(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザビームの特性を決定するための装置であって、
レーザビーム（１０、１１）を有効領域（１７）に射出するデバイス（７０）と、
有効領域（１７）に配置可能な検出器機構（２０）と、
検出器機構（２０）の時間変動信号を記録し評価するデバイス（５０）とを含み、
検出器機構（２０）は、
発光面（３９）と導光領域（３６）とを有し、該導光領域（３６）は細長い形状を持つ、少なくとも１つの光導波路（３３）と、
少なくとも２つの光拡散構造（３０）であって、該少なくとも２つの光拡散構造（３０）のうちの第１の光拡散構造（３１）は基本的に第１の方向に沿って延び、少なくとも２つの光拡散構造（３０）のうちの第２の光拡散構造（３２）は基本的に第２の方向に沿って延び、第１の方向と第２の方向とはゼロではない角度を有する光拡散構造と、
光導波路（３３）の発光面（３９）から射出された放射を受けるように構成された少なくとも１つの感光センサ（４０）とを含み、
少なくとも２つの光拡散構造（３０）は、該光拡散構造（３０）に当たるレーザビーム（１０、１１）の一部を、散乱レーザ放射（１８）を光導波路（３３）の導光領域（３６）で発光面（３９）に輸送するように適用された角度範囲で散乱させるように構成され、
該装置が、レーザービーム（１０、１１）と検出器機構（２０）との相対運動をもたらすデバイス（８０）をさらに含み、時間変動信号が第１の光拡散構造（３１）に対応する第１の信号パルスおよび第２の光拡散構造（３２）に対応する第２の信号パルスを含むよう、レーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）が１回の走査運動で第１の光拡散構造（３１）および第２の光拡散構造（３２）に交差し、
該装置が、
レーザービーム（１０、１１）の横断面（１４）の直径（ΦX、ΦY）を、第１の信号パルスおよび第２の信号パルスの少なくとも１つの時間幅（ΔｔAB；Δｔ1AB、Δｔ2AB）から決定し、および／または
レーザービーム（１０、１１）の位置を、第１の信号パルスと第２の信号パルスの間の時間間隔（Δｔ12）から決定する
ように構成される前記装置。
【請求項２】
相対運動をもたらすデバイス（８０）は、検出器機構（２０）を用いてレーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）を走査するように構成される、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
相対運動をもたらすデバイス（８０）は、検出器機構（２０）を用いてレーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）を２つの異なる方向に走査するように構成される、請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
相対運動は基本的に円形運動または楕円形運動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項５】
相対運動は基本的に回転運動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項６】
相対運動は第１および第２の成分を含み、第１の成分は少なくとも部分的に周期性の高速運動であり、第２の成分は第１の成分の動きの方向から線形独立した方向への低速運動である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の装置。
【請求項７】
第１の方向へ延びる第１の光拡散構造（３１）と第２の方向へ延びる第２の光拡散構造（３２）との両方は、少なくとも１つの光導波路（３３）の一部である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項８】
検出器機構は少なくとも２つの光導波路（３３）を含み、第１の方向へ延びる第１の光拡散構造（３１）は、少なくとも２つの光導波路（３３）のうちの第１の光導波路の一部であり、第２の方向へ延びる第２の光拡散構造（３２）は、少なくとも２つの光導波路（３３）のうちの第２の光導波路の一部である、請求項１〜６のいずれか１項に記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの光導波路（３３）は、吸収の非常に低い透明光学材料から作られる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１０】
光導波路（３３）の透明光学材料は、３００ｐｐｍ／ｃｍ未満のレーザ放射（１０、１１）の波長に特有の吸収を有する、請求項９に記載の装置。
【請求項１１】
相対運動をもたらすデバイス（８０）は、検出器機構（２０）を動かすデバイス（８７）を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１２】
相対運動をもたらすデバイス（８０）は、レーザビーム（１０、１１）を動かすデバイス（８３）を含む、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の装置。
【請求項１３】
レーザビームを動かすデバイス（８３）はスキャナ光学素子を含む、請求項１２に記載の装置。
【請求項１４】
レーザビームの特性を決定するための方法であって、
レーザビーム（１０、１１）を有効領域（１７）に射出する工程と、
検出器機構（２０）を有効領域（１７）に位置させる工程であって、検出器機構（２０）は、少なくとも１つの光導波路（３３）と、少なくとも１つの感光センサ（４０）と、少なくとも２つの光拡散構造（３０）とを含み、該少なくとも２つの光拡散構造（３０）のうちの第１の光拡散構造（３１）は基本的に第１の方向に沿って延び、少なくとも２つの光拡散構造（３０）のうちの第２の光拡散構造（３２）は基本的に第２の方向に沿って延び、第１の方向と第２の方向とはゼロではない角度を有する工程と、
レーザビーム（１０、１１）と検出器機構（２０）との相対運動をもたらす工程であって、レーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）が、１回の走査運動で第１の光拡散構造（３１）および第２の光拡散構造（３２）に交差する工程と、
光拡散構造を用いてレーザビーム（１０、１１）の一部から散乱放射を発生させる工程と、
散乱放射の一部を、少なくとも１つの光導波路（３３）の導光領域（３６）で少なくとも１つの光導波路（３３）の発光面（３９）に輸送する工程と、
発光面（３９）から射出された放射を、感光センサ（４０）を用いて受け、受けた放射から時間変動信号を発生させる工程であって、時間変動信号が、第１の光拡散構造（３１）に対応する第１の信号パルスおよび第２の光拡散構造（３２）に対応する第２の信号パルスを含む工程と、
時間変動信号を記録し評価する工程であって、
レーザービーム（１０、１１）の横断面（１４）の直径（ΦX、ΦY）を、第１の信号パルスおよび第２の信号パルスの少なくとも１つの時間幅（ΔｔAB）から決定し、および／または
レーザービーム（１０、１１）の位置を、第１の信号パルスと第２の信号パルスの間の時間間隔（Δｔ12）から決定する工程とを含む前記方法。
【請求項１５】
検出器機構（２０）を用いてレーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）を走査する工程をさらに含む、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
検出器機構（２０）を用いてレーザビーム（１０、１１）の横断面（１４）を２つの異なる方向に走査する工程をさらに含む、請求項１４または１５に記載の方法。
【請求項１７】
レーザビーム（１０、１１）は検出器機構（２０）に対して円形または楕円形経路で動かされる、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１８】
検出器機構（２０）はレーザビーム（１０、１１）に対して回転して動かされる、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１９】
