Beschreibung

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Messung der Strahlungsleis ung von Lasern, insbesondere von In raro lasern, mit einem thermischen Detektor, der ein leistungsbedingtes Meßsignal abgibt.

Stand der Technik

Für eine Vielzahl von Bearbeitungsprozessen ist die genaue

Kenntnis des zeitlichen Verlaufs der Leistung eines Laser¬ strahls über einen möglichst weiten Frequenzbereich bzw. eine große Bandbreite der Leis ungsänderungen von Bedeutung. Es ist bekannt, wenige Promille der Strahlungsleistung im Resonator durch einen Endspiegel auszukoppeln und mit einer wasser¬ gekühlten Strahlfalle zu messen, die im wesentlichen aus einem die LaserStrahlung absorbierenden gekühlten schwarzen Gehäuse besteht, an dem Thermoelemente so angebracht sind, daß sie eine der Leistung der auf reffenden LaserStrahlung proportionale Spannung abgeben. Diese kann über ein Verstärker zur Lei¬ stungsanzeige verwendet werden. Die bekannte Vorrichtung hat jedoch eine relativ große Wärmekapazität. Infolgedessen kann

die abgegebene Spannung zeitlichen Änderungen der Strah¬ lungsleistung nur sehr langsam folgen. Die Zeitkonstante liegt im Bereich von mehr als 10 Sekunden. Die bekannte Anordnung ist daher zur Messung schneller Leistungs nderungen nicht geeignet.

Darstellung der Erfindung

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß sie zur Messung sowohl des zeitlichen Mittelwertes als auch schneller Leistungsänderungen der LaserStrahlung geeignet ist, insbesondere für Infrarotlaser, wie Kohlendioxidlaser.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine die Laser- strahlung örtlich integrierende Einrichtung vorhanden ist, an die außer dem thermischen Detektor mindestens ein weiterer Detektor angeschlossen ist, der Strahlungsleistungsänάerungen mit größerer Bandbreite, als der vom thermischen Detektor er¬ fassbaren Bandbreite, zu erfassen gestattet, und daß eine die Meßsignale der Detektoren zusammenfassende Schaltung vorhanden ist.

um Leistungsänderungen in einem weiten Frequenzbereich er¬ fassen zu können, ist es erf ndungsgemäß von Bedeutung, Detek¬ toren unterschiedlicher Bandbreite für die zu erfassenden Strahlungsleistungsänderungen zu verwenden. Bei mehreren Detektoren muß jedoch dafür gesorgt werden, daß sie anteilig gleich bestrahlt werden. Das ist insbesondere nicht ohne weiteres gewährleistet, da die Laserstrahlung über den Querschnitt des Strahls inhomogene Intensitätsverteilungen aufweist. Dies wird mit der erfindungsgemäß vorgesehenen, die Laserstrahlung örtlich integrierenden Einrichtung erreicht, welche die Laserstrahlung selbst beeinflußt.

Um die örtliche Homogenisierung der Laserstrahlung zu er¬ reichen, ist die Vorrichtung so ausgebildet, daß die die

LaserStrahlung örtlich integrierende Einrichtung eine die LaserStrahlung in ein kleines Fenster einer Hohlkugel fokus- sierende Optik aufweist, und daß die Detektoren in einem ausschließlich von reflektierter Strahlung bestrahlten Bereich des Kugelinneren angeordnet sind, oder daß die integrierende Einrichtung im wesentlichen aus einer Streuscheibe besteht. Die in die Hohlkugel fokussierte LaserStrahlung erfährt eine vielfache diffuse Reflexion, so daß alle Flächenelemente der Innenfläche der Kugel, soweit sie nicht direkt durch die Laser¬ strahlung beaufschlagt werden, gleichstark bestrahlt werden. Infolgedessen werden die Detektoren im Verhältnis zueinander gleichmäßig belastet, so daß auch die von ihnen abgegebene Me߬ signale in einem entsprechenden konstanten Verhältnis zuein¬ ander stehen. Die weitere Möglichkeit der Ausbildung einer ört¬ lich integrierenden Einrichtung durch eine Streuscheibe hat zwar den Vorteil der größeren konstruktiven Einfachheit, weist jedoch erhöhte Absorbtionsverluste beim Durchtritt der Strahlung durch die Streuscheibe auf, was insbesondere für solche Detektoren nachteilig ist, die vergleichsweise große Meßleistung benötigen, um ein auswertbares Meßsignal erzeugen zu können.

