Tutorial

Ist es überhaupt möglich, einen UV-Laser mittels einer CCD-Kamera mit Silizium-Sensor zu vermessen? Prinzipiell lautet die Antwort darauf: Ja, das ist möglich. Allerdings trägt die direkte UV-Strahlung den Silizium CCD-Chip mit der Zeit ab. Die Ablation addiert sich auf und hängt von der Intensität, der Wellenlänge und der Bestrahldauer des Sensors ab. Will man UV-Licht vermessen, ohne Schaden am CCD-Chip anzurichten, bildet man den Stahl am besten nicht direkt auf dem CCD-Sensor ab, sondern verwendet einen UV-Bildwandler. Risiko dabei: Ein Bildwandler oder Abschwächer kann dem Strahl Abweichungen oder Fehler aufprägen. Diese Fremdeinflüsse können die Ergebnisse der Strahlmessung und damit des angezeigten Profils verändern, so dass der Unsicherheitsfaktor der ermittelten Ergebnisse steigt. Ophir Spiricon bietet eine Vielzahl an Komponenten rund um die Strahlmessung an und verfolgt bei allen Entwicklungen das Ziel, den Laserstrahl nicht zu verändern. Im Rahmen dieses Artikels stellen wir Ihnen verschiedene Messoptionen vor, doch zunächst kehren wir noch einmal zurück zur direkten Abbildung eines UV-Strahls inklusive der Abschwächung.

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Unsere heutige Technologie lässt uns in Daten ertrinken. Diese Aussage trifft im Marketing und in der Betriebswirtschaft ebenso zu wie bei der Messung Ihres Lasers. Es gibt alle Arten von Größen, die Sie messen können. Allerdings lohnt es sich nicht, etwas zu messen, wenn Sie gar nicht planen, diese Information zu verwenden.

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Von Allen M. Cary, Jeffrey L. Guttman, Razvan Chirita, Derrick W. Peterman, Photon Inc

Mithilfe eines neuen Instrumentendesigns kann das M2 Strahlpropagationsverhältnis in Echtzeit zur Aktualisierungsrate einer CCD-Standardkamera gemessen werden. Somit können Laser von Einzelschuss bis CW gemessen werden, während die Laserkavitäten angepasst werden. Dies verringert die für diesen Arbeitsgang erforderliche Testzeit enorm. In dieser Abhandlung diskutieren wir die Theorie hinter diesem innovativen Ansatz zur M2-Messung und die Methoden zur Auswahl geeigneter optischer Komponenten für das System mit verschiedenen Lasertypen und Strahlformen. Die Autoren zeigen Ergebnisse zahlreicher Messungen mit verschiedenen Lasern und Lasertypen, einschließlich Festkörper-, Dioden-, Faser- und herkömmlichen Gaslasern mit M2-Werten von nahe 1 bis zu bedeutend höheren Werten und zeigen Vergleiche dieser Ergebnisse mit anderen Messverfahren.

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Von Dick Rieley, regionaler Vertriebsmanager Mittelatlantik, Ophir Photonics Gruppe

Eine Forschungseinrichtung entwickelte ein wichtiges Verfahren, für das ein DUV-Laserstrahl bei 193 nm benötigt wurde. Die vorhandenen Geräte erzeugten nur ein Graustufenbild, das wenig über die Verteilung der Energie-Intensität im Strahlprofil aussagte. Die Lösung war ein Profilmessgerät auf Basis einer CCD-Kamera.

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Von Allen Cary, Marketingleiter, Ophir-Spiricon

Die Messung der Propagationsparameter eines Laserstrahls ist eine wichtige Methode, um die Qualität des Laserstrahls zu verstehen und seine Leistung für verschiedene Laseranwendungen vorherzusagen. Aus diesem Grund ist dies eine der von Laserbenutzern geforderten und von Laserherstellern angegebenen Hauptspezifikationen. Ophir-Spiricon ist seit langem führender Anbieter für Instrumente, die speziell für diese wichtige Messung vorgesehen sind. Es gibt derzeit drei verschiedene Instrumente der Marken Spiricon und Photon. In diesem Artikel erläutern wird die Unterschiede zwischen ihnen und die Gründe für diese verschiedenen Ansätze zur Durchführung dieser Messung. Wir hoffen, dass sie eine Entscheidungshilfe erhalten, welcher Ansatz für Ihren Laser und Ihre Laseranwendung am besten passt.

