Leitfaden für Einsteiger: Laserstrahlqualität und M2-Messung

Die Lasertheorie lehrt uns, dass Laserstrahlen im Idealfall einem Gauß-Strahl entsprechen bzw. diesem sehr nahe kommen. Der Gauß-Strahl (TEM₀₀) gibt ein Ideal vor, das die meisten Lasersystem-Designer vorwiegend aus drei Gründen erreichen möchten:

1. Er ist entlang der optischen Achse am stärksten, wodurch sich optische Leistung und Intensität perfekt bündeln;
2. er hat die geringste Divergenz, wie ein dünner Lichtstrahl, der sich nicht ausdehnt;
3. er ist beugungsbegrenzt, was bedeutet, dass der Strahl bei einer spezifischen Wellenlänge den kleinstmöglichen Fokusdurchmesser erreichen kann.

Aber im wirklichen Leben ist nichts perfekt, und ein reiner Gauß-Strahl mit einem TEM₀₀-Profil und einer glockenförmigen Kurve, die sich unendlich ausbreitet, wird leider nie erreicht.

Sie fragen sich (wie viele andere auch), wie nahe Ihr Laser diesem Zustand der Perfektion kommt? In diesem Leitfaden stellen wir Ihnen das Konzept des M2-Parameters vor, mit dem man die Laserstrahlqualität quantifizieren kann, und wir werden erläutern, wie man den M2-Wert für einen Laser in der Praxis bestimmt.

WIE DEFINIEREN WIR LASERSTRAHLQUALITÄT?

Die ersten Laser wurden in den 60er Jahren hergestellt, aber erst in den frühen 90er Jahren schlug Anthony E. Siegman eine Standardmessung vor, um zu bestimmen, wie nah ein Laserstrahl dem Ideal des Gauß-Strahls kommen kann, oder mit anderen Worten, wie man die Laserstrahlqualität messen kann.

Im Grunde genommen wird dabei überprüft, wie bei Ihrem Lasergerät die schmalste Stelle, die auch als Taille bezeichnet wird, und die Divergenz bei identischer Wellenlänge im Vergleich zum idealen Gauß-Strahl abschneiden.

Das Strahlparameterprodukt (SPP) ist ein Indikator für die Laserstrahlqualität und wird definiert als das Produkt des kleinsten Radius des Strahls (Radius an der Strahltaille, w₀) und des halben Öffnungswinkels (θ) im Fernfeld. Das SPP wird in der Maßeinheit „mm-mrad“ angegeben:

SPP = θ w₀

Ideale Gauß-Strahlen haben bei gegebener Wellenlänge den geringsten SPP-Wert. Da wir wissen, dass θ_ideal = λ / (π w_0,ideal ) ist, ist das SPP eines idealen Laserstrahls vereinfacht ausgedrückt SPP_ideal= λ / π. Obwohl es einfach zu berechnen ist, ist das SPP nicht das beste Werkzeug, um einen Laser mit einem anderen zu vergleichen, da sich deren Idealwerte je nach Wellenlänge ändern.

Siegman schlug vor, einen dimensionslosen Wert für die Laserstrahlqualität zu verwenden, indem man das SPP eines echten Lasers durch jenes eines idealen Lasers dividiert. Wir erhalten daher ein Verhältnis, das angibt, wie nahe Ihr Laserstrahl dem perfekten Gauß-Strahl kommt, und Siegman nannte diesen Wert M²(ausgesprochen m-zum-Quadrat).

M² = π θ w₀ / λ

M² ist dimensionslos (d. h. ohne Maßeinheit), was den Vergleich zwischen verschiedenen Lasern einfach und unkompliziert macht. Etwas gewöhnungsbedürftig ist, dass die Qualität umso höher ist, je kleiner der M²-Wert ist. Tatsächlich ist das bestmögliche Ergebnis M² = 1; sobald der Wert von M² steigt, nimmt die Qualität des Lasers ab.

WARUM IST ES WICHTIG, DASS SIE DIE STRAHLQUALITÄT IHRES LASERS KENNEN?

Sobald der M²-Faktor definiert ist, kann man ihn in die Gleichungen für die generalisierte Gaußsche Strahlpropagation einbringen. Wenn Sie den M²-Faktor Ihres Lasers kennen, beschreiben diese Gleichungen, wie sich Ihr TATSÄCHLICHER Laserstrahl ausbreitet, wie eng er fokussiert werden kann und wie schnell er divergiert.

Wenn Sie den Wert M² für Ihren Laser kennen, wissen Sie, wie eng Ihr Laserstrahl fokussierbar ist. Die enge Fokussierbarkeit der Strahlen ist besonders wichtig, wenn Sie den Laser in der Fertigung oder Bildgebung verwenden, da mit einer kleineren Taille eine höhere Leistungsdichte und bessere Auflösung erreicht werden kann.

Für Fiberoptik-Systeme werden ebenfalls Laser mit einem M²-Wert von annähernd 1 bevorzugt, um eine gute Kopplung mit Singlemode-Fasern zu ermöglichen. Die Taille eines tatsächlichen Laserstrahls wird wie folgt definiert:

Wie aus der obigen Gleichung ersichtlich, können Laserstrahlen mit einem niedrigeren M² enger fokussiert werden als Laser mit einem hohen M².

