Die Laserpunktgröße – Leitfaden für Anfänger

Wenn mich jemand fragt, wie man die Laserpunktgröße misst, stelle ich zunächst oft ein paar Fragen, denn diese Art der Messung ist nicht so einfach, wie sie auf den ersten Blick erscheint, besonders dann, wenn Präzision und Stringenz gefragt sind.

Hier sind meine üblichen Fragen/Antworten.

• Möchten Sie Brennfleckgröße oder Strahldurchmesser bestimmen?
• Welche Definition möchten Sie für den Strahldurchmesser verwenden?
• Haben Sie die entsprechenden Instrumente zur Verfügung?

Sehen wir uns jede einzelne Frage an, um herauszufinden, warum ich sie stelle.

MÖCHTEN SIE BRENNFLECKGRÖSSE ODER STRAHLDURCHMESSER BESTIMMEN?

Ohne Kontext und Hintergrundinformationen darüber, was mit einer Messung erzielt werden soll, kann man leicht den Überblick verlieren.

Viele verstehen unter der Laserpunktgröße den kleinsten Durchmesser auf der Brennebene, wenn der Strahl durch eine Linse fokussiert wird, während andere mit diesem Begriff den Austrittsdurchmesser des Laserstrahls bzw. den Durchmesser an einer spezifischen Stelle verbinden.

Es ist wichtig, zwischen den beiden Definitionen zu unterscheiden, da sie unterschiedliche Ansätze für die Messung erfordern.

Wenn sich ein Laserstrahl entlang seines optischen Pfades ausdehnt, ändert sich sein Durchmesser kontinuierlich. Betrachtet man einen idealen Gauß-Strahl, so wird die Breite (oder der Radius, w) entlang der Propagationsachse z mit folgender Gleichung definiert:

w₀ ist dabei die Strahltaille (kleinster Radius des Gauß-Strahls) und z_R die Rayleighlänge:

Der Strahldurchmesser ist doppelt so groß wie der Strahlradius und kann an beliebigen Stellen entlang der Propagationsachse gemessen werden.

Wenn Sie einen Gauß-Strahl mit einer Linse der Brennweite f ausrichten, wird die Strahltaille (bzw. die Gleichung für die Laserpunktgröße):

Die Brennfleckgröße kann sehr klein werden, und wenn dies der Fall ist, ändert sich die Strahlgröße entlang der Propagationsachse sehr schnell. Die Brennfleckgrößenbestimmung für einen Laserstrahl ist beinahe eine Kunst, denn sie erfordert eine sehr hohe Präzision bei der Positionierung der Bildebene des Detektors und es muss die Möglichkeit bestehen, diese Position zu justieren, um die Fokalebene zu finden.

Da die Brennfleckgrößenbestimmung im Grunde ein Sonderfall einer Durchmesserbestimmung eines Lasers ist, werden wir uns in diesem Artikel auf Letzteres konzentrieren.

WELCHE DEFINITION MÖCHTEN SIE FÜR DEN STRAHLDURCHMESSER VERWENDEN?

Es gibt drei gängige Definitionen für den Strahldurchmesser: FWHM, 1/e² und D4σ. Hier finden Sie einen kurzen Überblick über diese Berechnungsarten und darüber, wie diese Werte zusammenhängen.

HALBWERTSBREITE (FULL WIDTH AT HALF-MAXIMUM; FWHM)

Die Halbwertsbreite, auch Halbleistungsstrahlbreite genannt, wird ausgehend von der Verteilungskurve der Strahlintensität entlang einer vordefinierten Achse gemessen, die durch das Zentrum des Strahls verläuft, der auch in der Regel der Punkt der maximalen Intensität ist. Der FWHM-Wert entspricht dem Abstand zwischen jenen beiden Punkten, die dem Gipfel am nächsten sind und 50 % der maximalen Strahlung oder Intensität aufweisen.

Manche ziehen es vor, andere Prozentsätze der maximalen Intensität eines Strahls zu verwenden, um dessen Breite zu definieren. Ein üblicher Wert ist 13,5 %, was uns zu unserer nächsten Strahldurchmesser-Definition führt: 1/e².

1/E² (13,5 % DES MAXIMUMS)

Der Wert mag ungewöhnlich erscheinen, aber 1/e² leitet sich von einer Vereinfachung ab. In der Gleichung für die radiale Verteilung des Gauß-Strahls

können wir sehen, dass an jenem Punkt, an dem der Radius w entspricht (also der Strahlbreite), die Intensität dem 1/e²-Fachen des Maximalwerts entspricht:

Woher kommen also die 13,5 %? Die Zahl „e“, die Eulersche Konstante, beträgt in etwa 2,71828, also 1/e^2 = 0,13534!

Sowohl der American National Standard als auch die Federal Aviation Administration verwenden diese Definition für ihre Berechnungen der Lasersicherheit. Wenn Sie die Laserpunktgröße in Übereinstimmung mit diesen Sicherheitsvorgaben bestimmen müssen, so müssen Sie die Definition 1/e² verwenden.

