DE4243902C2

DE4243902C2 - Laserleistungsmeßgerät

Info

Publication number: DE4243902C2
Application number: DE4243902A
Authority: DE
Inventors: Ephraim Secemski
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-12-26
Filing date: 1992-12-23
Publication date: 2003-07-31
Anticipated expiration: 2012-12-24
Also published as: GB2262804B; GB9226642D0; GB2262804A; DE4243902A1; IL100528A0; US5316380A

Description

Die Erfindung betrifft im allgemeinen ein Laserleistungsmeßgerät und im spezielleren ein Laserleistungsmeßgerät des isoperibolischen Typs.

Verschiedene Arten von Laserleistungsmeßgeräten sind bekannt. Wie in einem mit: "Calori metric Measurements of Laser Energy and Power" in J. Phys. E., Vol. 6, Feb. 1973, Seiten 105-114, betitelten Artikel beschrieben, können für Lasermessungen benutzte Kalorimeter im allgemeinen als "Isoperibolt Typ" oder "Leitfähigkeitstyp" klassifiziert werden.

Die Theorie des Betriebs sowie der Benutzung von isoperibolischen Kalorimetern beim Mes sen von Laserleistung und -energie wird in dem Artikel "Theory of Isoperibol Calorimetry of Laser Power and Energy Measurements", von E. D. West und K. L. Churney, veröffentlicht in Journal of Applied Physics, Vol. 41, Seiten 2705 bis 2712 (1970), beschrieben. In diesem Artikel sind Verfahren zur genauen Kompensierung von den mit der Benutzung dieser Tech nik einhergehenden Fehler beschrieben, umfassend die Fehler, die ein Kalibrieren solch eines Kalorimeters betreffen.

In dem Artikel "Reducing Random Error of Heat-Flow Calorimeter", von A. V. Koudel'nyi et al., veröffentlicht in Measurement Techniques, Vol. 28, Nr. 1, Seiten 76-79 (1985), sind Verfahren zum Beschleunigen der Zeitdauer beschrieben, die für eine genaue Mikrowellenlei stungsmessung mit einem Standard-Wärmeflußkalorimeter benötigt wird, wobei eine Endauslesung mittels einer mathematischen Methode von sukzessiven Approximationen anti zipiert wird.

In der EP 0 381 148 A1 mit dem Titel "Optical calorimeter system for executing real and short time calorimetric measurement of optical power", die auf K. Kuroda zurückgeht, ist ein Standard-Labortyp-Kalorimeter beschrieben, das einen Shutter und ein Kontrollsystem ver wendet zum Aufrechterhalten eines Gleichgewichts zwischen den Ausgaben eines Heizers und eines Kühlers, die in einen Kalorimeterkopf eingebaut sind, um isotherme Bedingungen zwischen dem Leistungsabsorber und seiner Temperaturreferenz-Umhüllung aufrechtzuer halten. Die Heizerleistung, die zum Ausbalancieren des Effektes des Leistungseingangs be nötigt wird, wenn ein interner Shutter geöffnet und geschlossen wird, wird zum Liefern einer genauen und verhältnismäßig schnellen Messung der optischen Leistung verwendet.

In der DE-OS 19 34 572 mit dem Titel "Kalorimeter für Hochleistungslaser", die auf L. C. DeBenedictis zurückgeht, ist ein einfaches Volumenabsorberkalorimeter beschrieben, das nach den isoperibolischen Prinzipien zur Messung eines Temperaturanstiegs einer thermisch isolierten Scheibe arbeitet. Ein Hinterkleidungsmaterial aus Kupfer ist hinter der Oberfläche eines Glasvolumenabsorbers vorgesehen, um die Antwortszeit des Kalorimeters herabzuset zen und, somit, auch seine Genauigkeit zu erhöhen, da eine kürzere Messzeit mit kleineren Strahlungsverlusten einhergeht.

Das isoperibolische Kalorimeter ist konzeptionell einfach in der Gestaltung, da prinzipiell nur eine Messung des Temperaturanstieges des thermisch isolierten Strahlabsorbers benötigt wird, um die Energie des Strahls, die, wenn sie durch die Belichtungszeit dividiert wurde, die Lei stung des Strahls ergibt, zu bestimmen.