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Von Allen Cary, Marketingleiter, Ophir-Spiricon

Eine der nützlichsten Eigenschaften des Lasers ist seine Propagationsfähigkeit über große Entfernungen, wodurch eine gerade Linie definiert wird. Viele optische Systeme nutzen diese Eigenschaft aus. Daher werden Strahlmessgeräte häufig zur Verifizierung der Leistung von Lasern und optischen Systemen herangezogen, um von schlechter Justage ausgehende Probleme zu vermeiden oder die Herstellungsverfahren dieser Geräte zu optimieren. Hier wird oft gemessen, wo im Raum ein Laserspot fokussiert ist oder worauf er zielt, was für eine Reihe von Laseranwendungen von der Laserbereichsfindung bis zum optischen Scannen und Laserbeschriftungen zum Bau von Laserdruckern relevant ist. Strahlmessgeräte können sagen, wo sich der Strahl auf dem Detektor befindet, und verschiedene Strahlmessgerätetypen können dies mit verschiedener Gradgenauigkeit und Präzision machen. Die miste Zeit erfolgt die Messung durch Platzierung des Strahlmessgeräts in einiger Entfernung von der Laserquelle und Angleichung des Strahls, bis er auf das ideale Ziel zeigt. Für Laserscananwendungen kann die Messung an verschiedenen Standorten über die gesamte Scanebene verteilt vorgenommen werden, um eine entsprechende Linearität des Scans zu gewährleisten. Aber es steckt mehr hinter diesen Messungen und mehr, was man über die Laserleistung erfahren kann.

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Immer häufiger werden Profilmessungen von Lasern mit Leistungen zwischen 10 mW und 1 W benötigt. Viele dieser Laser sind im sichtbaren Spektrum, sodass sie mit CCD- und CMOS-Kameras gemessen werden können. Wie bei jedem mit einem Kamera-Array gemessenen Strahl, muss der Strahl abgeschwächt werden, wobei allerdings Vorsichtsmaßnahmen zu beachten sind. Diese Strahlen sind nicht so stark, dass sie normale Absorptionsfilter beschädigen oder zerstören. Mit entsprechenden optischen Dichtefiltern lässt sich ein 1W-Laser sogar bis in den nW-Bereich abschwächen, sodass auch keine Sättigung des Detektors auftritt. Leider führt solch eine Abschwächung sehr wahrscheinlich zu fehlerhaften Messergebnissen. Dies geschieht aufgrund eines Phänomens, das als thermische Linsenwirkung oder thermisches Erblühen bezeichnet wird. Die Laserenergie erwärmt den lokalen Bereich des Absorptionsfilters und ändert dadurch seine optischen Eigenschaften. Diese Änderungen führen häufig zu Änderungen am Brechungsindex des Substrats, wodurch eine Linse gebildet wird, die den Strahl entweder fokussiert oder erweitert. Bei geringen Leistungen kann dieses Phänomen über einen erkennbaren Zeitraum beobachtet werden, weshalb man ihn auch als „Blooming“ (Erblühen) bezeichnet. Dies kann jedoch auch sehr sprunghaft auftreten, sodass man weiterhin stabile und genaue Messungen erwarten würde.

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Es herrscht sehr viel Verwirrung hervorgerufen durch die Angabe des dynamischen Bereichs der Strahlprofilmessgeräte. Der Zweck dieser Anwendungshinweise besteht darin, die Terminologie der in der Diskussion dieses Parameters sowohl von Ophir-Spiricon als auch anderen Anbietern von Strahlprofilmessgeräten zu erläutern.

Definition
Der dynamische Bereich ist das Verhältnis des größten messbaren Signals zum kleinsten messbaren Signal. Das kleinste messbare Signal wird üblicherweise als Äquivalent zum Geräuschpegel oder alternativ der „Lärmbelastungsexposition“ oder dem Punkt, an dem der Signal-Rausch-Abstand (SRA) 1 beträgt.