Vorteilhafterweise ist der thermische Detektor eine aus einer Mehrzahl von Thermoelementen bestehende Thermosäule und der weitere Detektor ist ein pyroelektrischer Detektor wobei bedarfsweise ein Hoch- oder Tiefpaß vorhanden ist. Die Thermosäule besteht aus einer Reihenschaltung von miniaturi¬ sierten Thermoelementen, .bei denen sich warme bzw. bestrahlte Kontaktstellen des Detektors mit kalten auf dem Temperatur¬ niveau des Gehäuses befindlichen Kontaktstellen abwechseln. Es wird eine Ausgangsspannung erzeugt, die proportional der Temperaturdifferenz zwischen der Detektorfläche und dem Gehäuse ist. Die aktive Detektorfläche hat eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität, so daß das Spannungssignal am Ausgang der Thermosäule vergleichsweise schnell auf eine Änderung der

_L eistung der auftref enden Infraro strahlung reagieren kann. Der Frequenzgang beträgt z. B. 0 bis 20 Hz. Der pyroelektrischε Detektor weist einen Kristall auf, der bei Temperaturänderungen entgegengesetzte Ladungen an seinen Kontaktflächen zeigt. Das damit erzeugte Meßsignal ist ein Maß für die letztere erzeu¬ gende Strahlungsleistung. Der- pyroelektrische Detektor reagiert sehr schnell auf Änderungen der Strahlungsintensität, so daß er eine entsprechend große Bandbreite hat. Der Frequenzgang beträgt z. B. 10 Hz bis 30Q kHz.- Infolgedessen- decken die beiden Detektoren unterschiedliche Frequenzbereiche ab und die z-usammenfassende Schaltung erzeugt ein Ausgangssignal, das z. 3. den Bereich von 0 bis 300 kHz der Leistungsänderungen erfaßt.

Vorteilhafterweise sind der thermische Detektor und der pyroelektrische Detektor mit gleichen Zeitkonstanten ausgebil¬ det, oder bei Detektoren mit ungleichen Zeitkonstanten sind erstere aufeinander abstimmende Zeitglieder vorhanden. In beiden Fällen haben die Detektoren gleiches zeitliches Verhalten, so daß im Prinzip eine einfache Addition der Meßsignale durch die zusammenfassende Schaltung genügt, um zu einem für alle erfaßten Leistungsänderungen repräsentativen Ausgangssignal zu kommen.

Für den Fall, daß die Detektoren in zeitlich unterschied¬ licher Weise auf Strahlungsänderungen reagieren, weist die die Meßsignale der Detektoren zusammenfassende Schaltung eine unterschiedliche Anwortverhalten der Detektoren korrigierende Entzerrerschaltung auf. Dazu ist die Vorrichtung zweckmäßiger¬ weise so ausgebildet, daß die EntzerrerSchaltung einen ein Ausgangssignal liefernden. Addierer hat, an dessen einen Eingang ein das Meßsignal des pyroelektrischen Detektors liefernder Proportionalzweig und an dessen anderen Eingang eine die Meßsignale beider Detektoren integrierende Schaltung ange¬ schlossen ist.

Die zusammenfassende Schaltung besteht üblicherweise aus _B auteilen, z. B. aus Halbleiterbauteilen, deren Spannungen thermisch bedingt driften. Das führt infolge des integrierenden Verhaltens der die Meßsignale der Detektoren zusammenfassenden Schaltung zu fehlerhaften Ausgangssignalen. Hinzu kommen bei- soielsweise auch Störeinflüsse durch das unvermeidbare thermisch bedingte Rauschen des pyroelektrischen Detektors. Um derartige Fehlbeeinflussungen des Ausgangssignals zu vermeiden, ist die zusammenfassende Schaltung mit einer ihr Ausgangssignal rückkoppelnden Schaltung versehen. Speziell weist die Rück- kopplungsschaltung einen invertierenden Opperationsverstärker und einen dessen Ausgangssignal und das Meßsignal des Thermo- detektors dem Eingang der Integrationsschal ung der Entzerrer¬ schaltung zuleitenden Proportional-Integral-Regler auf. Es erfolgt also ein Vergleich dieses Ausgangssignals mit dem _M eßsignal des thermischen Detektors über einen PI-Regler, der die infolge der Störungen entstandene Differenz auf den Eingang des Entzerrers zurückführt, so daß sich die Störungen nicht verfälschend auf das Ausgangssignal auswirken können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

_D ie Erfindung wird anhand eines in der Zeichnung darge¬ stellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine die Laserstrahlung örtlich integrierende Einrichtung ,

Fig. 2 ein Blockschaltbild einer die Meßsignale der De¬ tektoren zusammenfassenden Schaltung zur Erzeu¬ gung eines der Strahlungsleistung entsprechenden AusgangsSignals ,

Fig. 3 die Abhängigkeit des Ausgangssignals der erfin- d ^' ungsgemäßen Schaltung von der Frequenz, und

Fig. 4 eine detailliertere Darstellung der Schaltung der Fig. 2.

