläche des Körpers 20 sein, die somit wie ein Umlenkspiegel 43 wirkt. Die Figur 13 zeigt noch einen weiteren möglichen Aspekt der Erfindung. Zwischen der Detektionslicht-Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 kann eine Blende 46 angeordnet sein. Mit der Blende 46 kann erreicht werden, dass möglichst nur vom Sonden-Bereich 30 abgelenkte Strahl- Anteile 15 vom Detektor 40 erfasst werden. Dazu bildet in dem in Figur 13 gezeigten Ausführungsbeispiel die Einrichtung zur Lichtsammlung 44 bzw. die Linse den Sonden-Bereich 30 auf die Blende 46 ab. Nur das Detektionslicht, welches die Öffnung der Blende 46 passiert, kann vom Detektor 40 erfasst werden. [0075] Die in den Figuren 14 und 15 dargestellten Aspekte der Erfindung betreffen die Positionierung des Sonden-Bereichs 30 innerhalb des Körpers 20. Der in Figur 14 beispielhaft gezeigte Körper 20 hat eine zylindrische Form mit einem kreisförmigen Querschnitt, so dass die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 zylindrisch gekrümmt sind. Durch die Brechung an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 ändern sich die Strahl- Parameter des Lichtstrahls 10. Damit die Änderungen einen möglichst geringen Einfluss auf die Abtastung haben, ist es bei einer gekrümmten Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 günstig, dass der Sonden-Bereich 30 möglichst nahe an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 angeordnet ist. Sind die Eintritts- und Austrittsflächen 22 und 23 nicht entspiegelt, dann wird der Lichtstrahl an diesen Flächen nicht nur gebrochen, sondern zu einem geringen Anteil auch reflektiert (Lichtstrahlen 12, 13, 14). Bei gekrümmten Eintritts- und Austrittsflächen 22 und 23 kann der an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 reflektierte Lichtstrahl-Anteil 13 teilweise fokussiert auf den Sonden-Bereich 30 treffen und deshalb Signal Verfälschungen im Detektionslicht verursachen.
[0076] Der in Figur 15 als Beispiel dargestellte Körper 20 ist ein quaderförmiger Stab mit halbzylindrischen Seitenflächen, der gezeigte Querschnitt hat daher eine auseinandergezogene Kreisform. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 sind in diesem Ausführungsbeispiel im wirksamen Bereich eben, so dass die Brechung des Lichtstrahls 10 an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 keinen Einfluss auf die Strahl-Parameter hat. In einem solchen Fall ist es möglich, den Sonden-Bereich 30 nahe an der Lichtstrahl- Austrittsfläche 23 anzuordnen. Eine teilweise Reflexion 13 des Lichtstrahls 10 an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 kann dann zwar auch zu einem erhöhten Signal im Detektionslicht führen, jedoch ist der erhöhte Signal-Anteil ein praktisch konstanter Faktor und hat daher keinen Einfluss auf die Bestimmung der geometrischen Parameter aus dem detektierten Signal. Das nacheinander an Austrittsfläche 23 und an Eintrittsfläche 22 reflektierte Licht 14 könnte zwar prinzipiell zu deutlicheren Signalverfälschungen führen, ist aber durch die zweimalige Reflexion bereits gegenüber dem Nutzsignal, dem aus dem Lichtstrahl 10 abgelenkten Detektionslicht, ausreichend stark abgeschwächt.
[0077] In den Figuren 16, 17, 18 und 19 sind mögliche Aspekte der Erfindung dargestellt, die die Ausgestaltung des Sonden-Bereichs 30 betreffen. Figur 16 zeigt zwei Querschnitt- Teilansichten des Körpers 20 in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen senkrecht zu den möglichen Bewegungsrichtungen 51 und 52. Der Sonden-Bereich 30 ist in diesem , ,
16
Ausfuhrungsbeispiel kugelförmig. Die Projektion des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 ist somit kreisförmig und radialsymmetrisch mit einem Durchmesser 33. Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 umfasst in diesem Beispiel eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31. Dabei sind die Struktur- Einzelheiten 31 innerhalb des Sonden-Bereichs 30 gleichmäßig verteilt.
[0078] Figur 17 zeigt ebenfalls zwei Querschnitt-Teilansichten des des Körpers 20 mit einem kugelförmigen Sonden-Bereich 30 in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen senkrecht zu den möglichen Bewegungsrichtungen 51 und 52. Im Ausführungsbeispiel der Figur 17 ist weist der Sonden-Bereich 30 eine lichtablenkende Strukturierung nur im Bereich seiner äußeren Kugelschale auf. Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 ist wiederum durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 ausgebildet, die innerhalb der äußeren Kugelschale des Sonden-Bereichs 30 gleichmäßig verteilt sind. [0079] In Figur 18 ist ein Ausführungsbeispiel des Körpers 20 mit einem scheibenförmigen Sonden-Bereich 30 dargestellt. Der Sonden-Bereich 30 hat die Form einer Kreisscheibe, die senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 im Körper 20 angeordnet ist. Die Projektion des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 ist daher ebenfalls kreisförmig und radialsymmetrisch mit einem Durchmesser 33. Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 kann durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 ausgebildet sein, die innerhalb der Kreisscheibe des Sonden-Bereichs 30 vorzugsweise gleichmäßig verteilt sind.
[0080] Figur 19 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Körpers 20 mit einem scheibenförmigen Sonden-Bereich 30 in zwei Querschnitt-Teilansichten des des Körpers 20 in zwei unterschiedlichen Raumrichtungen senkrecht zu den möglichen Bewegungsrichtungen 51 und 52. Der Sonden-Bereich 30 hat in diesem Ausführungsbeispiel die Form einer elliptischen Scheibe, die unter einem Winkel zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 im Körper 20 angeordnet ist. Der Winkel zur Achse 1 1 und die Elliptizität der Scheibe des Sonden-Bereichs 30 sind so ausgestaltet, dass die Projektion des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der Achse 1 1 des Lichtstrahls 10 kreisförmig und radialsymmetrisch mit einem Durchmesser 33 ist.