Zur Messung eines Strahlprofils müssen wir einen SRA von mindestens 10 Haben, um ein minimal brauchbares Ergebnis zu erhalten. Es ist eher ein SRA von 100:1 erforderlich, um 2% Genauigkeit zu erzielen. In den Instrumentenspezifikationen verwenden Ophir und die Mitbewerber jedoch den dynamischen Digitalisierungsbereich. Die nachfolgende Diskussion folgt diesem Ansatz.

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Ophir Photonics verwendet pyroelektrische Detektoren in einer Reihe ihrer Produkte, die sowohl für die Strahlprofil- als auch Laserleistungsmessung bestimmt sind. Die Marken Photon und Spiricon sind Laserstrahlprofilmessgeräte, die auf Scanning-Slit- und Array-Technologien basieren. Die Markenprodukte von Ophir sind Laserleistungsmessgeräte.

Spiricon Pyrocam III
die Pyrocam™ III ist eine pyroelektrische Array-Kamera, die für Profillaser mit sehr kurzwelligen UV- oder Infrarotlicht aus den nahen IR-Wellenlängen bis zum sehr fernen IR und sogar Wellenlängen im Terahertz-Bereich verwendet werden kann.

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Von Dr. Jeffrey L. Guttman, leitender Ingenieur, Ophir-Spiricon

Kurzfassung:: Der Modenfelddurchmesser (MFD) und die „Spotgröße“ einer Auswahl an sich verjüngenden Spezialfasern mit Linse wurde durch Fernfeld- und Nahfeldmessungen bestimmt. Im Fernfeld wurden die Messungen mithilfe eines goniometrischen 3D scannenden Strahlungsmessers durchgeführt, der ein vollständiges halbkugelförmiges Profil liefert. Es werden indirekte Messungen des Nahfelds angegeben, deren Daten von diesen abgeleitet wurden, einschließlich des Petermann II MFD, der 1/e2 Spotgröße unter Verwendung der Gauß'schen Fernfeldapproximation und einer über die Fourier-Transformationsumkehrung in 2D des Fernfelds erhaltene Messung unter Verwendung von Verfahren zur Phasenrekonstruktion./// Im Nahfeld wurden direkte Profilmessungen mit einer IR-Vidicon-Kamera und Vergrößerungsobjektiven durchgeführt, wobei die Spotgröße als den 1/e2 Durchmesser des abgebildeten Profils angegeben wird.

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Von John McCauley, regionaler Vertriebsmanager mittlerer Westen, Ophir Photonics Gruppe,

Laserstrahlen sind wie Glühbirnen, sie ändern ihre Abgabe mit der Zeit. Wenn Laser hoch präzise und sehr zuverlässige Teile herstellen, stellt dies eine Herausforderung dar. Daher ist es erforderlich, die Eigenschaften, welche die Eigenschaften und die Beständigkeit eines Strahls festlegen, regelmäßig zu messen und zu verwalten.

Die Wartung der Lasereffizienz im Verlauf der Zeit umfasst mehrere Schritte. Diese Wartung ist wichtig, damit die Laser-Ausgangsvariation das hergestellte Endprodukt nicht beeinträchtigt.

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Richard B. Price, BDS, DDS, MS, PhD, FDS RCS (Edin), FRCD(C); Daniel Labrie, PhD; J. Marc Whalen, PhD; Christopher M. Felix, BSc

Zweck: Quantifizierung der Auswirkung des Abstands auf die Strahlungsintensität und die Strahlhomogenität von 4 Aushärtungslampen mit Leuchtdioden
Materialien und Methoden: Es wurden vier Aushärtungslampen mit Leuchtdioden bewertet: Fusion, Bluephase 16i, Demi und FlashLite Magna. Die Strahlungsintensität in der Mitte des Lichtstrahls (ICB) wurde mit 1,0 bis 0,9 mm ab der emittierenden Spitze mithilfe eines Sensors mit einem Durchmesser von 3,9 mm, der an ein Spektrometer angeschlossen ist, gemessen. Die Einheitlichkeit des Strahls jeder Aushärtungslampe wurde mithilfe des „Top-Hat-Faktors“ mit 2,0, 4,0, 6,0 und 8,0 mm ab der emittierenden Spitze gemessen. Der hilfreiche Strahldurchmesser, in welchem die Einstrahlungswerte höher als 400 mW/cm2 waren, wurde berechnet. ICB, Top-Hat-Faktor und hilfreicher Strahldurchmesser wurden mithilfe der Varianzanalyse und Fishers geschütztem niedrigstwertigen Differenztest bei α = 0,01 verglichen.