Einer der größten Nachteile des Laserleistungsmeßgerätes des isoperibolischen Kalorimetertyps ist die Forderung des genauen Bestimmens der Belichtungszeit. Herkömmlicherweise wird von einem Operateur beim Benutzen des einfachsten Typs von isoperibolischen Kalorimetern, wie solche, die käuflich von Optical Engineering Inc., in Santa Rosa, CA, U.S.A., erhältlich sind, erwartet, die Zeit, die eine Absorbersonde in einen Laserstrahlweg gehalten wird, mittels einer Uhr zu messen Solch ein Verfahren führt automatisch zu Ungenauigkeiten der Messungen, und die Meßgenauigkeit hängt sehr von dem Können des Operateurs ab.

Bei einem Versuch, dieses Problem zu umgehen, wurden isoperibolische Kalorimeter mit elektronisch betriebenen und geschalteten Klappen in der Literatur beschrieben. Diesbezüglich wird auf "Calorimetric Measurements of Optical Power from Pulsed Lasers" in IEEE Trans. on Instr. and Meas., Vol. IM-21, Nov. 1972, Seiten 430-433, hingewiesen. Diese Lösung ist nicht gänzlich zufriedenstellend, da das Hinzufügen einer Klappe das Kalorimeter komplizierter, teurer und somit für viele Anwendungen gewerblich uninteressant macht.

U.S.-Patent 3 459 945 beschreibt ein Laserkalorimeter, das einen pyroelektrischen Detektor umfaßt, der eine zeitlich und mechanisch geschaltete Klappe aufweist, um Strahlung von kontinuierlicher Welle zu messen. U.S.-Patent 3 622 245 beschreibt ein Kalorimeter mit Doppelplatte, wobei ein elektronischer Zeitmesser benutzt wird, um für eine bestimmte Zeit Strom an eine Spule eines Kalibrationsheizers anzulegen, um eine gegebene elektrische Energie des Kalibrationseingangs zu bestimmen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Laserleistungsmeßgerät des isoperibolischen Kalorimetertyps zu liefern, das die Nachteile der bekannten Meßgeräte überwindet.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung ein Laserleistungsmeßgerät des isoperibolischen Kalorimetertyps geliefert, das einen Laserstrahlenergie absorber, ein Mittel zum Messen der Temperaturänderung des Absorbers, ein elektronisches Zeitmessungsmittel zum Festlegen einer Zeitperiode, in welcher eine Temperaturänderung des Absorbers stattfindet und ein Mittel, das in Antwort auf eine während der Zeitperiode gemessene Temperaturänderung wirksam wird, indem es ein die Laserleistung kennzeichnendes Ausgangssignal liefert, umfaßt.

Dabei ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung vorgesehen, daß das elektronische Zeitmessungsmittel automatisch ausgelöst wird, um eine Meßperiode in Antwort auf das Auftreffen eines Laserstrahls auf den Absorber zu beginnen.

Alternativ hierzu wird vorgeschlagen, daß das elektronische Zeitmessungsmittel in Antwort auf ein manuelles Auslösen in Gang gebracht wird, um eine Meßperiode zu beginnen.

Ferner schlägt die Erfindung vor, daß ein Mittel zur elektronischen Korrektur von Fehlern aufgrund des Wärmeverlustes des Absorbers zur Verfügung gestellt ist.

Außerdem ist ein Mittel zum Heizen und Kalibrieren des Absorbers, das als ein im Laserleistungsmeßgerät integrierter Teil ausgebildet ist, vorgesehen.

Schließlich ist in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung ein Mittel zum Variieren der Länge der Meßperiode als Funktion des absorbierten Laser-Leistungsniveaus vorgesehen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachstehenden Beschreibung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der schematischen Zeichnungen im einzelnen erläutert wird. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine bildliche Illustration eines Laserleistungsmeßgerätes des isoperibolischen Kalorimetertyps, das in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung aufgebaut ist und wie dieses arbeitet;

Fig. 2 einen Querschnitt eines Teils des Laserleistungsmeßgerätes von Fig. 1, der entlang der Linie II-II von Fig. 1 genommen wurde; und

Fig. 3 eine Schematik, die ein teilweise vereinfachtes Blockdiagramm zur Illustration eines Laser- Leistungsmeßgerätes des isoperibolischen Kalorimetertyps von Fig. 1 darstellt.

