BE1007005A3

BE1007005A3 - Inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux.

Info

Publication number: BE1007005A3
Application number: BE9300373A
Authority: BE
Inventors: Tichelen Paul Jos Luc Van
Original assignee: Vito
Priority date: 1993-04-16
Filing date: 1993-04-16
Publication date: 1995-02-14

Abstract

Inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, in het bijzonder van een hoog vermogen van een hoog vermogen laserstraal (1), daardoor gekenmerkt dat ze een meetlaserstraalbron (4) bevat, een meetcel (2) met een venster (3) dat dwars op de energieflux gericht is en bijdoorgang van de energieflux aan zijn oppervlak een klein gedeelte van de energieflux absorbeert, ten minste één optische vezel (6) tussen de meetlaserstraalbron (4) en de meetcel (2), die de meetlaserstraal (12) op het oppervlak van het venster (3) richt onder een hoek waarbij deze meetlaserstraal (12) wordt gereflekteerd, een positiedetektor (5) en een optische vezelbundel (7) tussen de positiedektor (5) en de meetcel (2), voor het opvangen van de gereflekteerde meetlaserstraal (14) waarvan de reflektiehoek afhangt van het vermogen van de energieflux.

Description

Inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux.

De uitvinding heeft betrekking op een inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, in het bijzonder van een hoog vermogen laserstraal.

Meer en meer wordt gebruik gemaakt van hoog vermogen laserstralen die via een optische vezel over grote afstanden worden getransporteerd, bij voorbeeld naar zogenaamde YAG lasapparaten of lasrobots. Het ontstaan van breuken of lekken in de optische vezel kan bij dergelijke hoge vermogens gevaarlijk zijn zodat bijzondere maatregelen worden genomen om deze breuken of lekken op te sporen. Een van de mogelijke beveiligingen zou erin kunnen bestaan het vermogen van de laserstraal aan het begin en op het einde van de optische vezel te bepalen en de vermogens te vergelijken. Een verschil in vermogen kan op een breuk wijzen.

Tot nogtoe zijn geen inrichtingen bekend die tegelijk voldoende kompakt zijn om in bestaande laserinstallaties te worden ingebouwd , een voldoend snelle antwoordtijd hebben en ook op hoge temperaturen van meer dan 200[deg.]C kunnen werken.

De uitvinding heeft als doel een dergelijke inrichting te verschaf f en .

Dit doel wordt volgens de uitvinding bereikt doordat de inrichting een meetlaserstraalbron bevat, een meetcel met een venster dat dwars op de energieflux gericht is en bij doorgang van de energieflux aan zijn oppervlak een klein gedeelte van de energieflux absorbeert, ten minste één optische vezel tussen de meetlaserstraalbron en de meetcel, die de meetlaserstraal op het oppervlak van het venster richt onder een hoek waarbij deze meetlaserstraal wordt gereflekteerd, een positiedetektor en een optische vezelbundel tussen de positiedetektor en de meetcel, voor het opvangen van de gereflekteerde meetlaserstraal waarvan de reflektiehoek afhangt van het vermogen van de energieflux.

De uitvinding maakt gebruik van het gekende fotothermische effekt. De absorptie van de energieflux aan het oppervlak van het venster zorgt voor een tempertuursgradient. Het is gekend dat de reflektiehoek van een laserstraal die onder een hoek op dit oppervlak gericht wordt afhangt van deze temperatuursgradient. In "Rev.Sci.Instrum." 57(6), Juni
1986 van American Institute of Physics, blz. 1126-1128 wordt in een artikel van F. Charbonnier en D. Fournier een experimentele meetinrichting beschreven voor het meten van deze fotothermische deflektie.

Deze meetinrichting wordt gebruikt voor het thermisch karakterizeren of de niet-destruktieve evaluatie van een staal en deze inrichting maakt dan ook geen gebruik van een venster, maar het te karakterizeren of te evalueren staal wordt in de meetcel geplaatst en de hoog vermogen laserstraal wordt op het staal gericht en er volledig door geabsorbeerd. Verder zijn de meetlaserstraalbron en de positiedetektor in de meetcel geplaatst en wordt geen gebruik gemaakt van optische vezels. Daardoor is deze experimentele meetcel niet alleen zeer omvangrijk, maar daarenboven niet bruikbaar bij hoge temperaturen.

Volgens de uitvinding kunnen door de optische vezels de meetlaserstraalbron en de positiedetektor op voldoende afstand van het oppervlak van het venster, hetzij in de meetcel hetzij bij voorkeur op afstand daarvan, worden geplaatst.

In een bijzondere uitvoeringsvorm van de uitvinding, is de energieflux een hoog vermogen laserstraal en is de meetlaserstraalbron een bron die een meetlaserstraal met een andere golflengte dan deze van de hoog vermogen laserstraal, uitzendt.

In een merkwaardige uitvoeringsvorm van de uitvinding, is in de meetcel tegenover de optische vezelbundel een lens gemonteerd.