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Ingenieur John McCauley, regionaler Vertrieb mittlerer Westen, Ophir-Spiricon

Es ist Zeit ein neues Auto zu kaufen. Wie alle anderen heutzutage auch leben Sie kostenbewusst und versuchen deshalb auch, das Meiste für Ihr Geld zu bekommen. Sie entscheiden sich zu schauen, was der lokale Gebrauchwagenhändler im Angebot hat. Bevor Sie aus Ihrem Auto aussteigen, kommt der aalglatte Gebrauchtwagenhändler auf Sie zu, schiebt eine Karte in Ihre Hand und ist ein wenig „zu“ erfreut, Ihnen beim Erwerb eines neuen Autos helfen zu können. Sie schauen sich einige Autos an, von denen Sie meinen, dass sie in Ihr Budget passen. Umso näher Sie kommen, bemerken Sie, dass etwas seltsam scheint. Sie stehen vor zwei identischen Autos: dieselbe Aufmachung, dasselbe Modell, dasselbe Jahr, dieselbe Farbe und sogar der gleiche Garantiezeitraum. Aber Sie sehen, dass eines $5000 weniger als das andere kostet. Hmm. Das erste, teurere Auto scheint in gutem Zustand zu sein, sieht gut aus und riecht einigermaßen. Sie steigen in das zweite Auto und kommen sofort darauf, wie der Preisunterschied zustande kommt: das zweite Auto hat kein Armaturenbrett! Keine Geschwindigkeitsanzeige, keine Tankanzeige, keine Warnlichter.

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von Jeffrey L. Guttman, PhD, Director of Engineering und Allen M. Cary, Sales & Marketing Manager, Ophir-Photon LLC

Bei der Kalibrierung von Strahlprofilmessgeräten mit Vergrößerungsaufsatz wird der Fokusmittelpunkt an einer genau definierten Strahlposition gemessen. Dazu wird die Ausrichtung entweder am Messgerät oder am Laser entsprechend justiert. Meist verwendet man die erste Methode, da Strahlmessgeräte mit Vergrößerungsaufsatz meist auf einem Präzisions-3-Achsen-Positioniertisch montiert sind. Ab 25facher Vergrößerung empfiehlt es sich, einen Positioniertisch zu verwenden, der sich über eine Differenzial-Mikrometerschraube mit einer Genauigkeit von 1m einstellen lässt.

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 What is M2?

M², oder auch die Beugungsmaßzahl gibt an, wie nahe ein Laser einem Single Mode TEM00 Strahl kommt, der wiederum die kleinste fokussierbare Strahltaille definiert. Bei einem idealen gaußschen TEM00-Strahl ist M² gleich 1.

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 Vorteile der Strahlprofilmessung

 Vorteile der Strahlprofilmessung
 
Vorteile der Strahlprofilmessung
Machen Sie mehr aus Ihrem Laser!
  • Abbildung 1 zeigt einen Nd:YAG-Fertigungslaser mit fast gaußscher Verteilung, 100 Watt Ausgangsleistung und einer Leistungsdichte von 1,5kW/cm2. Abbildung 2 zeigt den gleichen Nd:YAG-Strahl bei höherer Leistung (170 Watt), allerdings mit zwei Spitzen mit nur 1,3kW/cm2 Leistungsdichte. Die Leistungsdichte des Strahls ist nicht, wie erwartet, um 70% gestiegen, sondern um 13% gesunken. Ohne eine Strahlprofilmessung wüssten Sie nicht, was mit der Leistungsdichte nicht stimmt und warum die Leistung nicht angewachsen ist.
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Der BeamCube von Ophir Photonics ist eine beliebte Lösung zur Leistungsmessung bei Laserschweißsystemen für die Herstellung medizinischer Geräte. Beim Schweißen mit niedrigen und mittleren Leistungsstufen lassen sich die Laserparameter gleichzeitig erfassen, aufnehmen und überwachen, um die Einhaltung gesetzlicher Vorgaben und zuvor eingestellter Herstellungsgrenzwerte zu gewährleisten. BeamCube ist mit einer CCD-Kamera, einem Thermosensor und einer schnellen Fotodiode ausgestattet, um das Strahlprofil, die Durchschnittsleistung sowie das räumliche Impulsprofil des Laserschweißgeräts zu erfassen.