レーザビーム（１０、１１）は、第１の成分および第２の成分を含む動きで検出器機構（２０）に対して動かされ、第１の成分は少なくとも部分的に周期性の高速運動であり、第２の成分は第１の成分の動きの方向から線形独立した方向への低速運動である、請求項１４〜１６のいずれか１項に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザビームの特性を決定するための装置および方法に関する。レーザビームの特性は、レーザビームを走査することにより決定される。一般的な応用分野は、レーザ材料加工システムにおけるレーザビームの特性のビーム診断または検証である。装置および方法は、ビーム直径または焦点直径などのレーザビームの幾何学的パラメータを決定するように適用されている。レーザビームのビームプロファイルの決定も行われる。装置および方法は、レーザビームの位置の決定にも適している。装置および方法はまた、焦点位置を自由に位置させることができ、走査デバイスを用いて動作領域内で動かすことのできる、遠隔レーザ材料加工用の光学システムについてビーム診断を行うためのものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザビームの特性の決定は、多くの技術分野において注目されている。一般的な分野は、一貫して高い加工品質を確保するための、レーザ材料加工システムにおけるビーム特性の測定および検査である。
【０００３】
レーザ材料加工システムにおいて高い加工品質を達成するために、狭い限度内でプロセスおよびレーザパラメータを遵守することが必要である。加工窓は、特に極めて動的な加工システムにおいて非常に小さい。したがって、加工品質を確保するために、レーザビームの特性を頻繁かつ正確に検査する必要がある。これは、レーザビームを自由に位置させることができ、少なくとも２次元の動作領域で走査デバイスを用いて、例えば可動ミラーおよびそれに続くスキャナ光学素子を使用してビームを偏向させることによりレーザビームを動かすことができるシステムに特に当てはまる。そのような遠隔レーザ加工システムは、マーキング、溶接、切断などの様々な応用例を有する。比較的新しい応用例は、選択的レーザ溶融（ＳＬＭ）である。この方法では、複雑な３次元物体を、粉末材料の連続薄層の局所的な溶融または焼結により製造することができる。このようなプロセスにおいては物体の製造時間が当然長くなるため、製造時間の短縮が望ましい。これを達成するためには、レーザビームをより高速で動かさなければならず、より短時間で粉末を溶融させるためにより高いレーザ出力が必要となる。したがって、非常に小さい焦点と比較的高い出力とを有するレーザビーム、言い換えると、極めて高い出力密度がレーザビームの焦点に存在し得る高輝度のビーム源がＳＬＭシステムで使用される。
【０００４】
この目的に適した、レーザビームの幾何学的特性を決定するための多くの異なる方法およびデバイスが知られている。空間分解（例えば、画素ベースの）センサを測定に使用するか、時空間でラスタ状運動を伴う方法によりビームを走査するかに従って、方法を最初に大まかに分類することができる。
【０００５】
空間分解センサを使用する方法の第１の群において、従来の画素ベースのセンサは高出力密度への耐性がないという問題が常にあるため、高出力密度のビームを測定するときにはビームスプリッティング（または分離またはサンプリング）、ビームの減衰および／または結像が常に必要である。しかしながら、ビームは常に、その特性がビームスプリッティング、減衰、または結像によって影響される。例えば、レンズ、ビームスプリッタ、および減衰器などの光学要素は、レーザ放射のごくわずかな吸収によって、熱的に誘導された結像の変化を既に生じさせることがある。したがって、測定される量をビーム中直接の所望の量に明確に関連させることはほとんど不可能である。この問題に関して特許文献１を参照する。ここでは、レーザ放射を測定するための光学システムが開示されている。この開示された装置では、測定される量とビーム中直接の求められる量と明確な関連付けは、異なる材料からなる様々なビームスプリッタおよび結像要素の複雑な相互作用においてしか略達成されない。さらに、開示された装置は、不動のレーザビームを測定するためにしか適していない。
【０００６】
完全を期すために、空間分解センサを測定に使用する、レーザビームの特性を決定するための他の装置について、以下で簡単に説明する。
【０００７】
特許文献２および特許文献３は、例えば、遠隔システムの幾何学的較正のための位置分解センサを有するデバイスを開示している。これらの装置では、動作領域に配置された基板によって散乱された光が、レンズによってカメラに結像される。これにより、動作領域におけるビームの位置を決定し、所望の位置と比較することができる。しかしながら、そのような装置は、達成可能な空間分解能のため、レーザビームの焦点の焦点直径またはビームプロファイルの測定には適していない。
【０００８】
特許文献４および特許文献５に示すデバイスでは、測定されるレーザビームの一部が反射され、レーザビームを射出する光学システムに投げ返される。この場合、跳ね返ったビームが光学システム内で分離され、位置分解センサにより評価される。この場合、ビームの反射は、例えば、結像光学システムの境界面、通常は集束レンズの最後の境界面または補助保護ガラスで行われる。これらの装置の欠点は、集束レンズによる後方結像には、部分的にかなりの結像エラーがあることである。これは、後方反射したビームが異なる寸法およびウエスト位置を有し、集束レンズの修正が他の寸法およびウエスト位置を有する後方反射の結像を同時に考慮していないからである。したがって、現在の技術状態におけるこの種のシステムは正確なビーム測定には適していない。
【０００９】
レーザビームの特性を決定するための方法の第２の群は、ラスタ状運動におけるビームの時空間走査を特徴とする。この群は、ビームがサンプリングされた疑似点形状であるか、または走査のタイプが空間方向に統合された情報を既に含む信号を発生するものであるかに従って、２つの下位群に分けられる。後者の下位群は、スリットアパーチャおよびナイフエッジダイアフラムによるサンプリングを伴うデバイスを含む。
【００１０】
開口部がビーム直径と比べて小さい測定オリフィスまたは測定針を用いる疑似点形状のサンプリングシステムを有する装置が、例えば、特許文献６および特許文献７から公知である。検出器は、通常、ビームの横断面を通る線ごとの走査運動で案内される。そのため、相互にわずかにずれた線を有する多くの通路でビームを走査しなければならない。
【００１１】
遠隔レーザ加工システムのビーム診断用装置の場合、特別な特徴は、走査デバイスを用いてレーザビームを通常２次元で偏向させることにより、ビームを平面に、または時には３次元の動作空間にも自由に位置させることができることである。この場合、サンプリングデバイスを不動にし、スキャナを用いてサンプリングプローブにわたってビームを案内することも可能である。
【００１２】
特許文献８に開示されたプロセスは、例えば、この原理に従って動作する。ここでは、偏向システムを使用して、レーザビームを検出器機構にわたって画成可能なパターンで動かすことのできる測定システムが提案されている。この原理に従う同様の方法が特許文献９に示される。特許文献９は、下流検出器を有するピンホールアパーチャがレーザビームの動作空間のいくつかの測定点に配置された走査光学素子を用いて、レーザビームの焦点位置またはビームプロファイルを決定するための方法を詳細に述べている。ｘｙ焦点位置またはビームプロファイル測定のための測定点の各々におけるｘｙグリッドに従って、スキャナ光学素子を使用してピンホールアパーチャの測定ホール上でレーザビームを動かす。前述したタイプの別の同様のデバイスが特許文献１０に開示されている。レーザビームをアパーチャにわたって走査させ、レーザビーム検出時にスキャナ位置データを比較することにより、スキャナを位置較正することができる。
【００１３】
特許文献１１も、レーザビームスキャナの較正システムを示す。ここでは、光拡散領域がいくつかの点に形成された較正プレートが開示されている。較正プレートの光拡散領域から反射された光が、較正プレートに隣接して配置された光センサ部材により受けられる。したがって、図示された装置は、レーザビームのビーム直径またはビームプロファイルの決定に適したものではない。さらに、図示されたデバイスでは、光拡散点のうちのどれにレーザビームが当たっているかを正確に識別することもできない。
【００１４】