[0081] Der Zusammenhang zwischen dem Strahlprofil entlang einer Abtastspur im Querschnitt eines Lichtstrahls 10 und dem Signal am Detektor 40 ist schematisch in Figur 20 dargestellt. Der Sonden-Bereich 30 hat eine endliche Ausdehnung und definiert damit die Breite der Abtastfunktion (Figur 20 Mitte). Das Strahlprofil (Figur 20 oben, und gestrichelt in Figur 20 unten) wird mit dem Sonden-Bereich 30 abgetastet; dabei wird quasi die Abtastfunktion in Abhängigkeit der Zeit t über das Strahlprofil geschoben. Mathematisch wird dieser Vorgang dargestellt durch eine Faltung des Strahlprofils mit der Abtastfunktion, das Ergebnis ist das Detektor-Signal (Figur 20 unten). Das Detektor-Signal ist demzufolge gegenüber dem Strahlprofil verbreitert.
[0082] Figur 21 zeigt schematisch einen kugelförmigen Sonden-Bereich 30, bei dem die lichtablenkende Strukturierung durch eine Vielzahl von Struktur-Einzelheiten 31 gebildet ist, die in diesem Beispiel gleichmäßig im Sonden-Bereich 30 verteilt sind (Figur 21 b). Die räumliche Dichte-Verteilung der Struktur-Einzelheiten ist also konstant bzw. entspricht einer Rechteck-Funktion (Figur 21 a). Die daraus resultierende Abtastfunktion des Sonden- Bereichs 30 ist jedoch nicht konstant, sondern durchläuft ein ausgeprägtes Maximum im Zentrum des Sonden-Bereichs 30 (Figur 21 c).
[0083] Wenn die lichtablenkende Strukturierung innerhalb des Sonden-Bereichs 30 durch eine Vielzahl von Struktur-Einzelheiten 31 gebildet ist, muss die räumliche Dichte- Verteilung der Struktur-Einzelheiten 31 nicht konstant sein; sie kann stattdessen innerhalb des Sonden- Bereichs 30 variieren, dass heißt, der mittlere Abstand zwischen benachbarten Struktur- Einzelheiten 31 kann in unterschiedlichen Teilbereichen des Sonden-Bereichs 30 verschieden sein. Es ist damit möglich, den Verlauf der Abtastfunktion zu beeinflussen. Die Figuren 22, 23 und 24 zeigen Beispiele für kugelförmige Sonden-Bereiche 30 mit unterschiedlichen rotationssymmetrischen Struktur-Dichte-Verteilungen.
[0084] In Figur 22 ist ein Sonden-Bereich 30 mit einer lichtstreuenden Strukturierung schematisch dargestellt, bei dem die Struktur-Einzelheiten 31 in einer äußeren Kugelschale des Sonden-Bereichs 30 angeordnet sind (Figur 22 a und b). Figur 22 c zeigt die resultierende Abtastfunktion, die im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel der Figur 21 ein ausgeprägtes Minimum im Zentrum aufweist.
[0085] Figur 23 zeigt einen Sonden-Bereich 30, bei dem die Struktur-Einzelheiten 31 in Bereich der äußeren Kugelschale des Sonden-Bereichs 30 am dichtesten verteilt sind und deren Dichte zum Zentrum des Sonden-Bereichs 30 hin abnimmt (Figur 23 a und b). Die l resultierende Abtastfunktion (Figur 23 c) hat einen ungefähr rechteckförmigen Verlauf und entspricht damit der Abtastfunktion einer Lochblende.
[0086] Im Gegensatz dazu ist in Figur 24 ein Sonden-Bereich 30 dargestellt, bei dem die Struktur-Einzelheiten 31 im Zentrum am dichtesten verteilt sind und die Dichte zum Rand des Sonden-Bereichs 30 hin abnimmt (Figur 24 a und b). Damit kann eine Abtastfunktion (Figur 24 c) dargestellt werden, die einen ungefähr gaußförmigen Verlauf hat.
AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG [0087] Es soll eine Lösung für das Problem angegeben werden, dass aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur Strahl-Analyse bei Anwendung an Lichtstrahlen oder Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung ungenau sind oder zerstört werden können. Demgegenüber soll eine Vorrichtung zur Abtastung von Lichtstrahlen geschaffen werden, die für die Bestimmung von geometrischen Parametern von Laserstrahlen hoher Leistung oder Leistungsdichte geeignet ist, und die die Bestimmung von geometrischen Parametern in hoher Ortsauflösung ermöglicht.
[0088] Zur Lösung der Aufgabenstellung wird eine Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls 10 vorgeschlagen, die einen Körper 20, einen Sonden-Bereich 30 und einen Detektor 40 umfasst. Der Körper 20 besteht aus einem optisch transparenten Material und hat eine Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22, eine Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 und eine Detektionslicht- Austrittsfläche 25. Über die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 kann der Lichtstrahl 10 in den Körper 20 eintreten, durch den Körper 20 propagieren und an der Lichtstrahl- Austrittsfläche 23 wieder austreten. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und die Lichtstrahl- Austrittsfläche 23 sind im Wesentlichen glatt und poliert, um unerwünschtes Streulicht zu vermeiden. Der Körper 20 beinhaltet einen Sonden-Bereich 30 mit einer lichtablenkenden Strukturierung.