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Die Auswahl des besten Profilmessgeräts für einen Laser ist eine komplizierte Angelegenheit. Wegen der verschiedenen Faktoren können nicht alle Laser mit einem einzigen Gerät analysiert werden. Wir möchten Ihnen gerne zeigen, worauf es bei der Auswahl von Laser-Profilmessgeräten ankommt.

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von Allen M. Cary, Photon Inc. San Jose CA

Die meisten Menschen, die einen Laser einsetzen, verwenden dazu den Lichtstrahl, entweder direkt oder, wie in den meisten Fällen, unter Einsatz von optischen Baugruppen. Ob Sie nun ein Bauteil beschriften, eine Präzisionsschweißnaht setzen oder eine Netzhautbehandlung durchführen – immer ist es wichtig, Art und Funktionsweise des Lasers zu verstehen. Mithilfe der Strahlprofilmessung kann der Laser analysiert werden, sodass Sie genau wissen, was der Laserstrahl bewirkt und ob die optischen Bauelemente die gewünschte Wirkung haben. Es gibt verschiedenste Laserarten und Anwendungsgebiete mit unterschiedlichen Parametern wie Leistungsdichte, Fokussierung, Strahlbreite, Pulsweite und noch tausenden mehr. Diese Vielfalt ist es, die es ermöglicht, mit Lasern so unterschiedliche Werkstoffe und Oberflächen bearbeiten zu können. Auf der anderen Seite ist es auch gerade diese Vielfalt, die die Strahlprofilmessung so kompliziert macht.

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von John McCauley, Midwest Regional Sales Manager, Ophir-Spiricon, LLC

Egal ob Sie gerade erst anfangen, mit Lasern zu arbeiten, oder ob Sie immer wieder damit zu tun haben – vielleicht fragen auch Sie sich, warum so viel Wirbel um die Strahlprofilmessung gemacht wird. Warum sollen Sie sich um die Qualität eines Lasers sorgen, der gerade erst in Betrieb gegangen ist? Oder: Die Produktion läuft rund ­ Warum etwas reparieren, das nicht kaputt ist? Sie denken vielleicht, dass Laserqualität etwas ist, worum man sich bereits bei der Konstruktion Ihres Lasers gekümmert hat, oder bei der Herstellung oder Inbetriebnahme Ihres neuen Lasers. Vielleicht haben Sie Recht – das hoffe ich zumindest. Sie wären vielleicht überrascht (so wie ich), wenn Sie wüssten, dass das leider nicht immer der Fall ist.

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Seit dem 27. April 2010 sind die Mitgliedstaaten der Europäischen Union verpflichtet, eine gesetzliche Regelung umzusetzen, in der die Messung und Begrenzung der künstlichen optischen Strahlung geregelt wird, der Arbeitnehmer am Arbeitsplatz ausgesetzt sind.

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Frage: Wie kann ich sicherstellen, dass mein Strahlprofilmessgerät genaue Messergebnisse liefert? Gibt es ein standardisiertes Kalibrierungsverfahren?

Antwort: Es gibt kein standardisiertes Kalibrierungsverfahren, mit dem die Genauigkeit Kamera-basierter Strahlprofilmessungen geprüft werden kann. Spiricon setzt das bestmögliche Verfahren ein, um sicherzustellen, dass unsere Kamera-basierten Strahlprofilmessgeräte verlässliche und konsistente Ergebnisse liefern. Das Verfahren besteht aus zwei Hauptbestandteilen: 1) Die Eingangsseite (Kamera) und 2) Die Ausgangsseite (Ergebnisse der Software-Algorithmen)

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Überblick

  • Definition des Konzepts der Moden-Qualität
  • Auswirkungen von Moden-Änderungen auf den Prozess 
  • Ausführliche Einführung zu Strahlprofilmessgeräten
  • Beispiele zur Diagnose von Problemen bei Prozessen
  • Neue Methoden der Profilmessung
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von Lawrence Green Ophir-Spiricon, LLC

Acryl-„Mode Burns“ wurden früher überall eingesetzt, da sie die günstigste Alternative für kostenbewusste Anwender darstellten. Bei dieser Methode entstehen allerdings gefährliche, krebserregende Dämpfe und es handelt sich nicht um ein Echtzeit-Verfahren. Echtzeit-Strahlprofilmessung war dagegen lange Zeit für die meisten Anwender zu teuer.