疑似点形状の走査方法の精度は、原理上、とりわけ測定オリフィスのサイズ、案内運動の精度、個々の線の同期によって、特にレーザビームの再現性または時間的恒常性によって制限される。したがって、動いているレーザビームは、この種の方法により測定することはできず、または非常に特別な状況でしか測定することができない。加えて、公知のデバイスの測定オリフィスまたは測定針は、ある最大出力密度にしか適しておらず、高輝度な集束レーザ放射の場合には破壊されるおそれがある。
【００１５】
走査は、例えば線形アパーチャ、ナイフエッジまたはスリットダイアフラムを有する線形サンプリングプローブを使用して行うこともできる。線形走査の場合、ビーム強度は既に一方向に統合されている。この利点は、ビーム直径を１回の走査パスで決定できることである。特許文献１２および特許文献１３は、例えば、線形走査システムを有するデバイスを開示している。しかしながら、先行技術から公知のこのようなデバイスを用いても、測定オリフィスまたはナイフエッジダイアフラム、ならびにこれらの後方に位置する検出器は、ある最大出力密度にしか適しておらず、高輝度の集束レーザ放射の場合には破壊されるおそれがあり、動いているレーザビームの測定は明らかに不可能であるという欠点がある。
【００１６】
特許文献１４は、集束レンズの後のレーザビームの焦点位置、形状、および出力分布を検出し計算するためのデバイスを開示している。記載されたデバイスは、特に、光作用体と光センサとを含む。レーザビームと光作用体とは互いに対して可動であり、レーザビームにより追跡運動を行う。光作用体は光ファイバとして記載され、反射性の、例えば銀含有体または吸収体が代替案として記載されている。したがって、図示された設計は、一方で、最高出力および輝度のレーザ放射には適しておらず、他方で、記載された装置は高空間分解能を達成するのに適していない。この開示は、光作用体上または光作用体内の正確に定義された相互作用の幾何形状を記載していないからである。
【００１７】
特許文献１５から、多角形スキャナにより偏向されるビームを異なる向きの光学グリッド上で動かすデバイスが公知である。グリッドを通る光は光電コンバータ要素により捕捉され、受信される信号は振動信号であり、その振幅からビーム直径を決定することができる。したがって、図示された手順は、ビームおよびビームプロファイルの位置の決定には適していない。さらに、高出力レーザ放射との併用は、使用されるグリッドおよび光電コンバータ要素の出力適合性により制限される。
【００１８】
したがって、最先端の技術から公知の線形またはナイフエッジ走査を用いるデバイスも、出力適合性が限られる；使用されるナイフエッジ、スリットアパーチャ、または他の線形の検出要素が、集束した高出力の高輝度レーザビームにより破壊されるおそれがあるといった周知の欠点を有する。さらに、公知のプロセスの大部分は、走査方向のビーム寸法しか決定することができない。一般に、特に高性能に適していなければならない走査システムにおいて、達成可能な空間分解能は限られる。多くの方法では、ビームプロファイルの決定は不可能であるか、低分解能でのみ可能である。動作現場におけるレーザビームの横方向位置の決定も、通常は不可能である。さらに、動いているレーザビームの測定は不可能であるか、または予め設定されたレーザビーム制御を用いる特別の場合にのみ可能である。
【００１９】
したがって、最先端の技術から公知の装置および方法には、達成可能な精度および空間分解能の両方に関して、ならびに高出力のレーザビームとの適合性に関して、最後に、大きい動作領域における、または動いているレーザビームの場合のレーザ放射の測定に関して重大な欠点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２０】
【特許文献１】ＤＥ１０２０１２１０６７７９Ａ１
【特許文献２】特開平１−１０７９９０（要約書）
【特許文献３】特開２００８−２６４７８９（要約書）
【特許文献４】ＤＥ１０２００７０５３６３２Ａ１
【特許文献５】ＤＥ１０２０１１０５４９４１Ｂ３
【特許文献６】ＤＥ１９９０９５９５Ａ１
【特許文献７】ＥＰ０４６１７３０Ａ１
【特許文献８】ＤＥ１０２００５０３８５８７Ａ１
【特許文献９】ＤＥ１０２０１１００６５５３Ａ１
【特許文献１０】ＵＳ６５０１０６１Ｂ１
【特許文献１１】ＫＲ１０２０１３０１２１４１３Ａ（要約書）
【特許文献１２】ＵＳ５０７８４９１Ａ
【特許文献１３】特開昭６２−２４１１７（要約書）
【特許文献１４】ＷＯ９８／５０１９６Ａ１
【特許文献１５】特開２０００−３１０５５９（要約書）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
したがって、本発明は、最高出力および輝度を有するレーザ放射の測定に適しており、ビーム直径またはビームプロファイルなどの少なくとも１つの幾何学的ビームパラメータの正確な決定を可能にし、かつレーザビームの大きい動作領域で、または動いているレーザビームと共に使用可能な、レーザビームの特性を決定するための方法および装置を生み出すという課題に基づく。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
課題を解決するために、レーザビームを有効領域に射出するデバイスと、有効領域に配置可能な検出器機構と、レーザビームと検出器機構との相対運動をもたらすデバイスと、検出器機構の時間変動信号を記録し評価するデバイスとを含む、レーザビームの特性を決定するための装置が提案される。検出器機構は、少なくとも１つの光導波路と、少なくとも２つの光拡散構造と、少なくとも１つの感光センサとを含む。少なくとも１つの光導波路は発光面と導光領域とを有し、導光領域は細長い形状を有する。少なくとも２つの光拡散構造は、第１の光拡散構造と第２の光拡散構造とを含む。第１の光拡散構造は基本的に第１の方向に沿って延び、第２の光拡散構造は基本的に第２の方向に沿って延びる。第１の方向と第２の方向とはゼロではない角度を有する。少なくとも１つの感光センサは、光導波路の発光面から射出された放射を受けるように構成される。加えて、少なくとも２つの光拡散構造は、光拡散構造に当たるレーザビームの一部を、散乱レーザ放射を光導波路の導光領域で発光面に輸送するように適用された角度範囲で散乱させるように構成される。
【００２３】
本発明の変形例の１つにおいて、相対運動をもたらすデバイスは、検出器機構を用いてレーザビームの横断面を走査するように構成される。
【００２４】
相対運動をもたらすデバイスを、検出器機構を用いてレーザビームの横断面を２つの異なる方向に走査するように構成してもよい。
【００２５】
本発明の１つの変形例において、相対運動は基本的に円形運動または楕円形運動であってよい。
【００２６】
相対運動は基本的に回転運動であってもよい。
【００２７】
変形例の１つにおいて、相対運動は第１および第２の成分を含み、第１の成分は少なくとも部分的に周期性の高速運動であり、他方の成分は第１の成分の動きの方向から線形独立した方向への低速運動である。
【００２８】
本発明の可能な変形例において、第１の方向へ延びる第１の導光構造と第２の方向へ延びる第２の導光構造との両方は、少なくとも１つの光導波路の一部である。
【００２９】
別の変形例において、検出器機構は少なくとも２つの光導波路を含む。第１の方向へ延びる第１の導光構造は、少なくとも２つの光導波路のうちの第１の光導波路の一部であり、第２の方向へ延びる第２の導光構造は、少なくとも２つの光導波路のうちの第２の光導波路の一部である。
【００３０】
少なくとも１つの光導波路を、吸収の非常に低い透明光学材料から作ってもよい。
【００３１】
本発明の１つの変形例において、光導波路の透明光学材料は、３００ｐｐｍ／ｃｍ未満のレーザ放射の波長に特有の吸収を有する。
【００３２】
本発明の可能な変形例において、相対運動をもたらすデバイスは、検出器機構を動かすデバイスを含んでもよい。
【００３３】
相対運動をもたらすデバイスは、レーザビームを動かすデバイスを含んでもよい。
【００３４】
本発明のさらなる変形例において、レーザビームを動かすデバイスはスキャナ光学素子を含む。
【００３５】