Sie fragen sich, was das alles mit FWHM zu tun hat? Anhand der Gleichung für den Gauß-Strahl können wir jenen Radius ermitteln, bei dem die Intensität die Hälfte des Maximums beträgt, und den Wert „w“ isolieren:

Da sowohl die FWHM- als auch die 1/e²-Definitionen aus der Intensitätsverteilung entlang einer Achse berechnet werden, wird in keinem der Fälle das Gesamtprofil des Laserstrahls herangezogen. Dieses wird jedoch für die folgende Definition berücksichtigt.

D4Σ (MOMENT ZWEITER ORDNUNG)

Die dritte Definition für den Laserstrahldurchmesser ist sehr gebräuchlich, hauptsächlich deshalb, weil sie von der ISO (Internationale Organisation für Normung) empfohlen wird, um Lichtstrahlbreiten (Durchmesser), Divergenz-Winkel und die Verhältnisse der Strahlpropagation von Laserstrahlen zu bestimmen.

Grundsätzlich entspricht der D4σ-Durchmesser dem Vierfachen der Standardabweichung der Intensitätsverteilung entlang der Haupt- und Nebenachse des Strahls. Er wird ausgehend vom zweiten Moment des Strahlprofils berechnet. Bei einem perfekten Gauß-Strahl ohne Störung im Messsystem sind die Durchmesser nach 1/e²und D4σ identisch.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Methode ist, dass bei Störungen im Messsystem der berechnete Durchmesser größer als der reale Wert ist. Aus diesem Grund empfehlen wir, immer eine Hintergrundsubtraktion durchzuführen, bevor Sie den Laserstrahldurchmesser ermitteln.

HABEN SIE DIE ENTSPRECHENDEN INSTRUMENTE ZUR VERFÜGUNG?

Um sich das richtige Laserstrahl-Diagnosegerät für Ihre Laserpunktgrößenmessung anzueignen, müssen Sie Ihren Laser kennen.

WELLENLÄNGENBEREICH

Da Ihr Gerät auf einer Reihe von Detektoren basiert, muss es auf die Wellenlänge Ihres Lasers abgestimmt sein. Ist dies nicht der Fall, werden Sie kein Signal und in weiterer Folge keine Messung erhalten. In einigen Fällen empfehlen wir Zubehör wie UV-Wandler oder IR-Adapter, die mit Fluoreszenz oder Phosphoreszenz arbeiten, um Ihren Strahl in sichtbare Wellen umzuwandeln, die von unseren Kameras erfasst werden können.

Wenn sich Ihre Wellenlänge in einem Spektralbereich befindet, in dem unser Sensor nur geringfügig empfindlich ist, empfehlen wir die Verwendung eines Filters, der Licht von anderen Wellenlängen blockiert und so Störungen aus der Umgebung oder aus unerwünschten Quellen reduziert.

SENSORDIMENSION UND PIXELPITCH

Vor dem Kauf eines Laserstrahl--Diagnosegeräts sollten Sie eine allgemeine Vorstellung von der Strahlgröße haben, die Sie messen werden. Damit können Sie sicherstellen, dass Ihr Sensor groß genug ist und die Pixel klein genug sind.

Wir empfehlen eine Sensorgröße, die mindestens dem Dreifachen des größten Durchmessers entspricht. In Bezug auf den Pixelpitch (bzw. die Pixelgröße) wird empfohlen, dass der kleinste Strahl, den Sie messen, in einen Bereich von zumindest 10 Pixelpassen sollte.

Wenn der Sensor z. B. einen Pixelpitch von 5,5 µm aufweist, ist er für das Messen von Strahlen, die kleiner als 55 µm sind, nicht geeignet.

LASERLEISTUNG UND LASERLEISTUNGSDICHTE

Der letzte Parameter, den Sie überprüfen müssen, ist die Laserleistungsdichte, mit der Ihr Sensor arbeiten wird. Sie können dies aus Ihrem Strahldurchmesser und der mittleren Leistung (auch bei gepulsten Strahlen) unter Berücksichtigung der entsprechenden Dämpfungsfilter berechnen.

Hier muss berücksichtigt werden, dass die Empfindlichkeit des  Laserstrahl-Diagnosegeräts sich mit der jeweiligen Wellenlänge ändert. Dasselbe gilt auch für den Sättigungslevel. Um Ihre Berechnungen zu vereinfachen, stellen wir mit jedem unserer Messgeräte entsprechende Kurven für die minimale und maximale Leistungsdichte zur Verfügung. Hier ist ein Beispiel:

Wenn die durchschnittliche Leistung über 1 W liegt, müssen Sie vor dem Einsatz eines Dämpfungsfilters ein Strahlsampling durchführen. Wir haben verschiedene Arten von Strahlsamplern im Angebot, mit denen Sie bis zu einem Wert von 500 W die von Ihnen gewünschte Laserdämpfung umsetzen können.

Wenn Sie den genauen Durchmesser und die Leistung Ihres Lasers nicht kennen, reichen Näherungswerte aus, da unsere Messgeräte ihre Expositionsdauer je nach Schwankungen in der Leistungsdichte anpassen können.

Sollten Sie Hilfe dabei benötigen, die passenden Messgeräte und Zubehörteile zu finden, kontaktieren Sie uns jederzeit! Wir unterstützen Sie gerne!