Bester Weg zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt LaserStrahlung 12, die beispielsweise mit einem teilt ansmissiven Endspiegel eines Laserresonators

ausgekoppelt wurde und deren Leistung der Gesamtleistung der insgesamt ausgekoppelten Laserstrahlung proportional ist. Die Strahlung 12 besitzt auch dieselbe örtliche modenbedingte Intensitätsverteilung. Die Laserstrahlung 12 gelangt zu einer Fokussieroptik 18, deren Fokus im Bereich eines kleinen Fensters 16 einer Hohlkugel 17 liegt. Infolgedessen wird die Laser trahlung 12 in das Innere 19 der Hohlkugel 17 fokussiert und erfährt dort Vielfachreflexionen. Die Hohlkugel 17 entspricht einer Ulbrichtkugel, ^' die sonst als Kugelfo ometer eingesetzt wird. Innerhalb der Hohlkugel 17 wird die Laser¬ strahlung vielfach in, auf die einzelnen Strahlquerschnitts- anteiie bezogen, unterschiedlichen Richtungen reflektiert, so daß sich eine integrierende Wirkung im Sinne einer Ver¬ gleichmäßigung der Intensitätsverteilung der Strahlung ergibt. Dadurch ist gewährleistet, daß der zeitliche Verlauf der einfallenden Infrarotstrahlung an der Innenwand der Hohlkugel identisch und zur Leistung des Laserstrahls proportional ist.

An die Hohlkugel 17 sind Detektoren 10, 14 so angeschlos¬ sen, daß ihre Detektorflächen in ausschließlich von reflek¬ tierter Strahlung bestrahlten Bereichen 19'- des Kugelinneren 19 liegen. Die Ausgangssignale dieser Detektoren 10, 14 werden über entsprechende Ausgangsleitungεn 10' , 14" einer Schaltung 28 zugeleitet, welche Meßsignale 11, 15, vergl. Fig. 4, der Detektoren 10, 14 zusammenfaßt und ein Ausgangssignal zur Verfügung stellt,, welches den Strahlungsänderungen proportional ist.

Gemäß Fig. 2 ist der Detektor 10 ein thermischer Detektor, der bei einer_ Leistungsänderung P (t) der Leistung des Laserstrahls 12 ein Meßsignal 15 als Spannung U (t) abgibt. Der thermische Detektor 10 ist vorteilhafterweise eine Thermosäule, die aus mehreren, in Reihe geschalteten miniaturisierten Thermoelementen besteht und eine vergleichsweise geringe Wärmekapazität ihrer aktiven Fläche aufweist. Aufgrund dessen

steht das Meßsignal 11 des thermischen Detektors 10 vergleichs¬ weise schnell zur Verfügung, und zwar können ohne weiteres Leistungsänderungen im Bereich von 0 bis 20 Hz erfaßt werden. Diese entsprechende Bandbreite bl ist aus Fig. 3 ersichtlich, in der die Spannung / ^" / in Abhängigkeit von der Frequenz f aufgetragen ist. Es ist ersichtlich, daß Leistungsschwankungen, die schneller als mit 100 Hz auftreten, von dem thermischen Detektor 10 zunehmend nicht mehr bzw. nicht mehr zuverlässig erfaßt werden können. Dies wird mit dem weiteren Detektor 14 erreicht, der als pyroelektrischer Detektor ausgebildet ist und bei einer Leistungsänderung P (t) ein Meßsignal 15 als U_ (t)

— 2 liefert, und zwar gemäß Fig. 3 im Bereich einer Bandbreite b2 von wenigen Hz bis zu mehreren 100 kHz.