Wir stellen hier eine neue Technologie vor, die ein neuartiges, kostengünstiges Echtzeit-Strahlprofilmessgerät für Hochleistungs-CO2-Laser möglich macht, das sich fast jeder Anwender leisten kann. Bei dieser Echtzeit-Messmethode entstehen keine giftigen Dämpfe. Wir legen Beispiele und Testergebnisse vor und vergleichen diese mit den herkömmlichen Kamera-basierten Methoden.

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von Larry Green, Ophir-Spiricon, LLC

Überblick 

  • Nutzbarer THz-Bereich– Wellenlängen und Frequenzen
  • Messmethoden für THz-Laser 
  • Optische Bauelemente - Arten und Quellen
  • Kameras und andere Sensoren 
  • Ergebnisse
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von Carlos B. Roundy, Ph.D.

In vielen Anwendungsgebieten für Laser kommt dem Strahlprofil eine essentielle Bedeutung zu. Wo es auf das Strahlprofil ankommt, muss man normalerweise analysieren, um sicherzustellen, dass es den Vorgaben entspricht.
Für manche Laser und Anwendungen kann es genügen, das Strahlprofil nur bei der Herstellung zu prüfen. In anderen Fällen muss das Strahlprofil im laufenden Betrieb kontinuierlich überwacht werden. Bei wissenschaftlichen Anwendungen werden Laser beispielsweise oft im Grenzbereich betrieben, sodass kontinuierliche bzw. regelmäßige Messungen des Strahlprofils sicherstellen müssen, dass der Laser noch innerhalb der erwarteten Parameter funktioniert. In der Fertigungsindustrie gibt es Fälle, wo das Laserprofil regelmäßig geprüft werden muss, um Ausschuss durch nachlassende Laserstrahl-Qualität zu vermeiden. In anderen Fällen, z.B. bei medizinischen Anwendungen, hat der Arzt keine Möglichkeit den Laser zu kalibrieren, daher muss der Hersteller schon bei der Konstruktion sicherstellen, dass der Laser während der gesamten Nutzungsdauer fehlerfrei funktioniert. Es gibt jedoch auch medizinische Laseranwendungen wie z.B. die fotorefraktive Keratotomie (PRK), bei der eine regelmäßige Überprüfung des Strahlprofils die Zuverlässigkeit deutlich erhöhen kann. Bei der PRK wird das Strahlprofil so geformt, dass die Strahlungsintensität entlang des Strahlquerschnitts verändert wird.
Um die Effektivität dieser Strahlprofiländerung zu gewährleisten, muss geprüft werden können, in welchem Maße das strahlverändernde Medium das Profil bzw. die Strahlungsintensität verändert hat. Im Folgenden soll der allgemeine Stand der Technik in der Laserstrahlanalyse beschrieben werden. 1-14 Vorgestellt werden die allgemeine Notwendigkeit der Strahlprofilanalyse, Methoden der Laserstrahlprofilmessung, eine Beschreibung der in der Strahlprofilmessung verwendeten Geräte, eine Darlegung der durch Betrachtung des Strahlprofils auf einfache Weise verfügbaren Informationen und schließlich eine Beschreibung der quantitativen Messmethoden für Laserstrahlprofile sowie der Bedeutung dieser quantitativen Messungen.

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Der Hartmann-Sensor wurde vor 100 Jahren für optische Messungen entwickelt. Später wurden diese Sensoren für eine Vielzahl von Anwendungen genutzt, unter anderem in der Adaptiven Optik, der Augenheilkunde und der Wellenfronten-Analyse. In diesem Dokument möchten wir die Funktionsweise des Spiricon Hartmann Wellenfronten-Analysators (HWA) erklären, die Einsatzmöglichkeiten des Geräts beschreiben und es mit ähnlichen Technologien vergleichen

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M2 oder die Beugungsmaßzahl ist ein Wert, der angibt, wie nahe ein Laser einem Single Mode TEM00 Strahl kommt.

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