Durch die Bestimmung der Strahlqualität erfahren Sie auch mehr dazu, wie Ihr Laserstrahl sich aufweitet (Divergenz). Wenn Sie die Divergenz Ihres Strahls kennen, können Sie die Dimension Ihres Laserstrahls an ziemlich jedem Punkt im Raum vorhersagen. Der Radius eines tatsächlichen Laserstrahls wird wie folgt definiert:

Und die Divergenz im Fernfeld für einen tatsächlichen Laser wird wie folgt definiert:

In der obigen Gleichung können Sie sehen, dass Laser mit einem hohen M² schneller divergieren als Laser mit einem niedrigen M². Laserhersteller stellen den M²-Faktor in ihren Spezifikationen zur Verfügung, da er Anwendern eine Vorstellung davon gibt, wie einfach es sein wird, mit dem Laser zu arbeiten.

WIE WIRD M² BERECHNET?

Siegmans Ansatz fand aufgrund seiner Einfachheit großen Anklang, experimentell gesehen ist seine Methode jedoch nicht besonders zuverlässig und mit einigen Unsicherheiten verbunden. Wenn Sie beispielsweise den Taillenradius im Labor messen möchten, wie stellen Sie dann sicher, dass Ihr Messgerät genau richtig im Fokus positioniert ist?

Und wie weit müssen Sie sich im Fernfeld befinden, um die Divergenz zu messen? Reichen diese beiden Datenpunkte aus? Die Internationale Organisation für Normung, kurz ISO, beschloss, der Verwirrung ein Ende zu setzen und legte eine Norm fest, die erklärt, wie man M² richtig misst und berechnet: ISO 11146.

Die ISO-Norm erklärt eine Methode zur Berechnung von M², ausgehend von einer Reihe von Strahldurchmessern, sodass Fehlerquellen minimiert werden. Hier sind die wichtigsten Schritte:

1. Gehen Sie von einem kollimierten Strahl aus.
2. Fokussieren Sie ihn mit einer aberrationsfreien Linse.
3. Messen Sie den Durchmesser des Strahls an verschiedenen Stellen im Bereich des Brennpunkts: Holen Sie dabei mindestens 10 Datenpunkte ein, etwa die Hälfte davon innerhalb der ersten Rayleighlänge und die andere Hälfte über mindestens 2 Rayleighlängen hinweg.
   
4. Verwenden Sie die in der Norm beschriebenen Regressionsgleichungen, um mit Ihren Datenpunkten sowohl für die X- als auch für die Y-Achse eine Hyperbel-Kurve zu erstellen. Dies verbessert die Genauigkeit der Berechnung, da Messfehler minimiert werden.
5. Extrahieren Sie anschließend die Werte für θ, w0, zR und M2 für jede Achse.

Die ISO-Norm gibt auch einige zusätzliche Regeln für die Durchmesserberechnung vor (insbesondere bei der Verwendung von Array-Sensoren wie CCD oder CMOS):

• Stellen Sie sicher, dass mindestens 10 Pixel innerhalb des Durchmessers liegen.
• Verwenden Sie einen Untersuchungsbereich, der dem Dreifachen des Durchmessers entspricht.
• Berechnen Sie den Durchmesser anhand der D4σ-Definition (zweite Momentbreite).
• Entfernen Sie alle Hintergrundstörungen, bevor Sie eine Messung durchführen.

WELCHE GERÄTE BENÖTIGT MAN, UM DIE LASERSTRAHLQUALITÄT ZU MESSEN?

Im einfachsten Fall benötigen Sie lediglich ein Objektiv, ein Strahldiagnosegerät und ein Lineal. Sie können unsere Anwendungshinweise lesen, die Schritt für Schritt erklären, wie man die Strahldiagnosequalität mit diesen grundlegenden Tools messen und das Ergebnis mit unserer kostenlosen Software berechnen kann.

Diese Methode ist zwar kostengünstig, aber auch zeitaufwändig; daher ist zu hoffen, dass Ihr Laser stabil genug ist und sein M²-Wert nicht zu sehr schwankt, während Sie die verschiedenen Durchmesser bestimmen! Eine einfache Möglichkeit, die Messung zu beschleunigen, besteht darin, das Strahldiagnosegerät auf einer motorisierten, mobilen Bühne zu montieren und die Erfassung zu automatisieren.

Mit einer beweglichen Bühne kann das Einrichten Ihrer Automatisierungsroutine eine Weile dauern. Sie können sich mit unserem System also viel Zeit und Mühe sparen, denn wir haben das alles schon für Sie erledigt! Unser automatisiertes Beamage-M2-Laserstrahl-Qualitätsmesssystem geht noch ein paar Schritte weiter als das oben beschriebene und ist so einfach einzurichten, dass Sie mit der Messung Ihrer M²-Werte bei der ersten Anwendung in ein paar Minuten beginnen können, und sobald das System läuft, sogar in weniger als einer Minute.

IST DIE M²-MESSUNG DIE RICHTIGE LÖSUNG FÜR SIE?

Nun, da Sie mehr über die Messung der Laserstrahlqualität wissen, werden Sie eine bessere Vorstellung davon haben, ob dies tatsächlich das ist, was Sie brauchen. Denken Sie daran, dass M² ein Indikator dafür ist, wie nah Ihr Laserstrahl einem idealen Gauß-Strahl (TEM₀₀) kommt.

Wenn Sie z. B. versuchen, einen Laser mit nichtbeugenden Strahlen wie Bessel-Strahlen oder höherwertigen Gauß-Strahlen mit „Doughnut“-Profilen zu entwickeln, dann ist M² wahrscheinlich kein guter Indikator für Sie.

Das war’s schon! Sie verstehen jetzt die Grundlagen der M²Messung ... Noch Fragen? Sie können uns unten Ihre Kommentare hinterlassen oder uns kontaktieren. Wir antworten Ihnen gerne!