Kurzanleitung zur Messung der Laserstrahldivergenz
2023-12-05
Laser sind für ihre Gleichrichtung und die genau definierte Wellenlänge ihrer elektromagnetischen Strahlen bekannt. Ihre geringe Divergenz, die genau definierte Wellenlänge und die Vielzahl der verfügbaren Laserleistungsbereiche machen sie zu einem der wertvollsten Werkzeuge für die Materialverarbeitung in Industrie und Forschung.
Die Divergenz ist ein wichtiger Parameter sowohl für Laser-Hersteller als auch Anwender, wenn es um die Kontrolle über die Laserpunktgröße geht. Bei Anwendungen im Bereich des Laserschweißens, Waferschneidens oder in der Augenchirurgie muss die Strahldivergenz bekannt sein, sodass ein funktionaler Systemaufbau gewährleistet und die Energie genau dorthin gelenkt werden kann, wo sie für den spezifischen Prozess benötigt wird.
Lernen Sie hier die wichtigsten Konzepte aus dem Bereich der Laserstrahldivergenz-Messung kennen. Wenn Sie diese Konzepte verstehen, werden Sie Ihre Energie nicht länger dort vergeuden, wo sie nicht gebraucht wird!
WAS VERSTEHT MAN ÜBERHAUPT UNTER DEM BEGRIFF LASERSTRAHLDIVERGENZ?
Bei einem kreisförmigen Lichtstrahl wird die Divergenz definiert als das Winkelmaß des vergrößerten Durchmessers mit zunehmendem Abstand von der Laserapertur. Die Maßeinheit ist Millirad (mrad) oder Grad(°). Einfach ausgedrückt sagt Ihnen dieses Maß, wie stark der Strahl sich zwischen Quelle und Ziel vergrößert.
Laserstrahlen divergieren, da ein unendlich dünner und langer Raum an Atomen erforderlich wäre, um die Photonenemission in ein und dieselbe Richtung als endlos kollimierten Strahl umzusetzen. Dies ist in der Realität nicht durchführbar: Wenn man beispielsweise die wachsende Zahl industrieller Anwendungen betrachtet – darunter Schweißen, Schneiden oder die Verschalungstechnik, um nur einige zu nennen –, so ist bei der Verwendung von Faserlasern (mit hoher Divergenz am Faserausgang) die Berücksichtigung von Divergenzen unvermeidlich.
Genauer gesagt wird Divergenz definiert als der Winkel, in dem sich der Strahl im Fernfeld ausdehnt (d. h. in einem Abstand vom Strahlfokus, der weit über die Rayleighlänge hinausgeht), wobei die Mitte der Strahltaille als Referenz verwendet wird.
Die Rayleighlänge ist die Distanz entlang der optischen Achse, die ein Laserstrahl in Anspruch nimmt, bis seine Querschnittsfläche sich, ausgehend von der Strahltaille bzw. dem Fokus, verdoppelt.
Abbildung 1: Divergenz-Halbwinkel auf x und y definiert als θ = Div/2
BEI DER MESSUNG DER LASERSTRAHLDIVERGENZ DREHT SICH ALLES UM DIE STRAHLGRÖSSE
Kreisförmige Laserstrahlen basieren in der Regel auf einer Gaußschen Energiedichteverteilung (oder Bestrahlungsstärke) von der Mitte des Strahls bis hin zu den Rändern. Sie kennen ja bestimmt diese glockenförmige Kurve, die Ihnen sagt, dass sich der größte Teil der Strahlenergie in der Mitte des Strahls entlang der Propagationsachse befindet.
Abbildung 2: theoretischer Gaußscher Strahlquerschnitt
Eine geeignete Strahldiagnosekamera wie jene der Serie Beamage-4M liefert ISO-konforme Strahlgrößenmessungen wie z. B. den Strahlradius, der wie folgt definiert wird: Abstand zwischen dem Punkt der maximalen Energiedichte Emax innerhalb der Energieverteilung (Mitte des Lichtstrahls) und dem Punkt, in dem die Energiedichte Emax / e2 ist.
Abbildung 3: Beispiel für eine Gauß-Anpassung an x und y mit der Gentec-EO PC-Beamage-Software anhand eines echten Strahls Aus dieser Anpassung werden die X- und Y-Strahlabmessungen abgeleitet.
Sehen Sie selbst! Sie können die PC-Beamage Software, zusammen mit den verfügbaren simulierten Strahlen, kostenlos herunterladen und ausprobieren.
FORMEL FÜR LASERSTRAHLDIVERGENZ
Für einen kreisförmigen Gauß-Strahl wird die kleinstmögliche Divergenz mit dieser einfachen Formel angegeben:
Laserwellenlänge und die natürliche Taille des Strahls: kleinste Dimension entlang der z-Achse.
