Tutorials - Schlitz-basierte Strahlprofilmessgeräte

Einführung
Probleme, die bei einem NanoScan Scanning-Slit-Strahlmessgerät auftreten können, stammen entweder von Schäden am Scankopf oder von Toleranzüberschreitungen.

Schäden am Scankopf können in zwei Hauptgruppen eingeordnet werden: Laser und Mechanik. Laserschäden sind am weitesten verbreitet und Ergebnisse von der Bestrahlung durch Laser mit übermäßiger Laserleistungs-/-energiedichte und/oder hoher/durchschnittlicher Leistung. Die Schäden können in 2 Kategorien eingeordnet werden, die als „momentan“ und „Langzeit“ bezeichnet werden.

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Definition von „Hochleistung“

Der Hochleistungs-NanoScan von Photon ist für die Messung von „Hochleistungs“-Strahlen konzipiert, die vorher unmöglich mit den Standardprodukten BeamScan oder NanoScan gemessen werden konnten. Hochleistung ist ein recht schwammiger Begriff, der in verschiedenen Kontexten verschiedene Bedeutungen hat. Für unsere Zwecke wird „Hochleistung“ als zwischen 100 W und 5000 W liegend definiert. Der Hochleistungs-NanoScan ist jedoch nicht in der Lage, diesen Leistungsbereich für alle Wellenlängen zu messen. Hochleistungslaserstrahlen werden mithilfe von reflektierenden Materialien gehandhabt und damit hängt ihr Gegenteil, die Absorption, von der Wellenlänge des Laserlichts ab. Im Allgemeinen besitzen die langen Infrarotwellenlängen wie etwa die des Kohlendioxidlasers bei 10,6 Mikronen, ein hohes Reflexionsvermögen. Dadurch werden Höchstleistungsmessungen bis zu maximalen Niveaus von mehreren Kilowatt möglich. Beim Messen dieser Laser und Leistungsniveaus gilt die Hauptsorge der Aufheizung des Scankopfes. Die Oberflächen der Messtrommel und -schlitze ist mehr als 98% reflektierend bei dieser Wellenlänge und deshalb wird nur 2% der Vorlaufleistung vom Scankopf absorbiert und heizen ihn auf. Nichtsdestotrotz stellt dies bei 5000 W eine thermische Belastung von 100 W dar, die auf die Temperatur der internen Komponenten ansteigt und Schäden am Detektor und der Encoder-Elektronik hervorrufen kann. Der Hochleistungs-NanoScan ist so konzipiert, dass er für kurzzeitige Messungen bei diesen Leistungsniveaus eingesetzt werden kann. Der Strahl sollte nur einen Vorlauf von wenigen Sekunden auf den Scankopf haben. Die Software ist mit einem Aufzeichnungsmodus ausgestattet, die eine kurze Messung und dann die Durchsicht der Daten vereinfacht, während der Scankopf abkühlen kann.

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Allen M. Cary, Jeffery L. Guttman Ph.D.

Einleitung

Immer häufiger werden Strahlanalysen von Lasern mit Leistungen zwischen 10mW und 1W benötigt. Viele dieser Laser arbeiten im sichtbaren Spektrum, sodass sie sich mit CCD- bzw. CMOS-Kameras messen lassen. Wie bei jeder kamerabasierten Strahlanalyse muss der Strahl abgeschwächt werden, wobei einige Dinge zu beachten sind. Diese Strahlen sind zu schwach, um die üblicherweise verwendeten Absorptionsfilter beschädigen zu können. Mit entsprechenden optischen Dichtefiltern lässt sich ein 1W-Laser sogar bis in den pW-Bereich abschwächen, sodass auch keine Sättigung des Detektors auftritt. Leider führt solch eine Abschwächung häufig zu fehlerhaften Messergebnissen. Verantwortlich ist dafür das Phänomen der sogenannten thermischen Linsen. Einzelne Bereiche des Absorptionsfilters werden durch die Laserenergie erwärmt, wodurch die optischen Eigenschaften dieses Bereichs verändert werden. In vielen Fällen wird dabei der Brechungsindex der Linse verändert, was entweder zu einer Fokussierung oder einer Strahlaufweitung führen kann. Dieser Prozess läuft bei geringeren Leistungen so langsam ab, dass man ihn auch als „blooming“ (Erblühen) bezeichnet. Der Effekt kann allerdings auch sehr sprunghaft auftreten, sodass man weiterhin stabile und genaue Messungen erwarten würde.