[0089] Der Lichtstrahl 10 und der Körper 20 sind relativ zueinander bewegbar. Dazu kann die Position des Lichtstrahls 10, beispielsweise mittels einer Scanner-Einrichtung, gesteuert werden, oder der Körper 20 ist mittels einer Bewegungseinrichtung gegenüber dem Lichtstrahl 10 bewegbar. Es sind zumindest zwei verschiedene Bewegungsrichtungen 51, 52 vorgesehen, die ungefähr senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 orientiert sind. Mittels einer Raster-Bewegung in den Bewegungsrichtungen 51 und 52 wird der Sonden-Bereich 30 des Körpers 20 durch einen Querschnitt des Lichtstrahls 10 geführt und auf diese Weise die Intensitätsverteilung des Lichtstrahls 10 abgetastet. Es kann weiterhin eine dritte Bewegungsrichtung 53 vorgesehen sein, die ungefähr parallel zur Achse 1 1 des Lichtstrahls 10 orientiert angeordnet ist. Mit einer Bewegung des Körpers 20 in dieser Bewegungsrichtung 53 können nacheinander mehrere Querschnitte des Lichtstrahls 10 entlang der Achse 1 1 abgetastet werden.
[0090] Sobald der Sonden-Bereich 30 den Lichtstrahls 10 zumindest teilweise erfasst, wird aufgrund der lichtablenkenden Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 ein Bruchteil des Lichtstrahls 10 abgelenkt. Die abgelenkten Strahl- Anteile 15, 16, 17 können sich in verschiedene Richtungen ausbreiten. Ein Teil des Lichts 17 kann in Richtungen abgelenkt werden, bei der es den Körper 20 verlässt, ohne auf den Detektor 40 zu treffen. Ein anderer Teil des abgelenkten Lichts 15 propagiert durch den Körper 20, tritt an der Detektionslicht- Austrittsfläche 25 aus und wird vom Detektor 40 erfasst. Der Detektor 40 ist ein lichtempfindlicher Detektor, beispielsweise eine Fotodiode, der das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Das Signal vom Detektor 40 wird während der Abtast- Bewegungen aufgezeichnet; aus den aufgezeichneten Signalen kann dann die Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls 10 bzw. dessen Strahlprofil rekonstruiert werden. Zur Vermeidung von unerwünschtem Fremdlicht auf dem Detektor 40 können die Detektionslicht-Austrittsfläche 25 und der Detektor 40 gemeinsam von einer Abdeckung 48 umschlossen sein.
[0091] Der Sonden-Bereich 30 kann innerhalb des Körpers 20 angeordnet sein oder direkt an einer Oberfläche des Körpers 20, zum Beispiel an der Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 oder an der Lichtstrahl- Austrittsfläche 23. Der Sonden-Bereich 30 kann als Volumen oder flächig ausgebildet sein. Bei der Abtastung des Lichtstrahls 10 gibt es eine wirksame Fläche des Sonden-Bereichs 30, die durch die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 in Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 definiert ist. Die wirksame Fläche ist also die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 auf eine Fläche senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10. Diese wirksame Fläche bestimmt, wie groß die Probe ist, die aus dem Querschnitt des Lichtstrahls 10 entnommen wird. Mit anderen Worten, wirksam ist die Fläche des Sonden-Bereichs in der Aufsicht aus Richtung der Achse des Lichtstrahls 10. Diese zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs hat in den Bewegungsrichtungen 51 und 52 ungefähr gleiche Abmessungen. Die zweidimensionale Projektion des Sonden-Bereichs 30 2Q kann also beispielsweise ein Quadrat, ein Kreis, oder ein regelmäßiges Vieleck sein. Der Sonden-Bereich 30 selbst kann demnach zum Beispiel ein Quader, eine rechteckige Scheibe, eine Kugel, ein Ellipsoid, eine Kreisscheibe, oder eine elliptische Scheibe sein. Auch andere Formen des Sonden-Bereichs 30 sind möglich, solange die zweidimensionale Projektion der Form in Richtung der Achse 11 ähnliche Abmessungen in den beiden Bewegungsrichtungen 51, und 52 aufweist.
[0092] Das optisch transparente Material des Körpers 20 hat eine geringe Absorption und eine hohe thermo-mechanische Stabilität. Vorzugsweise beträgt die Gesamt-Absorption des Lichtstrahls 10 beim Durchstrahlen des Körpers 20 weniger als 0,1% bzw. weniger als 1000 ppm (ppm = parts per million). Geeignete Materialien sind beispielsweise Quarzglas, insbesondere synthetisch hergestelltes Quarzglas, Saphir, sowie andere Kristallgläser und optische Gläser mit hohem Transmissionsgrad. Bei Verwendung von Quarzglas ist eine besonders geringe Absorption erzielbar; viele Quarzgläser weisen eine Absorption von unter 100 ppm/cm auf.
[0093] Das Material im Sonden-Bereich 30 des Körpers 20 kann das gleiche Material sein wie das optisch transparente Material des Körpers 20. Außerhalb des Sonden-Bereichs 30 propagiert der Lichtstrahl 10 ungestört durch das transparente Material. Innerhalb des Sonden-Bereichs 30 wird der Lichtstrahl 10 durch die lichtablenkende Strukturierung zu einem Bruchteil in andere Richtungen abgelenkt. Die lichtablenkende Wirkung der Strukturierung kann auf Brechung, Reflexion oder Streuung beruhen. Dazu kann innerhalb des Sonden-Bereichs 30 beispielsweise die Dichte oder die Brechzahl des Materials lokale Änderungen aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung kann auch gebildet sein durch eine raue Grenzfläche oder Oberfläche. Die lichtablenkende Strukturierung kann weiterhin gebildet sein durch Hohlräume, Risse oder sonstige Fehlstellen im Material. Das Material im Sonden-Bereich 30 kann auch ganz oder teilweise ein anderes Material sein als das Material des Körpers 20. Das Material im Sonden-Bereich 30 kann auch eine Dotierung aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 kann auch gebildet sein durch Fluoreszenz-Konverter im Material des Sonden-Bereichs 30, so dass das abgelenkte Licht 15 eine andere Wellenlänge aufweist als der Lichtstrahl 10. Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich 30 muss nicht gleichförmig, isotrop oder räumlich konstant sein. Die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich 30 kann auch durch eine einzelne oder eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 gebildet sein. Eine Struktur-Einzelheit 31 kann beispielsweise ein mikroskopischer Riss oder Hohlraum im Material sein, oder eine mikroskopische Veränderung des Materials hinsichtlich Dichte, Brechzahl oder Dotierung.