Ein Gauß-Laserstrahl gilt als beugungsbegrenzt, wenn die gemessene Divergenz nahe θ 0 ist. Um höchste Präzision sicherzustellen, ist genau das das Ziel!
Hier erfahren Sie, wie Sie die Divergenz des Laserstrahls problemlos messen können.
STILLHALTEN?
Man könnte denken, dass das Bewegen der Kamera entlang der Propagationsachse des Lasers erforderlich ist, um die Divergenz zu messen, aber das ist nicht der Fall!
Uns ist bekannt, dass, um den M2-Faktor eines Laserstrahls (auch Laserstrahlqualitätsfaktor genannt) zu erhalten, sowohl die Divergenz θ als auch die „Strahltaille“ ω0 gemessen werden muss, wobei man sich hierbei entlang der Z-Achse bewegen muss.
Der M2-Faktor, der dimensionslos ist, gibt die Laserstrahlqualität an und bestimmt quantitativ, wie stark Ihre Strahlpropagation sich einem theoretischen Gauß-Strahl der gleichen Wellenlänge annähert.
Für die Messung des M2-Faktors benötigen Sie eine bewegliche Bühne für Ihr Strahldiagnosegerät sowie Linsen und Ausrichtungsspiegel; alle diese Komponenten sind mit dem automatisierten Gentec-EO Beamage-M2-System als Komplettpaket erhältlich. Das System stellt Zusatzinformationen zur Lichtstrahlqualität bereit, jedoch müssen wir hier nicht mehrere Werte für den Strahldurchmesser entlang der z-Achse ermitteln, um die Divergenz zu berechnen.
STILLHALTEN!
Der erste Schritt besteht darin, eine aberrationsfreie Fokussierlinse zwischen Ihrer Kamera und dem Laser zu positionieren. Entscheidend ist, die Linse im Fernfeld des Laserstrahls und des Kamerasensors genau am Brennpunkt der Linse zu platzieren (nicht an der Strahltaille).
Hier dreht sich alles um die korrekten Berechnungen! Laut ISO11146:2005-Standard wird die Divergenz an beiden Hauptachsen (x und y) wie folgt angegeben:
ωf ist die Breite des fokussierten Punktes im Abstand f von der Linse und f ist die Brennweite Ihres Objektivs bei der spezifischen Wellenlänge Ihres Lasers. Beachten Sie bitte, dass die Brennweite wellenlängenabhängig ist; stellen Sie also sicher, dass Sie vom Linsenhersteller hier den korrekten Wert erhalten.
Diese Methode gilt auch für nicht-Gaußsche Strahlen. Das Angenehme an diesem Aufbau ist, dass keine Notwendigkeit besteht, den Strahldurchmesser vor oder hinter dem Brennpunkt zu messen. Wenn Sie Ihr Objektiv auf eine andere Brennweite ändern, wird sich auch die Größe des Strahls am Brennpunkt ändern. Wenn Ihre Kamera jedoch gut auf den Brennpunkt ausgerichtet ist, bleibt die gemessene Divergenz gleich.
Nachdem Sie PC-Beamage nun auf Ihrem Computer installiert und gestartet haben, öffnen Sie die Registerkarte Divergenz und legen Sie los!
KÖNNEN WIR DIE DIVERGENZ EINES LASERSTRAHLS KONTROLLIEREN?
Bei Hochleistungs-Faserlasern wird Ihre Probe in der Regel in der Nähe des Faserausgangs bearbeitet, aber die Divergenz wird mit optischen Scannern kontrolliert und modifiziert, die die erforderliche Strahlgröße für die zu verarbeitende Probe bereitstellen.
Es können bei Faserlaseranwendungen mit geringerer Leistung auch Kollimatoren eingesetzt werden, wie z. B. in Telekommunikationsanwendungen und bei verschiedenen Diodenlasern.
Da Sie jetzt wissen, wie unkompliziert die Divergenz gemessen werden kann, können Sie verschiedene optische Aspekte testen, um zu bewerten, wie diese sich auf Ihre Laserstrahlgröße auswirken.
Die natürliche Divergenz von Laserstrahlen wird oft genutzt, um die Strahlgröße auszudehnen und unter Verwendung eines Laserleistungsmessgerät die Zerstörschwelle in Abhängigkeit von der Leistungsdichte im Auge zu behalten.
Möchten Sie herausfinden, wie Sie mit Ihrer Strahldiagnosekamera am schnellsten/einfachsten Ihre Leistungsdichte verifizieren und sichere Leistungsmessungen durchführen können? Setzen Sie sich mit uns in Verbindung und geben Sie uns Ihre Laser-Spezifikationen bekannt!