Im Abschluß wird sich auf die Fig. 1 bis 3 bezogen, die ein Laserleistungsmeßgerät des isoperibolischen Kalorimetertyps, das gemäß eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der gegenwärtigen Erfindung aufgebaut ist und wie dieses arbeitet, zeigt. Wie insbesondere in den Fig. 1 und 2 zu sehen ist, enthält das Leistungsmeßgerät einen Absorberblock 10, der vorzugsweise aus Metall gebildet ist und dessen dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche 11 vorzugsweise mit einem Riffelfeld 12 ausgebildet ist, um die Absorption der Laserstrahlenergie zu erhöhen.

Die dem Laserstrahl zugewandte Oberfläche 11 ist vorzugsweise mit einem umhüllenden Material ausgebildet, wie einem schwarzen Strahlungs-Absorberanstrich oder einer dünnen Keramikschicht, wie Aluminiumoxid, das eine hohe Absorption bei der Wellenlänge des Laserstrahls, dessen Leistung gemessen wird, aufweist. Das Gewicht des Absorberblocks 10 ist so gewählt, daß sein Temperaturanstieg auf nicht mehr als 60°C während einer vorher bestimmen Belichtungslänge unter maximalen Nennleistungsbedingungen beschränkt wird, wodurch Ungenauigkeiten der Leistungsmessung aufgrund der Wärmeverluste des Absorbers auf weniger als 1% beschränkt werden.

Normalerweise ist der Absorberblock 10 so gestaltet, daß seine Tiefe, entlang der Achse parallel zum gewünscht auftreffenden Laserstrahl, kleiner als seine anderen Dimensionen ist, um zu ermöglichen, daß der Absorber in relativ schmale Öffnungen entlang des Weges des Strahls eingeführt werden kann.

Ein Temperatursensor 14 ist vorzugsweise im Mittelpunkt des Absorberblocks 10, am Ende eines Rohrs 18, das in eine schmale Bohrung 15 eingefügt ist, angeordnet. Signalleitungen 17 erstrecken sich vom Sensor 14 durch das Rohr 18. Das Rohr 18 ist vorzugsweise aus einem Metall, wie rostfreiem Stahl, ausgeformt, weist eine relativ niedrige thermische Leitfähigkeit auf und kann auf dem Absorberblock 10 mittels eines Flanschs 20 und Schrauben 22 angebracht werden.

In Übereinstimmung mit einem fakultativen Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung kann ein relativ dünnes Heizelement 24 in einer in dem Absorberblock 10 ausgeformten Ausnehmung 26, vorzugsweise am Hinterteil derselben, angebracht sein. Dieses Heizelement 24 kann zum Heizen des Absorberblocks zwecks Kalibrierung benutzt werden. Strom kann an das Heizelement 24 von einer externen Leistungsquelle (nicht gezeigt) durch ein Paar Zuleitungen 28, die mit dem Heizelement 24 durch den Leiter 30 verbunden sind, angelegt werden. Das Heizelement 24 kann durch ein Deckelelement 32, das auf dem Absorberelement 10 mittels Schrauben 34 abgebracht ist, eingeschlossen sein.

An dem Rohr 18 ist eine kombinierte Bedienungs- und Kontrolleinheit 40 angebracht, die mit einer Handgriffoberfläche 42 ausgebildet ist. Die Einheit 40 kann fest an dem Rohr 18 oder alternativerweise abnehmbar an demselben angebracht sein.

Wie in Fig. 3 zu sehen, ist der Temperatursensor 14 des Laserleistungsmeßgerätes des isoperibolischen Kalorimetertyps der gegenwärtigen Erfindung durch Leitungen 17 mit einem Verstärker 44, dessen Verstärkung mittels eines Verstärkungsselektor 46 in Übereinstimmung mit der Wellenlänge des Laserstrahls, dessen Leistung gemessen werden soll, einjustiert werden kann, verbunden. Der Verstärkungswähler 46 wird durch einen Wellenlängensensitivitätsselektor 47 betätigt, der typischerweise zwei auswählbare Druckknöpfe 48 und 50 (Fig. 1) für YAG- bzw. CO₂-Laser, aufweist.

Wenn der Temperatursensor 14 ein Thermoelement benutzt, dann ist der Verstärker 44 vorzugsweise ein an das Thermoelement angepaßter Verstärker, wie ein AD595 der von Analog Devices Inc., in Norwood, Massachusetts, U.S.A., hergestellt wird. Wenn der Temperatursensor 14 einen Halbleitertemperatursensor, wie einen AD590, der von Analog Devices Inc., oder einen LM35, der von National Semiconductor Corporation, Santa Clara, Californien, U.S.A., hergestellt wird, benutzt, kann der Verstärker 44 ein herkömmlich arbeitender Verstärker sein.