Der pyroelektrisch wirkende Detektor 14 besteht im wesent¬ lichen aus einem Kristall, der von der auftreffenden Laser¬ strahlung entsprechend deren Leistungsschwankungen sehr schnell erwärmt werden kann und daraufhin entsprechende elektrische Ladungen an seinen Kontaktflächen influenzier , die abgegriffen werden und dann das Meßsignal 15 erzeugen, vergl. Fig. 4. Der Abgriff der Ladungen erfolgt zweckmäßigerweise über einen Stromspannungswandler , dessen Eingangswiderstand im Idealfall unendlich klein ist. Infolgedessen ist auch die Entladungsdauer des Kristalls unendlich klein, weil diese durch die Zeitkon¬ stante des Entladungskreises bestimmt wird , welche außer durch den Widerstand des Stromspannungswandlers nur noch durch die Eigenkapazität des pyroelektrischen Detektors beeinflußt wird. Diese wird durch den Stromspannungswandler praktisch kurzge¬ schlossen, so daß der Frequenzgang praktisch nicht beschränkt wird. Die obere Grenzfrequenz des Detektors 14 und damit des gesamten Meßsystems wird nur durch die Beschaltung des Detektors begrenzt, welche den durch den Detektor verursachten kleinen Strom in die Spannung U (t) umwandelt und verstärkt. Die untere Grenzfrequenz des U (t) wird durch die thermische Zeitkonstante des pyroelektrischen Detektors 14 bestimmt. Für

das gesamte Meßsystem ergibt sich der Verlauf des Ausgangs¬ signals U gemäß Fig. 3 zu /U (f)/- U ist also der Strahl- a a a leistung über einen Bereich von 0 bis etwa 300 kHz propor¬ tional- Diese Bandbreite kann auch durch einen Tiefpaß beschränkt werden, um ein Signal für die digitale Leistungs- anzeige am Laser zur Verfügung zu stellen.

In Fig. 4 wird das zeitliche Verhalten der Detektoren 10, 14 erläutert. Für die Erzeugung des Ausgangssignals U (t) wird cL davon ausgegangen, daß die Ausgangspegel der Detektoren 10, 14 aufeinander abgeglichen sind. Nimmt man an, daß eine Laser¬ leistungsänderung gemäß Sprung 29 auf die Detektoren 10, 14 gegeben wird, so erzeugt der thermoelektrische Detektor 10, der ein Tiefpaßverhalten aufweist, ein Meßsignal 11 als Antwort auf den Sprung 29. Der thermische Detektor verzerrt also das Signal p (t) aufgrund seiner thermischen Trägheit. Die entsprechende L ~

Sprungantwort des pyroelektrischen Detektors 14 zeigt das aus dem Meßsignal 15 ersichtliche Hochpaßverhalten. Der pyroelek¬ trische Detektor 14 verzerrt das Signal P (t) wie dargestellt, weil die Polarisation des Kristalls temperatur nderungsabhängig ist. Trifft auf einen pyroelektrischen Kristall eine Strahlung konstanter Leistung, so würde sich infolgedessen ein ther¬ misches Gleichgewicht einstellen, ohne daß weitere Ladungs¬ träger für ein Meßsignal an den Kontaktflächen des Kristalls erzeugt würden. Der Detektor 14 ergibt also kein Meßsignal, das für den Gleichanteil der Strahlungsleistung repräsentativ wäre. Auch die durch diesen Detektor 14 erzeugte Verzerrung des Eingangssignals P (t) muß durch die zusammenfassende Schaltung 28 berücksichtigt werden.

Der Vergleich des zeitlichen Verlaufs der Spannungen U (t) und U (t) ergibt, daß sich beide durch Addition zu der Sprung¬ form des Eingangssignals ergänzen würden, wenn die Zeitkon¬ stanten T und T , gleichgroß wären. In diesem Fall würde also p th eine einfache Addition genügen, um zu dem bei 21 dargestellten

zeitlichen Verlauf des Ausgangssignals U (t) zu kommen, welcher

3. dem zeitlichen Verlauf des Eingangssignals P (t) gemäß 29

L entspricht. In der Regel werden geeignete Detektoren 10, 14 jedoch unterschiedliche Zeitkonstanten ihrer Sprungantworten aufweisen, z. B. wie angegeben. In diesem Fall wäre es möglich, daß die beiden Detektoren mit diese Zeitkonstanten aufeinander abstimmenden Zeitgliedern beschaltet werden. Beispielsweise kann der thermische Detektor 10 mit einem Filter beschaltet werden, das an seinem Ausgang eine verlangsamte Tiefpaß- Sprungantwort ausgibt. In einem solchen Fall, wenn die Ausgleichszeitkonstanten der Detektoren 10, 14 gleichgroß sind, genügt ebenfalls die Addition der beiden Signale U (t) , und

U (t) , um ein Signal U (t) entsprechend dem zeitlichen Verlauf 2 a der Eingangsgröße P (t) zu erzeugen.