[0094] Der Sonden-Bereich 30 kann beispielsweise aus nur einer einzelnen Struktur- Einzelheit 31 bestehen. Der Sonden-Bereich 30 kann aber ebenso aus einer Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31 bestehen. Dabei können sich die Struktur-Einzelheiten räumlich teilweise überlappen, sie können aber auch zueinander beabstandet sein. Aus der Anzahl von Struktur-Einzelheiten 31 pro Volumeneinheit ergibt sich eine räumliche Dichte der Strukturierung. Die lichtablenkende Wirkung der Strukturierung ist umso größer, d.h. der abgelenkte Licht- Anteil ist größer, je höher die Dichte der Strukturierung ist. Die Verteilungs- Funktion der räumlichen Dichte der Struktur-Einzelheiten ist vorzugweise radialsymmetrisch zum Zentrum des Sonden-Bereichs 30.
[0095] Eine Möglichkeit zur Herstellung des Sonden-Bereichs 30 ist die sogenannte Glas- Innengravur. Dabei wird ein gepulster Laserstrahl innerhalb des optisch transparenten Materials auf einen sehr kleinen, beispielsweise beugungsbegrenzten Fleck fokussiert. Durch die dabei auftretenden extremen Pulsleistungsdichten kann im fokussierten Bereich eine Fehlstelle erzeugt werden. Dabei kann durch Ausnutzung nichtlinearer Effekte der Bereich der Veränderung des Materials eng begrenzt werden. Es ist damit möglich, Fehlstellen mit Abmessungen im Bereich von etwa 1 μπι bis einige 10 μπι zu erzeugen. Die erzeugten Fehlstellen können Hohlräume, Risse, Trübungen, oder auch lokale, annähernd punktuelle Änderungen der Dichte und/oder der Brechzahl des Materials sein.
[0096] Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung des Sonden-Bereichs 30, insbesondere wenn der Sonden-Bereich 30 an der Oberfläche des Körpers 20 angeordnet ist, besteht im selektiven Ätzen. Mit dem sogenannten selektiven Laser-Ätzen können besonders kleine und genaue Strukturen erzeugt werden. Beim selektiven Laser-Ätzen wird in einem ersten Schritt durch eine lokale Laserpuls-Behandlung die Ätzbarkeit des Materials stark erhöht, und in einem zweiten Schritt werden die behandelten Materialstellen durch chemisches Ätzen entfernt.
[0097] Durch die endliche Ausdehnung des Sonden-Bereichs 30 entspricht der zeitliche Verlauf des am Detektor 40 auftreffenden abgelenkten Lichts 15 und des daraus vom Detektor 40 erzeugten Signals nicht exakt dem Strahlprofil auf der abgetasteten Spur des Querschnitts des Lichtstrahls 10, sondern das Detektor- Signal ist verbreitert. Das Detektor- Signal ist mathematisch betrachtet eine Faltung aus der Abtastfunktion des Sonden-Bereichs 30 mit dem Strahlprofil. In Figur 20 sind diese Zusammenhänge schematisch dargestellt. Wenn die Breite der Abtast-Funktion, die durch die Abmessungen des Sonden-Bereichs definiert ist, klein ist gegenüber der Breite des Strahlprofils, beispielsweise 1/10 oder kleiner, dann kann der Einfluss der Abtastfunktion vernachlässigt werden. Ist die Breite der Abtastfunktion vergleichbar mit der Breite des Strahlprofils, dann ist das Detektor-Signal deutlich verbreitert, wodurch die Genauigkeit der Abtastung verringert ist. Eine genauere Rekonstruktion des Strahlprofils aus dem Detektor-Signal kann dabei mittels einer Entfaltung des Detektor-Signals erreicht werden.
[0098] Um eine Entfaltung durchführen zu können, wird demnach die Abtastfunktion des Sonden-Bereichs 30 benötigt. Die Abtastfunktion ist abhängig von der Form und der Ausführung des Sonden-Bereichs 30 und von der Ausgestaltung der lichtablenkenden Strukturierung des Sonden-Bereichs 30. Die lichtablenkende Strukturierung kann beispielsweise gebildet sein durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten 31, deren mittlerer Abstand zweier benachbarter Struktur-Einzelheiten etwa gleich ist. Die räumliche Dichte-Verteilung der Struktur-Einzelheiten 31 ist in dem Fall ungefähr konstant. Bei einem kugelförmigen Sonden-Bereich 30 ist dann die Wahrscheinlichkeit für die Streuung oder Ablenkung des Lichts aus dem Lichtstrahl 10 am geringsten am Rand des kugelförmigen Sonden-Bereichs 30 und am größten beim Durchstrahlen der Mitte des Sonden-Bereichs 30. Die Figur 21 zeigt schematisch den Verlauf der Struktur-Dichte und die daraus resultierende Abtastfunktion für dieses Beispiel. So ergibt sich bei einem kugelförmigen Sonden-Bereich 30 mit einer gleichmäßigen Strukturierung innerhalb des Sonden-Bereichs 30 eine Abtastfunktion mit einem ausgeprägten Maximum in der Mitte. Demgegenüber besitzt ein Sonden-Bereich 30 mit einer Strukturierung nur im äußeren Bereich einer Kugelschale eine Abtastfunktion, die an den Rändern maximal ist und ein Minimum in der Mitte aufweist, wie beispielhaft in Figur 22 dargestellt.