Das Ausgangssignal des Verstärkers 44 wird einer arithmetischen logischen Einheit 49 zugeführt, die wirksam wird, um den vom Sensor 14 gemessenen Temperaturanstieg zu berechnen. Die arithmetische logische Einheit 49 empfängt START- und STOP-Signale, die das Beginnen und Beenden einer Temperaturänderungsmeßperiode, die von einem Taktgeber und Zeitglied 51 gegeben wird, kennzeichnen.

Die Bereitstellung eines START-Signals kann entweder manuell oder automatisch durch geeignetes Positionieren eines selektierenden Schalters 52 realisiert werden. Wenn manueller Betrieb ausgewählt wurde, wird der Beginn der Temperaturänderungsmeßperiode durch manuelles Auslösen eines START-Knopfes 54, nach dem Einfügen des Absorbers in einen Laserstrahl, dessen Leistung gemessen werden soll, initiiert.

Ein STOP-Signal wird durch eine Schaltung 51 in einer vorherbestimmen Zeit nach dem Start-Signal erzeugt.

Wenn automatischer Betrieb ausgewählt ist, wird das Auftreffen des Laserstrahls wie folgt gefühlt:
ein Ausgangssignal vom Verstärker 44 wird zu einem differenzierenden Verstärker 56 geliefert, der ein Ausgangssignal repräsentativ für den Zeittakt und die durch den Sensor 14 gemessene Temperaturänderung liefert; und
die Schaltanordnung 51 antwortet auf den Empfang eines Signals vom Verstärker 56, das für das Aufheizen des Absorbers mit zumindest einer vorherbestimmten Schwellrate kennzeichnend ist, mit dem Beginn der Meßperiode.

Auf den Empfang eines START-Signals von dem Taktgeber und der Zeitschaltungsanordnung 51 hin wartet die arithmetische logische Einheit 49 eine vorherbestimmte Verzögerungszeit, wie z. B. eine Sekunde, um sicherzustellen, daß irgendein anfänglicher exponentieller Einschwingvorgang abgeschlossen ist und speichert dann, als eine Starttemperatur, die gegenwärtige Temperatur am Sensor 14 in einem Speicher 58. Auf das Erhalten eines STOP-Signals von der Schaltungsanordnung 51 hin, ruft die arithmetische logische Einheit 49 die START- Temperatur aus dem Speicher 58 ab und zieht diese von der Temperatur ab, die zu dieser Zeit am Sensor 14 ist, um den Temperaturanstieg zwischen dem START- und STOP-Signal zu bestimmen.

Da die Dauer der Meßperiode nach dem Ende der Verzögerungszeit vorherbestimmt und bekannt ist, liefert Multiplikation des gemessenen Temperaturanstieges mit einem vorherbestimmten Konversionsfaktor eine Anzeige für die Laserleistung des Laserstrahls. Diese Multiplikation wird durch die arithmetische logisch Einheit 49 ausgeführt und einem digitalem Anzeiger 60 zugeführt.

Ein Summer 62 kann durch die arithmetische logische Einheit 49 ausgelöst werden, um dem Benutzer anzuzeigen, daß die Meßperiode beendet ist, und daß der Absorberblock 10 aus dem Laserstrahl entfernt werden kann. Überhitzen des Absorberblocks 10 kann durch ein Indikatorlicht 64 in Antwort auf ein geeignetes Eingangssignal von der arithmetischen logischen Einheit 49 angezeigt werden.

In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung wird ein Wärmeverlustkompen sationsmittel 66 zur Verfügung gestellt, das ein Ausgangssignal vom Verstärker 44 erhält und ein Eingangssignal an die arithmetische logische Einheit 49 liefert, das bezüglich der Wärmeverluste des Absorberblocks 10 in erster Ordnung korrigiert ist. Die Korrektur kann empirisch durch Messung der Leistung eines fixierten Laserstrahls als Funktion der Absorberblocktemperatur bestimmt werden.

Gemäß eines anderen, alternativen Ausführungsbeispiels der gegenwärtigen Erfindung muß die Meßperiode nicht eine bestimmte Länge haben, kann hingegen verlängert werden, wenn der Wert der Zeitableitung der Absorberblocktemperatur, angezeigt durch Verstärker 56, abnimmt.