課題を解決するために、以下の方法工程を含むレーザビームの特性を決定するための方法も提案される。レーザビームを有効領域に射出する。検出器機構を有効領域に位置させる。検出器機構は、少なくとも１つの光導波路と、少なくとも１つの感光センサと、少なくとも２つの光拡散構造とを含み、少なくとも２つの光拡散構造のうちの第１の光拡散構造は基本的に第１の方向に沿って延び、少なくとも２つの光拡散構造のうちの第２の光拡散構造は基本的に第２の方向に沿って延びる。第１の方向と第２の方向とはゼロではない角度を有する。レーザビームと検出器機構との相対運動をもたらす。光拡散構造を用いてレーザビームの一部から散乱放射を発生させる。散乱放射の一部を、少なくとも１つの光導波路の導光領域で少なくとも１つの光導波路の発光面に輸送する。発光面から射出された放射を、感光センサを用いて受け、受けた放射から時間変動信号を発生させる。最後に、時間変動信号を記録し評価する。
【００３６】
方法の１つの変形例において、検出器機構を用いてレーザビームの横断面を走査する。
【００３７】
本発明のさらなる変形例において、検出器機構を用いてレーザビームの横断面を２つの異なる方向に走査する。
【００３８】
レーザビームを、検出器機構に対して円形または楕円形経路で動かしてもよい。
【００３９】
本発明のさらなる変形例において、検出器機構をレーザビームに対して回転させてもよい。
【００４０】
本発明のさらなる変形例において、レーザビームは、第１の成分および第２の成分を含む動きで検出器機構に対して動かされる。第１の成分は少なくとも部分的に周期性の高速運動であり、第２の成分は第１の成分の動きの方向から線形独立した方向への低速運動である。
【００４１】
以下の図面を使用して、図示した変形例に限定されることなく本発明をより詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の基本的な例の概略図である。
【図２】光導波路と２つの光拡散構造とを有する、本発明による装置の検出器機構の第１の可能な例を示す図である。
【図３】光導波路と２つの光拡散構造とを有する検出器機構の第２の可能な例を示す図である。
【図４】１つの光拡散構造を各々含む２つの光導波路を有する、本発明による装置の検出器機構の第３の可能な例を示す図である。
【図５】１つの光拡散構造を各々含む２つの光導波路を有する、検出器機構の第４の可能な例を示す図である。
【図６】１つの光拡散構造を各々含む３つの光導波路を有し、光導波路のうちの１つが別の高さに配置される、本発明による装置の検出器機構のさらなる可能な例を示す図である。
【図７】交差配置の２つの光導波路を有する、本発明による装置の検出器機構のさらなる可能な例を示す図である。
【図８】交差配置の４つの光導波路を有する、本発明による装置の検出器機構の別の可能な例を示す図である。
【図９】本発明による装置の検出器機構の一部としての、異なる高さに配置されたいくつかの光拡散構造を有する光導波路を示す図である。
【図１０】本発明による装置の検出器機構の一部としての、いくつかの光拡散構造を有する光導波路のさらなる例を示す図である。
【図１１】光拡散構造によるレーザビームの一部の散乱と、光導波路の導光領域における拡散放射の感光センサへの輸送を示す概略斜視図である。
【図１２】光拡散構造によるレーザビームの一部の散乱と、光導波路の導光領域における散乱放射の感光センサへの輸送と、感光センサのカバーとを示す概略横断面図である。この例では、光拡散構造は光導波路の中央に配置される。
【図１３】レーザビームを有効領域に位置させ、スキャナミラーを用いて経路に沿って案内することのできるスキャナ光学素子を有する、１つの例における本発明の概略図である。
【図１４】検出器機構を回転運動でレーザビームまで動かすことのできる、１つの例における本発明の概略図である。
【図１５】この例ではレーザビームの直径に対して幅狭の光拡散構造上でレーザビームを案内するときの時間信号経路を示す図である。
【図１６】この例では一方がレーザビームの直径に対して幅広で他方が幅狭である光拡散構造上でレーザビームを案内するときの時間信号経路を示す図である。
【図１７】２つの方向におけるレーザビームのビーム寸法および／またはビームプロファイルを１回の走査運動のみによって決定するために、本発明による装置を使用できる例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００４３】
図１は、本発明の基本的な例の概略図である。レーザビーム１０が、レーザビームを射出するデバイス７０によって有効領域１７に射出される。図示した例では、レーザビームを射出するデバイス７０は、光軸７４を有する光学システム７２を含む。レーザビーム１０は光学システム７２により結像されて、デバイス７０により射出されたビームが集束レーザビーム１１を形成するようになっており、この集束レーザビーム１１は有効領域１７にレーザビーム焦点１２を発生させる。検出器機構２０は有効領域１７に位置し、導光領域３６および発光面３９を有する光導波路３３と、感光センサ４０と、２つの光拡散構造３０とを含む。感光センサ４０により発生する信号が、信号記録用デバイス５０によって受けられる。さらに、装置は、レーザビーム１０または１１と検出器機構２０との相対運動をもたらすデバイス８０を含む。図１に示す例では、相対運動がレーザビームの動きの方向８５により示される。
【００４４】
図２では、光導波路３３と２つの光拡散構造３１、３２とを有する本発明による装置の検出器機構２０の第１の可能な例が示される。この例では、検出器機構２０は１つの光導波路３３と１つの感光センサ４０とを含む。光導波路は、例えば、細長い矩形形状を有してよい。光導波路３３の外面のうちの１つは発光面３９として構成される。発光面３９とは反対に位置する光導波路３３の外面は、端面３８を形成する。発光面３９および端面３８は、光導波路３３の最長範囲を限定することが好ましい。発光面３９と端面３８との間の光導波路３３の容積が、導光領域３６を形成する。図２による例において、２つの光拡散構造３０が光導波路の細長い外面のうちの１つに位置する。２つの光拡散構造３０のうちの一方は基本的に第１の方向に沿って延びる第１の光拡散構造３１であり、他方は基本的に第２の方向に沿って延びる第２の光拡散構造３２である。第１の方向と第２の方向とは小さい角度を有する。光拡散構造３０（または３１および３２）を、例えば、普通なら研磨されているはずの光導波路３３の外面の微小粗さを特徴とする局所領域として構成してもよい。感光センサ４０は、発光面３９に隣接して配置され、発光面３９から射出された放射を受ける。
【００４５】
図３は、光導波路３３と２つの光拡散構造３１、３２とを有する本発明による装置の検出器機構２０の第２の可能な例を示す。この例において、発光面３９と端面３８とは異なるサイズに設計されて、光導波路３３の細長い外面のうちの少なくとも１つが台形にテーパ状になり、２つの非平行縁部を有するようになっている。この例において、光拡散構造３１、３２は光導波路３３の２つの非平行縁部により形成される。所定の光拡散効果を達成するために、縁部は、例えば、小さく粗い面取り部を備えてもよい。しかしながら、光拡散効果は、光導波路３３の外面の研磨プロセスによって縁部が有する、縁部の小さい凹凸によってのみもたらすこともできる。さらなる点において、図３による検出器機構２０は図２に示す検出器機構と同様である。
【００４６】
検出器機構２０は複数の光導波路３３を含んでもよい。図４は、２つの光導波路３３を有する検出器機構２０の可能な変形例を示す。この例において、光導波路３３は円筒形ロッドまたはファイバである。２つのロッドの各々が１つの光拡散構造３０を含む。２つの光導波路３３のうちの一方は基本的に第１の方向に沿って延びる第１の光拡散構造３１を含み、２つの光導波路３３のうちの他方は基本的に第２の方向に沿って延びる第２の光拡散構造３２を含む。２つの光導波路は平行ではなく小さい角度を有する。したがって、２つの光拡散構造３１、３２も小さい角度を有する。感光センサ４０が両光導波路３３の発光面３９に配奥置される。光拡散構造３１、３２が同じ高さになるように２つの光導波路３３を配置してもよい。
【００４７】
図５において、いくつかの光導波路３３を有する本発明による装置の検出器機構２０のさらなる可能な例が示される。この例は、光導波路３３の異なる配列を有することにより、図４に示す例とは異なる。ここでは、２つの光導波路３３は、互いに約９０°の角度でＴ字形に配置される。したがって、２つの光拡散構造３１、３２も約９０°の角度を有する。この例の他の特徴は、図４の特徴と同様である。
【００４８】
図６に示す検出器機構２０の例は、図５に示す例と同じ要素を含み、第３の光導波路３３および第３の感光センサ４０が加えられている。第３の光導波路３３も光拡散構造３０を含むが、第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を有する２つの光導波路３３とは異なる高さに配置される。これにより、レーザビーム１０、１１のビーム直径を、１回の走査動作のみで２つの異なる横断面において決定することができる。