[0099] Die Erfindung erlaubt es, die Abtastfunktion des Sonden-Bereichs 30 in gewünschter Weise auszuführen. Beispielsweise kann es vorteilhaft sein für einen Vergleich mit Strahlprofil- Messungen, die mittels herkömmlicher Vorrichtungen gewonnen wurden, eine Abtastfunktion zu nutzen, die einer herkömmlichen Lochblende bzw. einem Pinhole entspricht. Eine Lochblende besitzt eine rechteckfbrmige Abtastfunktion, da für jeden Punkt innerhalb der Öffnung der Blende die Licht-Entnahme aus dem Strahl-Querschnitt identisch ^ ist. Eine annähernd rechteckförmige Abtastfunktion kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung erzielt werden, indem die lichtablenkende Strukturierung in einem kugelförmigen Sonden-Bereich 30 eine Verteilungsdichte aufweist, die am äußeren Rand des Sonden-Bereichs 30 maximal ist und zur Mitte des Sonden-Bereichs 30 hin geringer wird. Figur 23 zeigt schematisch ein Beispiel für einen derart ausgestalteten Sonden-Bereich 30. Eine annähernd rechteckförmige Abtastfunktion kann auch mit einem kreisscheibenförmigen Sonden-Bereich 30 erzielt werden, dessen Strukturierung aus Struktur-Einzelheiten 31 gebildet ist, deren räumliche Verteilungsdichte innerhalb des kreisscheibenförmigen Sonden- Bereichs annähernd konstant ist.
[00100] Auch andere Abtastfunktionen können vorteilhaft sein und können durch eine geeignete Strukturierung des Sonden-Bereichs 30 dargestellt werden. Bei der Abtastung von Lichtstrahlen oder Laserstrahlen 10, die ein im wesentlichen gaußförmiges Strahlpro fil aufweisen, kann es günstig sein, den Strahl mit einer ebenfalls ungefähr gaußförmigen Abtastfunktion zu erfassen und abzutasten. Die Verbreiterung des Detektor-Signals kann in solchen Fällen besonders einfach berechnet werden, so dass auch die Rekonstruktion des Strahlprofils besonders einfach ist. Eine annähernd gaußförmige Abtastfunktion kann erzielt werden mittels einer Dichte- Verteilung der lichtablenkenden Strukturierung in einem kugelförmigen Sonden-Bereich 30, die im Zentrum des Sonden-Bereichs 30 maximal ist und zum Rand des Sonden-Bereichs hin stark abnimmt. In Figur 24 ist schematisch ein Beispiel für einen Sonden-Bereich 30 mit annähernd gaußförmiger Abtastfunktion dargestellt.
[00101] Wenn der Körper 20, insbesondere dessen Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und Lichtstrahl- Austrittsfläche 23, aufgrund ungünstiger Umgebungsbedingungen durch Staub belegt sind oder anderweitig kontaminiert werden, hat dies auf die Genauigkeit der Messung keinen wesentlichen Einfluss. Durch die kurze Einwirkzeit des Strahls sind thermo-optische Veränderungen des Körpers 20 gering und haben bedingt durch das Messprinzip praktisch keine Auswirkung auf das vom Sonden-Bereich 30 erzeugte Detektionslicht. Durch Staub auf den Oberflächen des Körpers kann Streulicht beim Durchqueren des Lichtstrahls 10 erzeugt werden. Dieses Streulicht kann ein erhöhtes Untergrund- Signal auf dem Detektor 40 zur Folge haben, so dass anhand des Untergrund- Signals eine hohe Staub-Belastung des Körpers erkannt werden kann.
[00102] Die Erfindung bietet wesentliche Vorteile gegenüber dem Stand der Technik: • Die Vorrichtung erlaubt die Abtastung und Vermessung von Lichtstrahlen und Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und/oder Leistungsdichte. Gegenüber herkömmlichen Vorrichtungen mit Abtastung durch eine Lochblende oder ein Pinhole kann die Leistung oder Leistungsdichte des Strahls um mehrere Größenordnungen höher liegen, ohne dass die Mess-Sonde beeinträchtigt oder zerstört wird.
• Die Vorrichtung erlaubt die Abtastung und Vermessung von Lichtstrahlen mit hoher Ortsauflösung in allen Raumrichtungen.
• Die Abtastfunktion kann durch unterschiedliche Ausgestaltung der Strukturierung des Sonden-Bereichs an viele Erfordernisse angepasst werden.
• Die erfindungsgemäße Mess-Sonde und die erzeugten Signale sind unempfindlich gegenüber einer Staubbelastung. Eine hohe Staubbelastung kann erkannt werden und bei der Signal-Auswertung berücksichtigt werden. [00103] Im Folgenden werden weitere mögliche Ausführungsformen und Fortbildungen der Erfindung beschrieben.
[00104] Der Körper 20 kann unterschiedliche Formen aufweisen. Der Körper kann beispielsweise ein Quader oder ein Zylinder sein; er kann auch allgemein stabförmig sein, wobei die Querschnittsform des Stabes unterschiedlich sein kann: zum Beispiel rechteckig, quadratisch, trapezförmig, schiefes Viereck, Sechseck, Achteck, kreisförmig, elliptisch, auseinandergezogene Kreisform, halbkreisförmig und ähnliches. Der Körper 20 kann auch platten-, Scheiben- oder ringförmig sein. Der Körper 20 kann beispielsweise eine Kreisscheibe sein. Die Kreisscheibe kann im Zentrum eine Ausnehmung bzw. eine Bohrung aufweisen.