Dieses Abnehmen kennzeichnet ein korrespondierendes Abnehmen des Leserstrahlleistungsniveaus. Solch eine Anordnung erhält eine Meßgenauigkeit über einen breiteren dynamischen Bereich, als es mit Hilfe einer fixierten Meßperiode möglich ist. Um eine variable Meßperiode zur Verfügung zu stellen, muß die arithmetische logische Einheit 49 ein Kontrollsignal, das von der Laserstrahlleistung abhängt, an das Zeitglied 51 liefern.

In Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung kann, anstelle der Benutzung von separaten analogen und logischen Komponenten, wie in dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, eine Ausgangsspannung vom Verstärker 44 direkt in ein digitales Signal mittels eines A/D-Konverters umgewandelt werden. In solch einem Fall können die komplette Signalverarbeitung und die Funktionen infolge von Benutzerzwischenschaltung durch die Benutzung eines Mikro prozessors durchgeführt werden.

Das Laserleistungsmeßgerät der gegenwärtigen Erfindung hat eine Anzahl von Vorteilen gegenüber dem Stand der Technik. Diese Vorteile werden im Anschluß aufgezählt werden.

Die dem Stand der Technik innewohnende Zeitmessungsungenauigkeit wird durch die Benutzung einer elektronischen Zeitmessungseinheit überwunden, die eine effektive Zeitperiode, wahrend welcher die Temperaturänderung im Absorberblock 10 aufgrund des Belichtens des Absorberblocks mit einem Laserstrahl gemessen wird, kennzeichnet

Aufgrund der hohen Meßgenauigkeit kann eine genaue Leistungsmessung in einer Zeit erhalten werden, die ein Bruchteil der Zeit ist, die bekannte Meßgeräte benötigen. Während bekannte Meßgeräte ungefähr 20 Sekunden Belichtung durch den Laserstrahl benötigen, braucht die gegenwärtige Erfindung nur ein paar Sekunden, wobei zusätzlich die Genauigkeit größer als bei den bekannten Meßgeräten ist.

Als Resultat der gekürzten, benötigten Belichtungszeit wird weniger zu absorbierende Energie bei jedem gegebenen Laserleistungsniveau benötigt, was es ermöglicht, den Absorberblock 10 kleiner und leichter zu machen, und/oder kann die maximale Blocktemperatur reduziert werden, wodurch Ungenauigkeiten aufgrund von Wärmeverlusten in dem Absorberblock reduziert werden.

Zusätzlich, in Übereinstimmung mit einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der gegenwärtigen Erfindung, ist die arithmetische logische Einheit 49 bewirken, daß die Länge der Meßperiode als Funktion des Niveaus der absorbiert werdenden Laserleistung variiert wird. Daher kann die Meßperiode, wenn das Laserleistungsniveau angehoben wird, reduziert werden und umgekehrt.

Die in der vorstehenden Beschreibung, in der Zeichnung sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.

Claims

1. Laserleistungsmeßgerät des isoperibolischen Kalorimetertyps umfassend:
einen Laserstrahlenergieabsorber;
ein Mittel zum Messen der Temperaturänderung des Absorbers;
ein elektronisches Zeitmessungsmittel zum Festlegen einer Zeitperiode, in welcher eine Temperaturänderung des Absorbers stattfindet; und
ein Mittel, das in Antwort auf eine während der Zeitperiode gemessene Temperaturänderung wirksam wird, indem es ein die Laserleistung kennzeichnendes Ausgangssignal liefert.

2. Laserleistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes elektronische Zeitmessungsmittel automatisch ausgelöst wird, um eine Meßperiode in Antwort auf das Auftreffen eines Laserstrahls auf den Absorber zu beginnen.

3. Laserleistungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß besagtes elektronische Zeitmessungsmittel in Antwort auf eine manuelle Auslösung in Gang gebracht wird, um eine Meßperiode zu beginnen.

4. Laserleistungsmeßgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zur elektronischen Korrektur von Fehlern aufgrund des Wärmeverlustes des Absorbers.

5. Laserleistungsmeßgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zum Heizen und Kalibrieren des Absorbers, das als ein im Laserleistungsmeßgerät integrierter Teil ausgebildet ist.

6. Laserleistungsmeßgerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Mittel zum Variieren der Länge der Meßperiode als Funktion des absorbierten Laserleistungsniveaus.