【００４９】
図７は、２つの光導波路３３と２つの感光センサ４０とを有する検出器機構２０のさらなる例を示す。この場合、２つの光導波路３３は互いに約９０°の角度で重ねて配置される。２つの光導波路３３のうちの一方は第１の光拡散構造３１を含み、２つの光導波路３３のうちの他方は第２の光拡散構造３２を含む。したがって、２つの光拡散構造３１、３２は約９０°の角度を挟む。第１の光拡散構造３１は２つの光導波路３３のうちの上部の下側に配置され、第２の光拡散構造３２は２つの光導波路３３のうちの下部の上側に配置される。このようにして、２つの光拡散構造３１、３２を非常に小さい高さずれを有して配置することができる。ここでは、２つの光導波路３３が直方体形状であるか、または矩形横断面を有するロッドとして構成される。これは、レーザビームが光拡散構造３１、３２の一方にぶつかる前に特に上部の光導波路３３を通過するときに、その幾何形状が変化しないという利点を有する。
【００５０】
図８では、図７と同様の検出器機構２０が示される。この場合、検出器機構２０は４つの光導波路３３と４つの感光センサ４０とを含む。４つの光導波路３３の各々が光拡散構造３０を有する。それぞれの場合に、４つの光導波路３３のうちの２つが互いに隣接して配置される。互いに隣接して配置された２つの光導波路３３は、互いに隣接して配置された２つの光導波路３３と交差位置に配置される。隣接して配置された２つの光導波路３３を互いに平行に配置しても、これらの光導波路３３が小さい角度を挟んでもよい。
【００５１】
図９は、いくつかの光導波路３３を有する検出器機構２０の中から１つの光導波路３３の可能な例を示す。ここでは、光導波路３３は円筒形ロッドまたはファイバとして構成され、基本的に互いに平行に配置されたいくつかの光拡散構造３０を有する。この例では、３つの光拡散構造３０が光導波路３３の円筒形外面の周囲に分散されているため、異なる平面に位置する。光拡散構造３０のうちの１つは第１の光拡散構造３１であってよく、この第１の光拡散構造３１は、さらなる光導波路（図示せず）の第２の光拡散構造３２とゼロでない角度を含む。これにより、レーザビーム１０、１１のビーム直径を、１回の走査動作のみでいくつかの異なる横断面において決定することができる。
【００５２】
図１０は、いくつかの光導波路３３を有する検出器機構２０の中から１つの光導波路３３のさらなる可能な例を示す。この場合、光導波路３３は矩形ロッドとして構成され、基本的に互いに平行に配置された光導波路３３の外面にいくつかの光拡散構造３０を有する。光拡散構造が位置する外面を、レーザビームと検出器機構との相対運動により画成される走査面まで傾斜させることができる。これにより、レーザビーム１０、１１のビーム直径を、１回の走査動作のみでいくつかの異なる横断面において決定することができる。
【００５３】
図１１は、検出器機構２０によるレーザビーム１０、１１の走査の動作モードを概略的に示す。図１１は、１つの光拡散構造３０のみを有する検出器機構２０の一部のみを示す。この例では、レーザビームが、光学システム７２（図示せず）により予め定められた光軸７４を有する集束レーザビーム１１である。レーザビームは、検出器機構２０（その一部のみをここに図示する）にわたって動きの方向８５に沿って案内される。レーザビーム１１の少なくとも一部が光導波路３３の光拡散構造３０に当たるとすぐに、放射が光拡散構造３０で散乱され、すなわち、大きい角度範囲で射出される散乱放射１８が発生する。また、散乱放射１８の一部は、放射が光導波路３３の外面または境界面で全内部反射によって反射されることにより、散乱放射１８が発光面３９に当たるまで光導波路３３内で輸送され、そこで光導波路から出ることのできる角度範囲において導光領域３６内に散乱される。その後、発光面３９により射出された散乱放射１８の少なくとも一部が感光センサ４０に当たる。この例示的な例において、光導波路３３の端面３８は反射コーティングを備える。したがって、導光領域３６で端面３８の方向に輸送される散乱放射１８は、端面３８で反射され、導光領域３６で発光面３９まで輸送され、そこで光導波路３３から感光センサの方向へ出ることができる。
【００５４】
図１２も、検出器機構２０を通るレーザビーム１０、１１の動作モードを概略的に示す。この図は、光導波路３３を光導波路に沿った横断面で示す。この例では、光拡散構造３０が光導波路３３の導光領域３６の中央に位置する。加えて、この例ではカバー４２が示される。カバー４２は感光センサ４０と光導波路３３の発光面３９とを囲む。その結果、感光センサ４０は外側から装置に貫入し得る残りの光から遮蔽され、感光性センサ４０は光拡散構造３０により発生した散乱放射１８のみを受けることができる。
【００５５】
図１３は、本発明による装置の可能な例の概略図である。レーザビーム１０が走査光学素子に送られ、この走査光学素子は、レーザビームを動かすデバイス８３と、レーザビームを射出するデバイス７０とを含む。レーザビームを動かすデバイス８３は、スキャナミラー８４として構成される。図示を簡単にするために、１つのスキャナミラー８４のみが表示されるが、２つのスキャナミラー８４を順に配置してもよい。レーザビーム１０はスキャナミラー８４を用いて調節可能な角度だけ偏向されるため、レーザビーム１０を有効領域１７に自由に位置させることができ、経路曲線に沿った動きの方向８５に案内することができる。レーザビームを射出するデバイス７０は、光軸７４と保護ガラス７３とを有する光学システム７２を含む。この場合、光学システム７２は、平面視野光学素子またはいわゆるｆθ対物レンズであり、有効領域１７内にレーザビーム焦点１２を有する集束レーザビーム１１を発生させる。検出器機構２０は有効領域１７に配置可能である。図示した例示的な例において、検出器機構２０は合計１６の光導波路３３および感光センサ４０を含み、これらは各々４つの光導波路３３および感光センサ４０の群で、有効領域１７にわたって異なる向きに分散される。各光導波路は光拡散構造３０を有し、光導波路３３のうちの異なる向きに配置された２つは、第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を含む。
【００５６】
図１４は、本発明による装置のさらなる可能な例の概略図である。この例は、図１３に示す例とはその検出器機構が異なり、それ以外は図１３の例と同様である。この例の検出器機構２０は、基本的に図２に示す検出器機構２０に対応する。ここでは、検出器機構２０は、小さい角度を持つ第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を有する光導波路３３と、感光センサ４０とを含む。検出器機構２０は有効領域１７に位置する。この例において、検出器機構２０は、検出器機構を動かすデバイス８７にも連結される。検出器機構を動かすデバイス８７を用いて、検出器機構２０を軸の周りで回転させ、検出器機構２０が動きの方向８９への１回の動きで有効領域１７の多くの部分を覆うことにより、この領域に位置するレーザビーム１１を走査できるようになっている。加えて、検出器機構を動かすデバイス８７を使用して、検出器機構２０を有効領域１７の１つまたはそれ以上の位置に位置させ、レーザビームを動かすデバイス８３を用いてレーザビームを検出器機構２０上で案内することも可能である。
【００５７】
