Laserstrahlprofil – was ist das?
Die Laserstrahlprofilierung ist ein wesentliches Werkzeug zur Messung und Analyse der Eigenschaften von Laserstrahlen. In diesem Artikel erläutern wir das Konzept der Laserstrahlprofilierung und erklären die Bedeutung des Verständnisses der Eigenschaften von Laserstrahlen. Wir stellen verschiedene Methoden zur Messung und Analyse von Laserstrahlen vor, darunter den Einsatz von Kameras, Sensoren und Software, und erläutern die Vorteile und Einschränkungen der jeweiligen Ansätze. Darüber hinaus betrachten wir unterschiedliche Anwendungsbereiche der Laserstrahlprofilierung – von der Entwicklung und Herstellung von Lasersystemen bis hin zu wissenschaftlicher Forschung und medizinischen Anwendungen. Unabhängig davon, ob Sie neu in der Welt der Laser sind oder ein erfahrener Profi, ist das Verständnis der Laserstrahlprofilierung entscheidend, um eine optimale Laserleistung zu erzielen und das volle Potenzial der Lasertechnologie auszuschöpfen.
Was ist ein Laserstrahlprofil?
Ein Laserstrahlprofil ist eine Messung der Intensitätsverteilung eines Laserstrahls an einem bestimmten Punkt im Raum. Das Profil kann mit einem Gerät gemessen werden, das als Laserstrahlprofiler bezeichnet wird. Dieser detektiert das Licht des Strahls und erstellt eine Art Karte der räumlichen Intensitätsverteilung. Das Profil eines Laserstrahls kann unterschiedliche Formen haben, z. B. gaußförmig, Top-Hat-, Lorentz- oder Bessel-ähnlich, abhängig von den Eigenschaften des Lasers und der verwendeten Optik zur Strahlformung.
Das obige Bild zeigt ein ideales, zweidimensionales gaußförmiges Strahlprofil, farbcodiert mit einer Farbskala, die auf der rechten Seite des Bildes dargestellt ist.
Das Strahlprofil kann sich auch entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahls verändern, also über die Entfernung hinweg. Das häufigste Beispiel hierfür ist die Strahldivergenz. Das Strahlprofil ist für viele Laseranwendungen von großer Bedeutung, da es die auf ein Ziel übertragene Energiemenge, die Größe und Form des Fokusflecks sowie die Intensität und Homogenität des Lichts an einer bestimmten Position bestimmt.
Verwendung von CMOS- und CCD-Kameras zur Messung des Strahlprofils
Sowohl CMOS- (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) als auch CCD-Kameras (Charge-Coupled Device) können zur Messung von Laserstrahlprofilen eingesetzt werden. Diese Kameras sind in der Lage, das Licht des Laserstrahls zu detektieren und ein Bild der Intensitätsverteilung zu erzeugen, das anschließend zur Bestimmung des Strahlprofils analysiert werden kann.
Sowohl CMOS- als auch CCD-Kameras funktionieren, indem sie Licht in elektrische Ladungen umwandeln. Bei einer CMOS-Kamera besitzt jedes Pixel des Sensors seinen eigenen Photodetektor und Verstärker, der das Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Die Signale aller Pixel werden anschließend ausgelesen und verarbeitet, um ein Bild zu erzeugen. CMOS-Kameras bieten mehrere Vorteile, darunter einen geringen Energieverbrauch, hohe Auslesegeschwindigkeiten und die Möglichkeit, weitere Funktionen wie Bildverarbeitung auf demselben Chip zu integrieren.
Eine CCD-Kamera hingegen funktioniert durch das Sammeln der von einfallenden Photonen erzeugten Ladungen in einem Halbleiter, die anschließend durch Verschieben von einem Register zum nächsten ausgelesen werden. CCD-Kameras sind traditionell für ihre hohe Bildqualität und ihr geringes Rauschen bekannt, wobei moderne CMOS-Kameras diesen Unterschied weitgehend ausgeglichen haben.
Beide Kameratypen können zur Messung von Laserstrahlprofilen verwendet werden, besitzen jedoch unterschiedliche Eigenschaften, die sie für bestimmte Anwendungen besser geeignet machen. CCD-Kameras zeichnen sich beispielsweise durch eine sehr hohe Empfindlichkeit und geringes Rauschen aus, was sie ideal für Anwendungen mit schwachem Licht macht. CMOS-Kameras hingegen sind für ihre hohen Auslesegeschwindigkeiten und ihren niedrigen Energieverbrauch bekannt, was sie besonders für Hochgeschwindigkeitsanwendungen geeignet macht. Zudem gelten sie als widerstandsfähiger gegenüber Schäden durch zu hohe Laserleistungen.
In beiden Fällen muss das Kamerabild mit einer Software erfasst werden, die das Bild des Laserflecks verarbeitet und das Strahlprofil bestimmt. Am häufigsten wird hierfür eine Gauß-Anpassung an die Intensitätsverteilung des Bildes verwendet.
Ein Beispiel für ein Bild der Oberfläche eines CMOS-Arrays ist in der Abbildung unten dargestellt. Dieses Bild wurde mit einem Rasterelektronenmikroskop (SEM – Scanning Electron Microscope) aufgenommen, um die Geometrie der Pixel zu untersuchen. Jedes kleine Quadrat im Bild stellt einen realen lichtempfindlichen Detektor, also ein Pixel, dar.
3D-Intensitätsverteilung als Laserstrahlprofil
Ein Laserstrahlprofil kann sich auf die zweidimensionale (2D) Intensitätsverteilung eines Laserstrahls beziehen oder auf die dreidimensionale (3D) Intensitätsverteilung.