L

Das tatsächliche Verhalten der Detektoren 10, 14 ent¬ spricht aber nicht dem vorbeschriebenem idealen Verhalten, so daß der in Fig. 4 dargestellte Entzerrer 20 erforderlich ist, der im wesentlichen aus einem Proportionalzweig 20 und aus einer integrierenden Schaltung 24 besteht, die an die Eingänge eines Addierers 22 angeschlossen sind, der das Ausgangssignal

U (t) liefert. Demgemäß wird U (t) über den Proportionalzweig a —

23 direkt auf den Addierer 22 gegeben, zugleich aber auch auf einen weiteren Addierer 30, an dessen anderen Eingang ein

Signal U (t) gelegt wird. Dieses Signal entspricht einer

Korrekturkomponente zur Kompensation etwaiger Störgrößen n (t) am Addierer 30. Der Addierer 30 ist mit seinem Ausgang an die

IntegrierSchaltung 24 so angeschlossen, wobei die Zei konstante . = T ist. Unter dieser Bedingung liefert die integrierende i p

Schaltung 24 ein Signal i(t) entsprechend der Darstellung bei 31. Der Vergleich der Darstellungen 32 bezüglich U (t) und 31 bezüglich i(t) ergibt, daß der Addierer 22 das gewünschte Proportionalsignal herstellt, so daß also die Kombination von Proportional- und Integralzweig 23, 24 die inverse Übertra¬ gungsfunktion des pyroelektrischen Detektors bildet, sofern die Zeitkonstante T. der integrierenden Schaltung 24 mit der thermischen Zeitkonstanten T des Detektors 14 übereinstimmt.

P

Wenn das Verhalten des pyroelektrischen Detektors 14 dem im _E rsatzschaltbild dargestellten Verhalten entspräche und das System völlig ungestört wäre, wäre eine Korrekturschaltung nicht mehr erforderlich. Außer den Ungenauigkeiten bei der Modellbildung ist beispielsweise das thermische Rauschen des pyroelektrischen Detektors 14 eine unvermeidbare Störquelle. Auch bei den verwendeten Operationsverstärkern, z. B. 22, sind Störungen durch Offsetspannungen infolge thermischer Drifter¬ scheinungen unvermeidbar. Diese werden durch die integrierende Schaltung 24 ebenso aufintegrier , wie das an sich mittelwert¬ freie Rauschen des pyroelektrischen Detektors 14 zu einer mittelwertbehafteten Störung aufintegriert wird. Infolgedessen driftet die Spannung U (t) bzw. das Ausgangssignal statistisch cL in immer größerer Amplituden und würde schließlich an die durch die Versorgungsspannung der Schaltung gegebenen Grenzen stoßen. Um diese nachteiligen Wirkungen zu vermeiden, wird in der zusammenfassenden Schaltung 28 eine Rückkopplungsschaltung 25 eingesetzt. Bei dieser Schaltung wird das Ausgangssignal U (t) cL über einen invertierenden Operationsverstärker 26 von der Spannung U ₁ (t) über den Addierer 33 subtrahiert, dessen Ausgang an einen Proportional-Integral-Regler 27 angeschlossen ist, der seinerseits unter Erzeugung der Spannung ü (t) an einen Eingang i des Addierers 30 ^' angeschlossen ist. Durch diese Rückkopplungs- schaltung 25 wird das Ausgangssignal U (t) mit dem Meßsignal et

U (t) des thermischen Detektors 10 verglichen und .bei einer Differenz mit Hilfe des PI-Reglers 27 ein negativer Korrek¬ turwert erzeugt, der die zur Erläuterung angegebene Störgröße n(t) kompensiert. Durch das Aufzwingen des Mittelwerts des Meßsignals U (t) auf das Ausgangssignal U (t) werden also die sonst am Ausgang des Entzerrers mit fortschreitender Zeit immer größeren Ungenauigkeiten ausgeschaltet. Über den Proportional¬ zweig des Reglers 27 kann darüber hinaus die Dynamik beim Einschwingen verbessert werden. Bei dieser KorrekturSchaltung wird der thermische Detektor 10 zur Beseitigung der Störgröße benutzt und stellt für die Regelschaltung den Sollwert zur Ver¬ fügung.

Gewerbliche Verwertbαrkeit

Die Vorrichtung überwacht durch Messung sowohl den zeitlichen Mittelwert als auch schnelle Leistungsänderungen von Infrarot- und Kohlendioxidlasern.