図１５は、レーザビーム１０、１１を光拡散構造３１、３２上で案内するときの時間信号トレースを概略的に示す。検出器機構２０は、例えば、図２に示す検出器機構２０に対応し、小さい角度を持つ第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を有する光導波路３３と、感光センサ４０とを含む。光拡散構造３１、３２は、レーザビームの横断面１４またはレーザビーム１０、１１の直径に対して幅狭である。図１５は、４つの異なる時間および対応する信号経路における、光拡散構造にわたるレーザビームの案内を示す。信号曲線は、感光性センサ４０に記録された時間（ｔ）の関数としての散乱放射の強度（Ｉ）を表し、レーザビーム１０、１１は動きの方向８５で光導波路３３にわたって案内される。レーザビーム１０、１１の横断面１４の縁部が第１の光拡散構造３１に到達する（時間ｔ１Ａ）とすぐに、信号Ｉは急に増加する。ビーム横断面１４が光拡散構造３１の中心に照射されているとき（図１５の左から２番目のセクション）、信号Ｉは最大である。その後、信号Ｉは再び減少し、ビーム横断面１４の縁部がちょうど第１の光拡散構造３１から出るとき（時間ｔ１Ｂ）に最小値に到達する。この信号曲線はその後すぐ、ビーム横断面１４の縁部が第２の光拡散構造３２に到達するとき（時間ｔ２Ａ）に繰り返される。信号Ｉは再び増加して最大値に到達し、ビーム横断面１４の縁部が第２の光拡散構造３２から出るとき（時間ｔ２Ｂ）に最小値に下がる。したがって、時間ｔ１Ａ、１Ｂの間または時間ｔ２Ａ、ｔ２Ｂの間の時間間隔ΔｔＡＢは、レーザビーム１０、１１の横断面１４の直径を表す。直径を時間間隔ΔｔＡＢおよび走査速度から計算することができる。しかしながら、時間ｔ１Ａ、ｔ２Ａの間の時間間隔Δｔ１２は、レーザビーム１０、１１が２つの光拡散構造３１、３２と交差する位置に応じて決まる。したがって、レーザビーム１０、１１の位置を時間間隔Δｔ１２から決定することができる。
【００５８】
図１６は、レーザビーム１０、１１を光拡散構造３１、３２にわたって案内するときの信号曲線の別の例を示す。図１５の例とは異なり、この場合の光拡散構造３１はレーザビーム１０、１１の横断面１４よりも幅広である。これにより、別の方法で評価可能な異なる信号経路が得られる。信号Ｉは、ビーム横断面１４の縁部が第１の光拡散構造３１の第１の（または前）縁部に到達する（時間ｔ１Ａ）とすぐに増加する。ここで、信号Ｉはさらに増加し、レーザビーム１０、１１がその横断面１４全体で第１の光拡散構造３１（時間ｔ１Ｂ）に完全に当たったときのみ最大値に到達する。信号Ｉは、ビーム横断面１４の縁部が第１の光拡散構造３１の第２の（または後）縁部に到達する（時間ｔ１Ｃ）まで最大のままである。ビーム横断面１４は第１の光拡散構造３１から出て第１の光拡散構造３１の第２の（後）縁部を越え、信号Ｉは再び減少し、ビーム横断面１４の縁部が第１の光拡散構造３１の第２の（後）縁部から出る（時間ｔ１Ｄ）とすぐに最小値に到達する。第２の光拡散構造３２がビーム横断面１４に対して幅狭であるため、信号曲線の第２の部分は再び図１５に示す曲線に対応する。この例では、３つの異なる特徴的な時間間隔ΔｔＡＢ、ΔｔＡＣ、Δｔ１２がある。時間間隔ΔｔＡＢは、ここでもレーザビーム１０、１１（またはその横断面１４）の直径を表し、時間間隔Δｔ１２はここでもレーザビーム１０、１１の位置（すなわち、光拡散構造３１、３２が交差する箇所）に応じて決まる。３つの時間間隔はすべて、逆経路速度で増減する。加えて、時間間隔ΔｔＡＣは、第１の光拡散構造３１の公知の幅に応じて決まるため、経路速度をこの時間間隔から決定することができる。したがって、関連パラメータであるビーム直径、ビーム位置、および経路速度を３つの時間間隔ΔｔＡＢ、ΔｔＡＣ、Δｔ１２から決定することができる。
【００５９】
最後に、図１７は、２つの空間方向におけるレーザビームのビーム寸法および／またはビームプロファイルを、本発明による装置を用いて１回の走査運動のみによって決定できる様子を概略的に示す。この例では、第１の光拡散構造３１が、第２の光拡散構造３２に対して約９０°の角度で配置される。したがって、検出器機構２０は、例えば、図５、図６、図７、または図８に示す検出器機構に対応する。レーザビーム１０、１１の横断面１４は、２つの空間方向Ｘ、Ｙに異なる寸法ΦＸ、ΦＹを有する。レーザビーム１０、１１の相対運動により、ビーム横断面１４は光拡散構造３１、３２にわたって案内される。レーザビームの動きの方向８５は、例えば、２つの光拡散構造３１、３２がほぼ同じ角度の絶対値（ここでは約４５°）で交差するように選択される。その後、第１の光拡散構造３１に対して垂直に向けたビーム横断面の幅を時間間隔Δｔ１ＡＢから決定することができ、第２の光拡散構造３２に対して垂直に向けたビーム横断面の幅を時間間隔Δｔ２ＡＢから決定することができる。
【００６０】
最高出力および輝度のレーザ放射の測定に適用され、ビーム直径またはビームプロファイルなどの少なくとも１つの幾何学的ビームパラメータの決定を高精度で有効にし、かつレーザビームの大きい動作領域で、または動いているレーザビームの場合に使用可能な方法および装置を用いてレーザビームの特性を決定するという課題に対する解決方法を提供することが意図される。
【００６１】
課題を解決するために、以下に記載の方法工程を含むレーザビームの特性を決定するための方法が提案される。レーザビーム１０、１１を有効領域１７に射出する。検出器機構２０を有効領域１７に位置させる。検出器機構２０は、少なくとも１つの光導波路３３と、少なくとも１つの感光センサ４０と、少なくとも２つの光拡散構造３０とを含み、少なくとも２つの光拡散構造３０のうちの第１の光拡散構造３１は基本的に第１の方向に沿って延び、少なくとも２つの光拡散構造３０のうちの第２の光拡散構造３２は基本的に第２の方向に沿って延びる。第１の方向と第２の方向とは平行ではなく、ゼロではない角度を有する。レーザビーム１０、１１と検出器機構２０とは互いに対して動く。相対運動により、レーザビーム１０、１１またはレーザビーム１０、１１の横断面１４が検出器機構２０により走査される。光拡散構造３０、３１、３２を用いてレーザビーム１０、１１の一部から散乱放射１８を発生させる。散乱放射１８の一部を、少なくとも１つの光導波路３３の導光領域３６で少なくとも１つの光導波路３３の発光面３９に輸送する。発光面３９から射出された放射を、感光センサ４０を用いて受け、受けた放射から時間変動信号を発生させる。最後に、時間変動信号を記録し評価する。
【００６２】
課題を解決するために、レーザビーム１０、１１を有効領域１７に射出するデバイス７０と、有効領域１７に位置させることのできる検出器機構２０と、レーザビーム１０、１１と検出器機構２０との相対運動をもたらすデバイス８０と、検出器機構２０の時間変動信号を記録し評価するデバイス５０とを含む、レーザビームの特性を決定するための装置が提案される。
【００６３】
本発明による装置の検出器機構２０は、少なくとも１つの光導波路３３と、少なくとも２つの光拡散構造３０と、少なくとも１つの感光センサ４０とを含む。光拡散構造３０は各々、主に一方向に沿って延びる。少なくとも２つの光拡散構造３０は、異なる方向に延びる第１の光拡散構造３１と第２の光拡散構造３２とを含む。すなわち、第１の光拡散構造３１と第２の光拡散構造３２とは互いに平行に配置されるのではなく、ゼロではない角度を有する。さらなる光拡散構造３０を第１または第２の光拡散構造３１または３２に対して平行に、または別の角度で配置してもよい。図２および図３に示すように、第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を１つの光導波路３３に配置してもよい。この場合、第１および第２の光拡散構造３１、３２間の角度は比較的小さく、例えば０．５°〜３０°であってよい。あるいは、第１の光拡散構造３１および第２の光拡散構造３２を各々、個々の光導波路３３に配置してもよい。この例は図４、図５、および図７に示される。この場合、検出器機構２０は少なくとも２つの光導波路３３を含む。そして、２つの光導波路３３を、ゼロ以外の任意の角度で配置することができる。これに対応して、第１および第２の光拡散構造３１、３２間の角度も任意のサイズ、例えば３０°、４５°、６０°、または９０°の値であってよい。
【００６４】
光拡散構造３０、３１、３２を、光導波路３３の表面上または光導波路３３の容積内の局所的な凹凸の形で構成してもよい。光導波路３３の表面の凹凸は、例えば、微小粗さを有する局所領域であってよく、周囲領域が研磨された面である。光導波路３３の表面の微小粗さに基づくそのような光拡散構造３０、３１、３２を、例えばエッチングによって作製することができる。光導波路３３の表面の凹凸は、光導波路３３の縁部であってもよい。光導波路３３の外面の研磨プロセスにより得られる縁部は、通常、光の散乱に使用可能な顕微鏡スケールの統計的な凹凸を有する。光導波路３３の選択された縁部が小さい面取り部を備えることも意図される。このような面取り部は、例えば研削により作製され、研磨粒子のサイズに応じた一般的な微小粗さを示す。このようにして、光拡散構造３０、３１、３２を、所定の幅を有する光導波路３３の縁部に位置させることができる。光拡散構造３０、３１、３２を、光導波路３３の容積内の局所的な凹凸の形で構成してもよい。光導波路の容積内の凹凸は、例えば材料内の局所的に変化もしくは変動する屈折率または小さい気泡を有する領域であってよい。そのような凹凸を選択的に、例えば特別なレーザ放射により作製することができる。通常、光学材料におけるいわゆるブラッグ格子の製造の場合と同様に、集束ＵＶレーザを使用して屈折率変動を生じさせる。通常、集束ジャイアントパルスレーザが、気泡を発生させるために使用される。光拡散構造または粗さを示す領域の局所的な凹凸を、例えば、いわゆるレーザ誘起の選択的エッチングを使用して作製することもできる。この場合、集束フェムト秒レーザパルスの照射により光学材料（石英またはサファイアなど）が局所的に修正される。その後、修正された領域を、（例えば水酸化カリウム溶液中における）化学エッチングにより選択的に除去することができる。光導波路３３および光拡散構造３０、３１、３２の作製は、上記の作製方法に限定されない。