Die 2D-Intensitätsverteilung, auch transversale Intensitätsverteilung genannt, ist eine Messung der Intensität des Laserstrahls an einem bestimmten Punkt im Raum, beispielsweise im Fokus oder an einem Ziel. Sie zeigt, wie sich die Intensität des Laserstrahls über den Querschnitt des Strahls verteilt.
Die 3D-Intensitätsverteilung hingegen ist eine Messung der Intensität des Laserstrahls an mehreren Punkten im Raum und liefert ein umfassenderes Bild der Strahleigenschaften. Sie beschreibt, wie sich die Intensität nicht nur über den Querschnitt, sondern auch entlang der Strahlachse verändert, einschließlich Strahldivergenz oder Fokuslage.
Zur Messung der 3D-Intensitätsverteilung können verschiedene Methoden kombiniert werden. Beispielsweise kann die Intensität an mehreren Punkten im Raum gemessen werden, indem ein Sensor oder der Strahl kontrolliert bewegt wird, oder durch den Einsatz spezieller bildgebender Systeme wie Shack-Hartmann-Sensoren oder Scanning-Slit-Systeme. Diese Methoden ermöglichen eine detailliertere und genauere Charakterisierung des Laserstrahls, was insbesondere bei Anwendungen wie der Laser-Materialbearbeitung von Bedeutung ist, da die 3D-Intensitätsverteilung die Qualität des bearbeiteten Materials beeinflussen kann.
Durch die Kombination dieser Bilder lassen sich sogenannte „Kaustiken“ des Laserstrahls darstellen, wie schematisch in der Abbildung unten gezeigt.
Eine solche Kurve (Kaustik) ermöglicht beispielsweise die Bestimmung eines der Strahlqualitätsfaktoren: M².
Beispiele für Artefakte im Laserstrahlprofil
Je nach spezifischen Eigenschaften des Lasers und des verwendeten Messsystems können verschiedene Arten von Artefakten im Laserstrahlprofil auftreten. Zu den häufigsten gehören:
RAUSCHEN:
Bezeichnet unerwünschte Schwankungen der Laserintensität, z. B. durch Instabilitäten der Stromversorgung oder Temperaturänderungen. Rauschen erschwert eine genaue Messung des Strahlprofils und äußert sich als zufällige Intensitätsschwankungen.
CLIPPING:
Bezeichnet das Abschneiden von Bereichen hoher Intensität des Laserstrahls. Dies tritt auf, wenn der zur Messung verwendete Sensor gesättigt ist und die höchsten Intensitäten nicht mehr erfassen kann. Clipping führt zu einer Unterschätzung der tatsächlichen Spitzenintensität des Strahls.
STREUUNG:
Bezeichnet die Aufweitung des Strahls durch Beugung oder Reflexion an Oberflächen oder Materialien im Strahlengang. Streuung kann den Strahl verzerren und somit das Strahlprofil verändern.
VERLUSTE ABHÄNGIG VON DER RÄUMLICHEN FREQUENZ:
Diese können durch optische Komponenten verursacht werden, die nicht optimal auf die Laserwellenlänge abgestimmt sind, und führen zu einer inhomogenen Intensitätsverteilung.
NICHTÜBEREINSTIMMUNG DES REFERENZSTRAHLS:
Dies kann beispielsweise bei Shack-Hartmann-Sensoren auftreten. Der Sensor verwendet ein Linsenarray, um den Laserstrahl zu sampeln und mit einem Referenzstrahl zu vergleichen. Stimmt der Referenzstrahl nicht mit den Eigenschaften des gemessenen Laserstrahls überein, kann dies zu Ungenauigkeiten im gemessenen Strahlprofil führen.
STAUB:
Ein sehr häufiges Problem in Lasersystemen ist Staub, der sich auf optischen Elementen ablagern kann. Diese kleinen Partikel können die Strahlqualität durch Beugung beeinträchtigen. Bei steigender Strahlintensität können Staubpartikel zudem übermäßig Strahlung absorbieren, Wärme an den Spiegel übertragen und letztlich zu dessen Zerstörung führen.
Erwähnenswert ist, dass Huaris Laser Cloud, unterstützt durch künstliche Intelligenz, Staub im Strahl vollautomatisch bereits in einem sehr frühen Stadium erkennt, wenn das Risiko einer Beschädigung der optischen Komponenten noch gering ist. Das System warnt den Laseranwender und empfiehlt die Reinigung der optischen Elemente, bevor irreversible Schäden auftreten.
BEUGUNG:
Bei Laserstrahlen können verschiedene Arten von Beugung beobachtet werden, z. B. lineare oder kreisförmige Beugung, abhängig von der Struktur, auf die der Laserstrahl auf seinem Ausbreitungsweg trifft. Auch abgerundete Kanten, etwa an Spiegeln, können zu Beugung führen, wobei das resultierende Beugungsmuster eine eher runde Form annimmt.
Ähnlich wie bei der Stauberkennung kann unsere KI auch verschiedene Arten von Beugungsmustern sehr frühzeitig erkennen – oft sogar bevor das menschliche Auge diese wahrnimmt – und gibt eine klare Anzeige, dass ein Problem im Lasersystem vorliegt. In diesem Fall empfiehlt Huaris Cloud ebenfalls Wartungsmaßnahmen, z. B. die Überprüfung der Strahlausrichtung.
Ein Beispiel für einen gebeugten Strahl ist in der Abbildung unten dargestellt. In diesem Fall handelt es sich um eine lineare Beugung eines gaußförmigen Strahls, dargestellt in der lokalen Profilierungssoftware von Huaris.
Es ist zu beachten, dass diese Artefakte nicht bei jeder Messung auftreten müssen. Ein gut entwickeltes und kalibriertes System kann das Auftreten solcher Artefakte erheblich reduzieren.
Nützliche Huaris Links
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