[00105] Die Ortsauflösung der Abtastung hängt ab von der Größe des Sonden-Bereichs 30. Je kleiner der Sonden-Bereich 30, desto höher ist die erreichbare Ortauflösung; allerdings sinkt damit auch der Anteil des abgelenkten Lichts 15 und damit der Pegel des Detektor- Signals. Vorzugsweise sind die Abmessungen des Sonden-Bereichs 30 kleiner als der Durchmesser des zu vermessenden Lichtstrahls 10. Der Sonden-Bereich 30 kann beispielsweise Abmessungen in Richtung der Bewegungsrichtungen 51, 52 von maximal 200 μιτι aufweisen. Der Durchmesser 33 des Sonden-Bereichs 30 kann auch kleiner sein, beispielsweise im Bereich von etwa 5 μπι bis 100 μηι liegen. [00106] Die Bewegungseinrichtung zur Bereitstellung einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl 10 und dem Körper 20 kann unterschiedlich ausgestaltet sein. Der Körper 20 kann beispielsweise mit einer Bewegungseinrichtung gekoppelt sein, die aus kartesisch angeordneten Linearführungen mit entsprechenden Antrieben besteht. Es ist auch vorgesehen, dass mindestens eine Bewegungsrichtung 51 eine Rotationsbewegung um eine Drehachse 61 ist. Da bei einer Rotationsbewegung die Abtastspuren 34 eine Krümmung aufweisen, ist es vorgesehen, dass die Drehachse 61 einen ausreichenden Abstand 62 zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 aufweisen kann. Zur Bereitstellung einer weiteren Bewegungsrichtung 52 kann die Drehachse 61 verschoben werden und damit der Abstand 62 zur Achse 1 1 des Lichtstrahls 10 verändert werden. In einer weiteren möglichen Ausfuhrungsform kann die Bewegungseinrichtung eine Schwingungsbewegung ausführen. Die Schwingungsbewegung kann eine Parallel-Bewegung sein oder eine Rotationsbewegung.
[00107] Der Körper 20 kann einen Detektionslicht-Umlenkbereich 36 umfassen. Der Detektionslicht-Umlenkbereich 36 lenkt zumindest einen Teil des vom Sonden-Bereich 30 abgelenkten Strahlanteils 15 in Richtung zum Detektor 40 um. Der Detektionslicht- Umlenkbereich 36 kann eine lichtablenkende Strukturierung im Material des Körpers 20 aufweisen. Die lichtablenkende Strukturierung des Detektionslicht-Umlenkbereichs 36 kann in ähnlicher Weise ausgeführt sein wie die lichtablenkende Strukturierung des Sonden- Bereichs 30. Der Detektionslicht-Umlenkbereich 36 kann auch eine abgeschrägte Fläche des Körpers 20 sein, oder durch eine oder mehrere Aussparungen im Körper 20 gebildet sein.
[00108] Zwischen der Detektionslicht- Austrittsfläche 25 und dem Detektor 40 können weitere Elemente zur Optimierung der Strahlführung des vom Sonden-Bereich 30 abgelenkten Lichtanteils 15 vorgesehen sein. Mögliche Elemente sind Einrichtungen zur Lichtsammlung, Umlenkspiegel, lichtstreuende Flächen, oder Blenden. Mittels einer Einrichtung zur Lichtsammlung 44 kann das aus der Detektionslicht-Austrittsfläche austretende abgelenkte Licht 15 auf den Detektor 40 fokussiert werden. Damit kann der vom Detektor 40 erfasste Lichtanteil erhöht werden und somit der Signal-Pegel vergrößert werden. Die Einrichtung zur Lichtsammlung kann auch verwendet werden, um den Sonden-Bereich 30 direkt auf den Detektor 40 abzubilden. Damit kann erreicht werden, dass der Detektor 40 selektiv nur Licht erfasst, welches vom Sonden-Bereich 30 abgelenkt wurde. Auf diese Weise kann die Fremdlicht-Unterdrückung verbessert werden. Die Einrichtung zur Lichtsammlung kann beispielsweise eine Linse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter oder einen Hohlleiter 2 umfassen. Die Linse kann eine beliebige Art von Linse sein, d.h. eine sphärische oder asphärische Einzellinse, ein Linsensystem, oder eine Gradientenindexlinse. Ein Umlenkspiegel 43 kann hilfreich sein zur Entkopplung der Bewegung des Körpers 20 vom Detektor 40. Eine lichtstreuende Fläche kann günstig sein zur Verminderung oder Elimination von Richtungs-Abhängigkeiten in der Detektions-Empfindlichkeit.
[00109] Der Körper 20 kann zusätzlich zum Sonden-Bereich 30 einen oder mehrere weitere Sonden-Bereiche 32 umfassen. Die weiteren Sonden-Bereiche 32 weisen eine lichtablenkende Strukturierung auf. Die lichtablenkende Strukturierung der weiteren Sonden- Bereiche 32 kann in ähnlicher Weise ausgeführt sein wie die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30. Vorzugsweise besitzen die weiteren Sonden-Bereiche 32 die gleichen Abmessungen wie der Sonden-Bereich 30. Der Sonden-Bereich 30 und die weiteren Sonden-Bereiche 32 sind an verschiedenen Positionen im Körper 20 angeordnet. Insbesondere haben der Sonden-Bereich 30 und die weiteren Sonden-Bereiche 32 in der Bewegungsrichtung 51 einen Abstand zueinander. Wenn die Bewegungsrichtung 51 erzeugt wird durch eine Rotation um die Drehachse 61, dann können der Sonden-Bereich 30 und die weiteren Sonden-Bereiche 32 beispielsweise verschiedene azimutale Positionen haben und außerdem verschiedene radiale Abstände zur Drehachse 61. Auf diese Weise können mit einer einzelnen Abtast-Bewegung bzw. mit einer einzelnen Umdrehung des Körpers 20 mehrere parallele oder konzentrische Abtast-Spuren 34 erzeugt werden. Die Abtast-Zeit, die zur vollständigen Erfassung eines Querschnitts des Lichtstrahls 10 benötigt wird, kann dadurch erheblich reduziert werden.