【００６５】
少なくとも１つの光導波路３３は、細長い形状を持つ導光領域３６を有する。光導波路３３を、例えばブロック形状、ロッド形状、または円筒形に設計することができる。光導波路３３の外面のうちの１つは発光面３９として形成される。発光面３９とは反対に位置する光導波路３３の外面は、端面３８を形成する。発光面３９および端面３８は、光導波路３３の最長範囲を限定することが好ましい。発光面３９と端面３８との間の光導波路３３の容積が、導光領域３６を形成する。発光面３９および端面３８は、光導波路３３または導光領域３６の横断面と同一または同様の形状を有することができる。光導波路３３の横断面は、例えば、円形、楕円形、半円形、正方形、矩形、台形、三角形、滴形、五角形、もしくは六角形であってよく、または別の適切な形状を有してよい。光導波路３３の横断面のサイズは、光導波路３３の長さに沿って変化してもよい。
【００６６】
放射を光導波路３３の導光領域３６内で輸送することができる。放射の輸送は、光導波路３３または導光領域３６の細長い外面における放射の全内部反射によって行われる。これを達成するために、光導波路３３の材料は１よりも大きい屈折率を有していなければならず、外面の垂直面に対する放射の入射角度が十分に大きくなければならない。したがって、放射の輸送は、全内部反射により画成される限られた角度範囲内でのみ行われる。導光領域３６の細長い外面の垂直面に対して幅広い角度を示す放射部分は、発光面３９の垂直面に対して小さい角度を有する。したがって、この放射部分については発光面３９で全内部反射が行われず、放射部分を発光面３９上で射出することができる。
【００６７】
光導波路３３は、レーザビーム１０、１１の波長について透明な光学材料から構成される。透明光学材料は非常に低い吸収レベルを有する。レーザビーム１０、１１の波長に特有の材料の吸収は、３００ｐｐｍ／ｃｍ未満である。吸収は１００ｐｐｍ／ｃｍ未満、特に２０ｐｐｍ／ｃｍ未満であってよい。適切な材料は、例えば、石英ガラス、特に合成石英ガラス（溶融石英）、サファイア、硫化亜鉛（ＺｎＳ）、またはフッ化カルシウム（ＣａＦ２）であってよい。しかしながら、十分に低い吸収を有する他のガラス、水晶、またはクリスタルガラスを使用してもよい。
【００６８】
光導波路３３の発光面３９に隣接して、または発光面３９近くに、感光センサ４０が配置される。感光センサ４０は、光導波路３３の発光面３９から射出された放射を受けるように構成される。このために、発光面３９により射出される放射を感光センサ４０に向ける追加の光学要素を、発光面３９と感光センサ４０との間に配置してもよい。この追加の光学要素は、例えば、レンズ、偏向ミラー、プリズム、または剛性もしくは可撓性導光要素、またはこれらの要素の組合せであってよい。
【００６９】
検出器機構２０がいくつかの光導波路３３を含むときには、各発光面３９を感光センサ４０に関連付ける。これは、すべての発光面３９に対して１つの感光センサ４０でよい。しかしながら、すべての発光面３９を個々の感光センサ４０に関連付けてもよく、その場合、検出器機構２０は光導波路３３と同数の感光センサ４０を有する。いくつかの光導波路３３を群として１つの感光センサ４０に関連付け、いくつかの群があってもよいことも意図される。光導波路３３の群は、必ずしも互いに隣接して配置された光導波路３３から構成されていなくてもよく、例えば１つおき、２つおき、３つおきなどの光導波路３３を群にして、１つの感光センサ４０を各群に関連付ける。このようにして、センサを節約することができ、それにもかかわらず、信号間の時間間隔を正確に評価するために、隣接領域における個々の光導波路３３またはその光拡散構造３０、３１、３２の信号を割り当てることが可能である。
【００７０】
本発明による装置は、レーザビーム１０、１１と検出器機構２０との相対運動をもたらすデバイス８０を含む。相対運動によって、レーザビーム１０、１１を検出器機構２０により走査することができる。すなわち、レーザビーム１０、１１の横断面１４が、１回の走査運動で第１および第２の光拡散構造３１、３２に交差する。横断面１４の一部が光拡散構造３０、３１、３２に当たると、散乱放射１８がレーザ放射１０、１１の一部から生み出される。散乱放射１８は広い角度範囲で射出される。散乱放射１８の一部は、放射が導光領域３６内で輸送される角度範囲で導光領域３６内に散乱される。発光面３９により、散乱放射１８の一部が光導波路３３から出て感光センサ４０に当たる。感光センサ４０は、衝突放射強度に応じて電気信号を生み出す。感光センサ４０は、例えば、フォトダイオード、フォトマルチプライヤ、または別の光電コンバータ要素であってよい。感光センサ４０の信号を信号記録用デバイス５０に送り、そこで記録し評価することができる。レーザビーム１０、１１が光導波路３３に当たるが光拡散構造３０、３１、３２には当たらないときには、光導波路３３の導光領域３６内における異なる角度の放射部分を、光導波路３３の境界面での屈折および部分反射（いわゆるフレネル反射）により生み出すことができるが、そのような放射部分は、光導波路３３の次の境界面に当たると再び導光領域３６から退出し、全内部反射により発光面３９に案内されることはない。
【００７１】
レーザビーム１０、１１と検出器機構２０との相対運動を異なる手段により容易にすることができる。本発明の１つの可能な例において、検出器機構を動かすデバイス８７を用いて検出器機構２０自体を可動に取り付け、デバイス８７の駆動装置を使用して動かすことができる。その例が図１４に示される。この例では、検出器機構は軸上に回転可能に取り付けられる。この場合、検出器機構の動きの方向８９は回転運動である。回転運動により、第１および第２の光拡散構造３１、３２が順にレーザビーム１０、１１の横断面１４を通って案内される。これにより、図１５に概略的に示す信号トレースを生み出す。ビーム横断面１４またはレーザビーム１０、１１の直径を、信号パルスの幅または時間間隔ΔｔＡＢから決定することができる。回転軸までのレーザビーム１０、１１の距離を、信号インパルスの時間遅れまたは時間間隔Δｔ１２から決定することができる。検出器機構２０の角度位置を決定可能な信号インパルスの絶対時間と組み合わせて、検出器機構２０により走査される領域、または検出器機構２０を位置させることのできる有効領域１７で、レーザビーム１０、１１の２次元位置を受ける。検出器機構２０の回転運動のための回転軸は、第１の光拡散構造および第２の光拡散構造３２の方向の伸長部により画成される仮想の交点を通っていなくてもよい。
【００７２】
図１５に示す信号トレースは、光拡散構造３１、３２がレーザビーム１０、１１のビーム横断面１４または直径と比べて幅狭であるときに生じる。光拡散構造３０、３１、３２はビーム横断面１４より幅広であってもよい。図１６は、第１の光拡散構造３１がレーザビーム１０、１１の横断面１４よりも幅広である例を示す。この場合、ビームの直径は、信号インパルスの幅から決定されるのではなく、信号パルスの増加の長さ、すなわち、信号インパルスのエッジの幅または時間間隔ΔｔＡＢから決定される。数学的に言うと、図１６の第１の信号パルスの傾きを、微分により図１５の第１の信号インパルスに変換することができる（時間に関する数学的導関数）。逆に、図１６の第１の信号インパルスの傾きは、図１５の第１の信号インパルスの積分により得られる。
【００７３】
検出器機構を動かすデバイス８７を、回転以外の動きを行うように構成してもよい。これは、例えば１つの空間方向への線形運動、２つの空間方向への線形運動、円形運動、楕円形運動、グリッド状運動であってよい。運動は２つの成分から構成されてもよく、第１の成分は第１の空間方向への部分的に周期性の高速運動であってよく、他方の成分は第２の空間方向への低速運動であってよい。