De meetlaserstraalbron is doelmatig een laserdiode. De positiedetektor is doelmatig een vierkwadrantsfotodiode of een CCD komponent.

Op de meetlaserstraalbron kan een modulator zijn aangesloten om de meetlaserstraal te moduleren om het aandeel van de ruissignalen te verminderen.

Andere bijzonderheden en voordelen van de uitvinding zullen blijken uit de hier volgende beschrijving van een inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, volgens de uitvinding. Deze beschrijving wordt enkel als voorbeeld gegeven en beperkt de uitvinding niet. De verwijzingscijfers betreffen de hieraan toegevoegde figuur, die schematisch een doorsnede weergeeft van een inrichting volgens de uitvinding.

De inrichting voor het bepalen van het vermogen van een hoog vermogen laserstraal 1 weergegeven in de figuur, bevat in hoofdzaak een meetcel 2 met een venster 3, en op een afstand daarvan een omzetter die een meetlaserstraalbron 4 en een positiedetektor 5 bevat die respektievelijk door middel van een optische vezel 6 en een optische vezelbundel 7 op de meetcel 2 aansluiten.

De meetcel 2 bestaat uit een behuizing 8 waarin het venster 3 is gemonteerd. Dit venster 3 bestaat uit een doorzichtig medium 9 dat aan de zijde waarlangs de laserstraal 1 opvalt, bekleed is met een deklaag 10 die de te meten laserstraal 1 doorlaat maar bij doorgang van deze laserstraal 1 een zeer klein deel ervan absorbeert. Het een weinig absorberende oppervlak is loodrecht gericht op de binnenvallende laserstraal 1.

De behuizing 8 is van een doorgang 11 voorzien voor de optische vezel 6, die zo gericht is dat de invallende meetlaserstraal 12, die uit het einde van de optische vezel 6 gestraald wordt, onder een zulkdanige hoek op de deklaag
10 valt dat ze door deze deklaag 10 volledig wordt gereflekteerd.

De behuizing 8 is ook van een doorgang 13 voorzien waarin een einde van de optische vezelbundel 7 steekt. Door deze doorgang 13 is dit einde van de optische vezelbundel 7 zo gericht dat de gereflekteerde meetlaserstraal 14 door deze bundel kan opgevangen worden. Voor dit einde is in de meetcel 2 een lens 15 .gemonteerd en tussen deze lens 15 en het venster 3 een selektieve filter 16 voor de gereflekteerde meetlaserstraal 14. Deze filter 16 kan de beïnvloeding van de meetlaserstraal 14 door strooilicht, bijvoorbeeld van de te meten laserstraal 1, verminderen.

De optische vezelbundel 7 moet coherent zijn, dit wil zeggen dat er systematisch verband moet bestaan tussen de plaats waar de gereflekteerde meetlaserstraal 14 invalt op de vezelbundel en de plaats waar ze terug uit de vezelbundel treedt.

Als meetlaserstraalbron 4 kan een laserdiode worden gebruikt. De golflengte van de meetlaserstraal 12 verschilt bijvoorkeur van de golflengte van de te meten laserstraal

1. Hierdoor kan de beïnvloeding van de meetlaserstraal 12 door de te meten laserstraal 1 worden vermeden indien de filter 16 aanwezig is. De meetlaserstraal 12 kan eventueel worden gemoduleerd door de op de bron 4 aangesloten modulator 17 om het aandeel van ruissignalen te verminderen.

Als positiedetektor 5 kan een vierkwadrantsfotodiode of een CCD komponent worden gebruikt. De absorptie van een klein gedeelte van de te meten hoog vermogen laserstraal 1 op de deklaag 10 veroorzaakt een temperatuursgradiënt aan het oppervlak van het venster 3. De reflektiehoek van de gereflekteerde meetlaserstraal 14 hangt af van deze temperatuursgradiënt. Bij verandering van energieflux van de laserstraal 1 verandert dus de richting van de gereflekteerde meetlaserstraal 14. Deze verandering van richting wordt nog versterkt door de lens. De laserlichtverdeling over de optische vezels van de vezelbundel 7 hangt dus ook af van de richting van de meetlaserstraal 14 en verandert dus bij een verandering van de reflektiehoek. Door de positiedetektor kan de hoek van de reflektie worden bepaald, waaruit dan het vermogen van de te meten laserstraal 1 kan worden afgeleid.

Doordat de laserstraal 1 loodrecht op het venster 3 valt is er geen invloed van de polarisatieverdraaiing van de te meten hoog vermogen laserstraal 1. Deze loodrechte inval is wenselijk omdat bij transport van een gepolariseerde laserstraal door een vezel, de polarisatie bij buiging van de vezel kan veranderen hetgeen aanleiding zou kunnen geven tot een verandering van het meetsignaal. Bij schuine inval van een gepolariseerde laserstraal op een oppervlak kunnen er ook verschillen in lichtbreking optreden afhankelijk van de polarisatie.