[00110] Der Körper 20 kann weiterhin einen länglichen Bereich 35 mit lichtablenkender Strukturierung umfassen. Der längliche Bereich 35 ist vorzugsweise im Wesentlichen eindimensional und ungefähr senkrecht zur Achse 11 des Lichtstrahls 10 orientiert angeordnet. In Richtung der Bewegungsrichtung 51 weist der längliche Bereich 35 einen Abstand zum Sonden-Bereich 30 auf, der vorzugsweise größer ist als ein Durchmesser des zu vermessenden Lichtstrahls 10. Aufgrund der lichtablenkenden Strukturierung des länglichen Bereichs 35 wird ein Anteil aus dem Lichtstrahl 10 abgelenkt, wenn der längliche Bereich den Lichtstrahl 10 erfasst, und ein Teil des abgelenkten Strahlanteils propagiert in Richtung zum Detektor 40 und kann vom Detektor 40 erfasst werden. Bei jeder Abtastung- Bewegung wird dadurch ein zusätzliches Signal auf dem Detektor 40 erzeugt, welches zeitlich versetzt ist zu dem Detektor-Signal, das vom Sonden-Bereich 30 erzeugt wird. Dieses 7 zusätzliche Signal kann zur Synchronisation der Detektor- Signale aus den einzelnen Abtast- Bewegungen genutzt werden. Der längliche Bereich 35 kann auch als eine Kante oder eine Seitenfläche eines stabförmigen Körpers 20 ausgeführt sein. Die lichtablenkende Strukturierung des länglichen Bereichs 35 kann in ähnlicher Weise ausgeführt sein wie die lichtablenkende Strukturierung des Sonden-Bereichs 30.
[001 11] Die Detektionslicht- Austrittsfläche 25 kann mit einer Reflexions-mindernden Beschichtung versehen sein. Die Lichtstrahl-Eintrittsfläche 22 und/oder die Lichtstrahl- Austrittsfläche 23 können ebenfalls mit einer Reflexions-mindernden Beschichtung versehen sein, beispielsweise mit einer dielektrischen Einfach- oder Mehrfach-Schicht. Allerdings weisen selbst dünne dielektrische Schichten sehr geringe Absorptionen auf und besitzen typischerweise geringere Laserstrahl-Zerstörschwellen als die Träger-Materialien, weshalb auch unbeschichtete Lichtstrahl-Eintrittsflächen 22 und Lichtstrahl-Austrittsflächen 23 vorgesehen sind. In dem Fall wird der Lichtstrahl 10 beim Passieren der Lichtstrahl- Eintrittsfläche 22 und der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 nicht nur gebrochen, sondern auch zu einem sehr geringen Anteil reflektiert (sogenannte Fresnel-Reflexion), so dass reflektierte Lichtstrahl- Anteile 12, 13, 14 entstehen. In den Figuren 14 und 15 sind die reflektierten Strahl- Anteile schematisch dargestellt. Einige reflektierte Lichtstrahl- Anteile 13 und 14 können vom Sonden-Bereich 30 erfasst werden und so zu Störungen im Detektor-Signal führen. Um den Einfluss reflektierter Lichtstrahl- Anteile 13, 14 zu mindern oder zu vermeiden, kann die Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 gegenüber dem Lichtstrahl 10 geneigt angeordnet sein. Es ist auch möglich, den Sonden-Bereich 30 möglichst dicht an oder direkt an der Lichtstrahl-Austrittsfläche 23 anzuordnen, ähnlich wie in Figur 15 gezeigt. [00112] Weitere Merkmale und mögliche Ausführungsformen sind in den Figuren gezeigt und in den Figuren-Beschreibungen dargestellt.
[00113] Die Erfindung ist nicht beschränkt auf die dargestellten und beschriebenen Ausfuhrungsformen. Vielmehr können die Merkmale einzelner beschriebener oder in den Figuren gezeigter Ausführungsformen auch miteinander kombiniert werden. Beispielsweise liegt auch eine Vorrichtung, bei der der Körper 20 sowohl weitere Sonden-Bereiche 32 als auch einen länglichen Bereich 35 mit lichtablenkender Strukturierung umfasst, im Bereich der vorliegenden Erfindung. Zo
[001 14] Die Erfindung kann verwendet werden beispielsweise zur Bestimmung folgender Parameter eines Lichtstrahls 10: Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung, Leistungsdichte, oder integrale Leistung. Wenn bei der Bewegungseinrichtung der erfindungsgemäßen Vorrichtung außer den Bewegungsrichtungen 51 und 52 zusätzlich eine Verstell- oder Antriebsmöglichkeit in der dritten Bewegungsrichtung 53 parallel zur Richtung der Achse 11 des Lichtstrahls 10 vorgesehen ist, dann ist weiterhin auch die Bestimmung folgender Parameter eines Lichtstrahls 10 möglich: Divergenz- Winkel, Strahlparameter-Produkt, Propagationsfaktor, oder Fokusposition.
[00115] Die Erfindung kann verwendet werden zur Abtastung von Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung und/oder Leistungsdichte. Der Laserstrahl kann eine Leistung von bis zu 1000 W und auch wesentlich darüber aufweisen, beispielsweise auch 100 kW und darüber. Der Laserstrahl kann im Fokus eine Leistungsdichte von bis zu 5 MW/cm2 oder auch mehrere Größenordnungen höher aufweisen.