【００７４】
本発明のさらに可能な変形例において、レーザビーム１０、１１と検出器機構２０との相対運動をもたらすデバイス８０は、レーザビームを動かすデバイス８３を含む。デバイス８３は、レーザビームを射出するデバイス７０を連結可能な案内機械またはロボットであってよい。
【００７５】
レーザビームを射出するデバイス７０は、例えば、簡単なレーザ加工光学素子であってよい。レーザ加工光学素子には、ビーム案内システム、例えば、光ファイバケーブルまたはミラーのシステムにより、レーザビーム１０を供給することができる。レーザ加工光学素子では、レーザビーム１０が光学システム７２により結像されて、集束レーザビーム１１が生み出される。しかしながら、本発明による装置により、集束レーザビーム１１だけを測定できるのではない。例えば、コリメートレーザビームの測定も行われる。この場合、レーザビームを射出するデバイス７０は、コリメートレーザビームを射出する。レーザビームを射出するデバイス７０がレーザビーム発生器またはレーザビーム源を含むことも可能である。
【００７６】
本発明の別の可能な例において、レーザビーム１０、１１を動かすデバイス８３はスキャナ光学素子を含む。この場合、１つまたはそれ以上のスキャナミラー８４が通常、スキャナ光学素子内に配置され、これによりレーザビーム１０を調節可能な角度だけ偏向させて、有効領域１７に自由に位置させ、経路曲線に沿った動きの方向８５に案内することができる。レーザビームを射出するデバイス７０はまた、通常、光軸７４と保護ガラス７３とをスキャナ光学素子に有する光学システム７２を含む。光学システム７２は、この場合、平面視野光学素子またはいわゆるｆθ対物レンズであり、有効領域１７内にレーザビーム焦点１２を有する集束レーザビーム１１を発生させる。
【００７７】
レーザビーム１０、１１を動かすデバイス８３を用いて、レーザビーム１０、１１を任意の経路曲線に沿って案内することができる。したがって、本発明のこれらの例において、検出器機構２０を有効領域１７内の固定位置に位置させることができ、走査運動はレーザビームを動かすデバイス８３により行われる。レーザビーム１０、１１の動きは、この場合、１つの空間方向への線形運動、２つの空間方向への線形運動、円形運動、楕円形運動、またはラスタ状運動であってよい。動きは２つの成分から構成されていてもよく、第１の成分は１つの空間方向への部分的に周期性の高速運動であり、他方の成分は第２の空間方向への低速運動であってよい。
【００７８】
図１６の例によるビームの走査は、３つの異なる特徴的な時間間隔ΔｔＡＢ、ΔｔＡＣ、Δｔ１２、すなわち：第１の信号インパルスのエッジの幅または第２の信号インパルスの持続時間（ΔｔＡＢ）、第１の信号インパルスの立ち上がりエッジの開始からの下行エッジの開始までの時間差（ΔｔＡＣ）、２つの信号インパルス間の時間差（Δｔ１２）があるという利点を有する。３つの時間間隔はすべて、逆経路速度で増減する。加えて、時間間隔ΔｔＡＢはレーザビーム１０、１１の直径に応じて決まり、時間間隔Δｔ１２はレーザビーム１０、１１の位置に応じて決まり、時間間隔ΔｔＡＣは、公知であるとされる第１の光拡散構造３１の幅に応じて決まる。したがって、関連パラメータであるビーム直径、ビーム位置、経路速度を３つの時間間隔ΔｔＡＢ、ΔｔＡＣ、Δｔ１２から決定することができる。２つだけでなく３つの幅狭の光拡散構造を走査に使用して、同じ量の情報を得ることができる。このために、第１および第２の光拡散構造３１、３２に加えて、さらなる光拡散構造３０を検出器機構２０に設けてもよい。
【００７９】
装置および方法は、本発明による特徴によって以下の利点を有する：
−  装置は、最高出力および出力密度のレーザビームを測定するのに適している。これは、放射に晒される部材が放射を吸収せず、これらの部材が、走査運動によって非常に短い時間間隔でレーザ放射に晒されるだけであるからである。
−  １回の走査運動により、３つの関連パラメータ、すなわち：ビーム直径、ビーム位置、および経路速度を決定することができる。
−  ２つの空間方向のビーム寸法の決定が、１回の走査運動で可能である。
−  広範な２次元または空間領域、特にレーザビームの有効領域でビーム特性を決定することができる。
−  ビームの動きが予め具体的に定められていなくても、動いているレーザビームの特性を決定することができる。
【００８０】
本発明の可能な例において、検出器機構２０はカバー４２を含むことができる。カバー４２は、感光センサ４０と光導波路３３の発光面３９とを囲む。これにより、感光センサ４０は、普通なら感光センサ４０に直接当たることにより故障信号を生み出すおそれのある残りの光または放射から遮蔽される。検出器機構２０がいくつかの光導波路３３およびいくつかの感光センサ４０を有する場合には、対応する数のカバー４２を設けてもよい。
【００８１】
本発明のさらに可能な例において、光導波路３３の端面３８は図１１および図１２に示す反射コーティングを備えてもよい。端面３８の反射コーティングによって、光拡散構造３０、３１、３２によりレーザビーム１０、１１から生み出されて端面３８の方向に偏向された散乱放射１８の一部をそこで反射させ、導光領域３６を通して輸送し発光面３９を透過した後に感光センサ４０により受けることができる。端面３８の反射コーティングは別の有利な効果を有する。これにより、残りの光または放射成分が外側から端面３８を通って導光領域３６に貫入して故障信号を生み出すことを防ぐ。検出器機構２０がいくつかの光導波路３３を有する場合には、反射コーティングを光導波路３３のすべての端面３８に設けてもよい。端面３８の反射コーティングは、例えば、誘電多層システムまたは金属コーティングであってよい。
【００８２】
カバー４２と端面３８の反射コーティングとを有する検出器機構２０の例は、外側から装置に貫入し得る残りの光から感光センサ４０を完全に遮蔽することができ、感光センサ４０は光拡散構造３０、３１、３２により生み出された散乱放射１８のみを受けることができる。
【００８３】
本発明のさらなる可能な例において、検出器機構２０は、いくつかの異なる高さに配置されたいくつかの光拡散構造３０を含むことができる。この場合、高さの各々が、レーザビームを射出するデバイス７０から異なる距離を有する。例えば、いくつかの光導波路３３を、１つの光拡散構造３０が各々検出器機構内にある状態で階段状に配置してもよい。図６は、２つの光導波路３３を２つの異なる高さに階段状に配置可能な、３つの光導波路３３を有する検出器機構の例を示す。検出器機構２０は３つ以上の段を含んでもよい。したがって、走査動作において、段のそれぞれの平面に位置するレーザビーム１０、１１の１つの横断面１４が、段ごとに検出される。したがって、レーザビーム１０、１１は、光軸７４に沿ったいくつかの高さで走査される。このようにして、レーザビーム１１を、例えば、レーザビーム焦点１２の周りの軸方向領域で走査することができるため、レーザビーム１１の焦面の代表的なセクションを決定することができる。したがって、十分な数の段があれば、ビームパラメータの積の決定またはレーザビーム１１の焦点直径および発散角の決定も可能である。
【００８４】
本発明は、説明および図示した例において詳述した特定の例に限定されない。そうではなく、本発明は、特許請求の範囲、明細書、および図面に記載された特徴の組合せから得られる例をも包含する。
【符号の説明】
【００８５】
１０  レーザビーム
１１  集束レーザビーム
１２  レーザビーム焦点
１４  レーザビームの横断面
１７  有効領域
１８  散乱放射
２０  検出器機構
３０  光拡散構造
３１  第１の光拡散構造
３２  第２の光拡散構造
３３  光導波路
３６  導光領域
３８  端面
３９  発光面
４０  感光センサ
４２  カバー
５０  信号記録用デバイス
７０  レーザビームを射出するデバイス
７２  光学システム
７３  保護ガラス
７４  光学システムの光軸
８０  相対運動をもたらすデバイス
８３  レーザビームを動かすデバイス
８４  スキャナミラー
８５  レーザビームの動きの方向
８７  検出器機構を動かすデバイス
８９  検出器機構の動きの方向
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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