De hiervoor beschreven inrichting laat een kompakte inbouw toe aangezien enkel de meetcel, die zeer kompakt is, in de te meten meetstraal moet worden gemonteerd en de meetlaserstraalbron 4 en de positiedetektor 5 niet samen met de meetcel 2 moeten worden gemonteerd. De verbinding, gevormd door de optische vezel 6 en de optische vezelbundel 7, tussen de meetcel 2 en de op een afstand daarvan gemonteerde meetlaserstraalbron 4 en positiedetektor 5 is buigbaar hetgeen de inbouw van de meetcel 2 vergemakkelijkt. Deze bron 4 en positiedetektor 5 bevinden zich hierdoor ook op een lagere temperatuur dan de meetcel 2 waarin de temperatuur tot 200 graden Celsius kan oplopen, een temperatuur waartegen de meetlaserstraalbron 4 en de positiedetektor 5 niet bestand zijn.

Door gebruik te maken van het fotothermisch effekt heeft de inrichting een zeer snelle antwoordtijd. Een dergelijke snelle antwoordtijd is bijvoorbeeld noodzakelijk om snel een eventuele breuk in een optische vezel gebruikt voor het transport van een hoog vermogen laserstraal te kunnen detekteren.

De beveiliging van het transport van een dergelijke laserstraal is één van de mogelijke toepassingen van de hiervoor beschreven inrichting voor het bepalen van een vermogen van een energieflux. Een dergelijke inrichting wordt gemonteerd aan de ingang en de uitgang van de optische vezel en de door de inrichtingen bepaalde vermogens worden met elkaar vergeleken. In geval van een verschil, wat kan wijzen op een breuk, wordt alarm gegeven.

Andere toepassingen kunnen bijvoorbeeld worden gevonden door de gemeten vermogeninformatie op te nemen in het kontrole- of beheersysteem van de laserstraal 1.

Hierbij kan worden rekening gehouden met de verandering van golfmodes van de hoog vermogen laserstraal tussen de ingang en de uitgang. Deze veranderingen kunnen ontstaan door buiging van de optische vezel. Alhoewel men bij hoog vermogen laserstralen, voor bijvoorbeeld lasapparaten, meestal over multimodelaserstralen beschikt, kan de nauwkeurigheid van de hiervoor beschreven inrichting voor het bepalen van het vermogen worden verhoogd door de meting meer gelijkmatig over de doorsnede van de te meten laserstraal 1 te integreren. Dit kan konkreet door als meetlaserstraal 12 een relatief brede bundel te gebruiken, of zelfs in een variante, tegelijk meerdere meetlaserstralen 12 tegelijk op het venster 3 te richten.

De uitvinding is geenszins beperkt tot de hiervoor beschreven uitvoeringsvormen en binnen het raam van de oktrooiaanvrage kunnen aan de beschreven uitvoeringsvormen vele veranderingen worden aangebracht, ondermeer wat betreft de vorm, de samenstelling, de schikking en het aantal van de onderdelen die voor het verwezenlijken van de uitvinding worden gebruikt.

Claims

Konklusies.

(1) en de meetlaserstraalbron (4) een bron is die een meetlaserstraal (12) met een andere golflengte dan deze van de hoog vermogen laserstraal (1), uitzendt.

1.- Inrichting voor het bepalen van het vermogen van een energieflux, in het bijzonder van een hoog vermogen laserstraal (1), daardoor gekenmerkt dat ze een meetlaserstraalbron (4) bevat, een meetcel (2) met een venster (3) dat dwars op de energieflux gericht is en bij doorgang van de energieflux aan zijn oppervlak een klein gedeelte van de energieflux absorbeert, ten minste één optische vezel (6) tussen de meetlaserstraalbron (4) en de meetcel (2), die de meetlaserstraal (12) op het oppervlak van het venster (3) richt onder een hoek waarbij deze meetlaserstraal (12) wordt gereflekteerd, een positiedetektor (5) en een optische vezelbundel (7) tussen de positiedetektor (5) en de meetcel (2), voor het opvangen van de gereflekteerde meetlaserstraal (14) waarvan de reflektiehoek afhangt van het vermogen van de energieflux.
2.- Inrichting volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat de energieflux een hoog vermogen laserstraal
3.- Inrichting volgens vorige konklusie, daardoor gekenmerkt dat tussen het venster (3) en de positiedetektor
4.- Inrichting volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat in de meetcel (2) tegenover de optische vezelbundel (7) een lens (15) is gemonteerd. 5.- Inrichting volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat de meetlaserstraalbron (4) een laserdiode is.
(5) een filter (16) is gemonteerd.
6.- Inrichting volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat de positiedetektor (5) een vierkwadrantsfotodiode of een CCD komponent is.
7.- Inrichting volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat op de meetlaserstraalbron (4) een modulator (17) aansluit om de meetlaserstraal (12) te moduleren om het aandeel van de ruissignalen te verminderen.
8.- Inrichting volgens een van de vorige konklusies, daardoor gekenmerkt dat het venster (3) een doorschijnend medium (9) bevat dat aan de zijde van de inkomende energieflux een oppervlak (10) bevat dat een gedeelte van de energieflux absorbeert.