Bezugszeichenliste
10 Lichtstrahl
11 Achse des Lichtstrahls
12 an Lichtstrahl-Eintrittsfläche reflektierter Lichtstrahl
13 an Lichtstrahl-Austrittsfläche reflektierter Lichtstrahl
14 an Austrittsfläche und Eintrittsfläche reflektierter Lichtstrahl
15 abgelenkter Strahl- Anteil in Richtung zum Detektor
16 abgelenkter Strahl- Anteil
17 abgelenkter Strahl- Anteil
20 Körper aus transparentem optischen Material
22 Lichtstrahl-Eintrittsfläche
23 Lichtstrahl-Austrittsfläche
25 Detektionslicht- Austrittsfläche
30 Sonden-Bereich
31 Struktur-Einzelheit
32 weiterer Sonden-Bereich
33 Abmessung des Sonden-Bereichs in Projektionsrichtung des Lichtstrahls
34 Abtastspur des Sonden-Bereichs
35 länglicher Bereich
36 Detektionslicht-Umlenkbereich
40 Detektor
43 Umlenkspiegel
44 Einrichtung zur Lichtsammlung
46 Blende
48 Abdeckung
51 Bewegungsrichtung senkrecht zur Achse des Lichtstrahls
52 andere Bewegungsrichtung senkrecht zur Achse des Lichtstrahls
53 Bewegungsrichtung in Richtung der Achse des Lichtstrahls
61 Drehachse
62 Abstand zwischen Achse des Lichtstrahls und Drehachse

Claims

ANSPRÜCHE
1. Vorrichtung zur Abtastung eines Lichtstrahls (10), umfassend einen Körper (20), einen Sonden-Bereich (30) und einen Detektor (40),
wobei der Körper (20) aus einem optisch transparenten Material besteht und eine Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22), eine Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) und eine Detektionslicht-Austrittsfläche (25) aufweist und wobei die Lichtstrahl-Eintrittsfläche (22) und die Lichtstrahl-Austrittsfläche (23) im Wesentlichen glatt und poliert sind, - wobei der Körper (20) den Sonden-Bereich (30) beinhaltet,
wobei der Sonden-Bereich (30) eine lichtablenkende Strukturierung aufweist, wobei der Detektor (40) ausgebildet ist, wenigstens einen Teil des vom Sonden- Bereich (30) aus dem Lichtstrahl (10) abgelenkten Strahl-Anteils (15) zu erfassen, wobei der Körper (20) und der Lichtstrahl (10) in zwei verschiedenen Bewegungsrichtungen (51, 52) senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) relativ zueinander bewegbar sind, und
wobei der Sonden-Bereich (30) eine Form aufweist, deren zweidimensionale Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) annähernd gleiche Abmessungen in den zwei Bewegungsrichtungen (51, 52) senkrecht zur Achse ( 11 ) des Lichtstrahls ( 10) hat.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der Sonden-Bereich (30) eine Form aufweist, deren zweidimensionale Projektion auf eine Fläche senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) radialsymmetrisch ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Körper (20) stabförmig ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Körper (20) scheibenförmig ist.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) ausgebildet ist durch Variation von Brechzahl und/oder Dichte eines Materials im Sonden-Bereich (30).
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) ausgebildet ist durch eine Rauigkeit einer Fläche.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) ausgebildet ist durch einen oder mehrere Hohlräume oder Risse im Material des Sonden-Bereichs (30).
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) ausgebildet ist durch eine Dotierung eines Materials im Sonden-Bereich (30).
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) hergestellt ist mittels eines fokussierten Kurzpuls- Lasers.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sonden-Bereich (30) kugelförmig ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die lichtablenkende Strukturierung im Sonden-Bereich (30) durch eine Mehrzahl von Struktur-Einzelheiten (31) gebildet ist, deren räumliche Dichte- Verteilung innerhalb des Sonden-Bereichs (30) radialsymmetrisch oder rotationssymmetrisch ist.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei das optisch transparente Material des Körpers (20) eine Absorption von weniger als 100 ppm/cm im Bereich der
Wellenlänge des abzutastenden Lichtstrahls (10) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei der Körper einen Detektionslicht-Umlenkbereich (36) aufweist, welcher zumindest einen Teil des vom Sonden- Bereich (30) abgelenkten Strahl-Anteils (15) in Richtung zum Detektor (40) umlenkt.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Detektionslicht-Umlenkbereich (36) gebildet ist durch eine lichtablenkende Strukturierung.
15. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Detektionslicht-Umlenkbereich (36) gebildet ist durch eine oder mehrere Aussparungen im Körper (20).
16. Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Detektionslicht-Umlenkbereich (36) gebildet ist durch eine abgeschrägte Fläche des Körpers (20).
17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Körper (20) ortsfest ist und der Lichtstrahl (10) gegenüber dem Körper (20) bewegbar ist.
18. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei der Körper (20) gegenüber dem Lichtstrahl (10) bewegbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine Bewegungsrichtung (51) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugt wird durch Rotation des Körpers (20) um eine Drehachse (61), die zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) einen Abstand (62) aufweist.
20. Vorrichtung nach Anspruch 19, wobei eine andere Bewegungsrichtung (52) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugt wird durch Änderung des Abstandes (62) der Drehachse (61) zur Achse (1 1) des Lichtstrahls (10).
21. Vorrichtung nach Anspruch 18, wobei eine Bewegungsrichtung (51) zur Abtastung des Lichtstrahls (10) erzeugt wird durch eine Schwingungsbewegung des Körpers (20).
22. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 21, wobei der Körper (20) in einer Richtung (53) längs der Ache (11) des Lichtstrahls (10) bewegbar ist.
23. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 22, wobei zwischen der Detektionslicht- Austrittsfläche (25) des Körpers (20) und dem Detektor (40) eine Einrichtung (44) zur Lichtsammlung angeordnet ist, und wobei die Einrichtung (44) zur Lichtsammlung wenigstens eines der folgenden Elemente umfasst: eine Linse, eine Gradientenindexlinse, einen Hohlspiegel, einen Lichtleiter, oder einen Hohlleiter.
24. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 23, wobei der Körper (20) weitere Sonden-Bereiche (32) beinhaltet, die an verschiedenen Positionen angeordnet sind zur Erzeugung von mehreren parallelen oder konzentrischen Abtastspuren (34).
25. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 24, wobei der Körper (20) einen länglichen Bereich (35) mit einer lichtablenkenden Strukturierung beinhaltet, und wobei der längliche Bereich (35) im Wesentlichen eindimensional ist, in Richtung einer Bewegungsrichtung (51) einen Abstand zum Sonden-Bereich (30) aufweist und senkrecht zur Achse (11) des Lichtstrahls (10) orientiert angeordnet ist.
26. Verwendung der Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 25 zum Bestimmen wenigstens eines der folgenden Parameter des Lichtstrahls (10): Strahldurchmesser, Strahlprofil, Intensitätsverteilung im Querschnitt des Lichtstrahls, Divergenz- Winkel, Strahlparameter-Produkt, Propagationsfaktor, Fokusposition.
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