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Die Laseranalyse kann eine durchaus Respekt einflößende Aufgabe sein; vor allem bei Lasern höherer Leistung. Für viele Anwendungen werden genaue Angaben zum Strahlprofil benötigt, doch besteht dabei die Gefahr, dass der Laser das Strahlprofilmessgerät beschädigt. Schlitz-basierte Strahlprofilmessgeräte wie der Photon NanoScan eigenen sich perfekt zur Analyse dieser leistungsstärkeren Laser, da sich mit ihnen auch relativ starke Laser ohne Abschwächer direkt analysieren lassen. Doch gibt es auch hier Grenzen. Die Bestimmung dieser Grenzen ist ein kompliziertes Problem, besonders wenn es sich um gepulste Laser handelt, da die Zerstörschwelle sowohl durch die Leistung als auch durch die Energie bestimmt wird.

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Geräteausrichtung

Beim Scan einzelner oder rechtwinkliger Achsen kann es zu irreführenden Ergebnissen kommen, wenn das zu testende Gerät nicht genau mittig auf die Apertur und in die Öffnung des Messgeräts gerichtet ist. Manche Anwender meinen, die Messung erfolge in der geometrischen Hauptachse des Geräts, doch das ist nicht immer der Fall. Dies ist nur der Fall, wenn die optische und die die geometrische Hauptachse übereinstimmen.

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Auf der beigefügten Grafik (siehe nächste Seite) sind die Ergebnisse zweier unterschiedlicher Instrumente abgebildet, die mit der gleichen Diode und unter den gleichen Bedingungen gemessen wurden. Bei dem ersten Instrument handelt es sich um ein von unserem Kunden für firmeninterne Messungen gebautes Goniometer, von dessen hoher Genauigkeit der Kunde überzeugt ist. Bei dem zweiten Instrument handelte es sich um das Goniometrische Radiometer LD 8900 von Photon.

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Mithilfe von NanoScan und optischen Standard-Zubehörteilen lassen sich Fertigungsqualität und Leistung von Linsen, Objektiven, optischen Subsystemen und Komplettsystemen testen. NanoScan wurde entwickelt, um eine schnelle und präzise Echtzeitmessung eines räumlichen Bildes zu erstellen. Dafür wird die Energieverteilung des räumlichen Strahlprofils analysiert und der Strahldurchmesser gemessen.

Fokussiert ist das Bild dann, wenn die größte Energiekonzentration im kleinsten Fokuspunkt gemessen wird. Es gibt zwar viele Möglichkeiten, Baugruppen zu analysieren, aber Test mit der Messerschneide-Methode, dem Ronchi-Test oder einem Interferometer sind meist zeitaufwendig und teuer. NanoScan wurde so konzipiert, dass es mit ein wenig Übung auch fachfremde Ingenieure oder Techniker voll nutzen können.

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Einleitung
Mit den Goniometrischen Radiometern LD 8900 und LD 8900R lässt sich die Intensität winklig strahlender Lichtquellen wie VCSELs, Laserdioden, Lichtwellenleiter und optischer Lichtleiter analysieren. Für eine genaue Charakterisierung muss die Lichtquelle so positioniert werden, dass mehrfache Messungen möglich sind. Dieser Artikel enthält Hinweise zur Positionierung von Lichtquellen für die Messung mit den Messgeräten LD 8900 und LD 8900R.

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Photon bietet verschiedene Messlösungen für M², von einfachen manuellen Messungen bis zu Spezialinstrumenten für vollautomatische Messungen. Je nachdem wie oft eine Messung von M² von Lasern und Lasersystemen benötigt wird und ob der Anwendungsbereich in Forschung und Entwicklung neuer Lasersysteme, in der Qualitätssicherung oder bei der Wartung und Reparatur bestehender Systeme liegt – Photon hat für fast jeden Einsatzzweck das passende System.

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Mit einem NanoScan/BeamScan lassen sich Astigmatismus-Messungen bei Laserdioden, optischen Elementen und anderen Lichtquellen einfach durchführen. Beispielsweise kann der Strahl einer Laserdiode auf das Profilmessgerät gerichtet werden, um den Abstand zwischen Primär- und Sekundärfokus zu messen und festzustellen, ob bei der Quelle bereits ein Astigmatismus vorliegt. Da sich der Abstand aber im 190-Mikrometer(µm)-Bereich bewegt, kann der Messbereich durch zusätzliche longitudinale Vergrößerung ergänzt werden, um Fehler auszuschließen. Diese Methode wird erfolgreich bei Astigmatismus-Messungen bei unterschiedlichen Laserdioden eingesetzt.
Um unbeabsichtigte Strahlbeschneidungen zu verhindern, sollte der Strahl der Laserdiode mit einer Linse geringer Brennweite kollimiert werden. Der Strahl sollte dann mit einer Linse größerer Brennweite fokussiert werden. Durch die große Tiefenschärfe wird der Abstand zwischen Primär- und Sekundärfokus in den Millimeterbereich vergrößert, liegt damit also im Einstellbereich der meisten in Labors verwendeten Positioniertische. Abbildung 1 zeigt den grundlegenden Aufbau für das Experiment.

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Eine der nützlichsten Eigenschaften von Lasern ist , dass sie über weite Entfernungen in einer geraden Linie ausgerichtet werden können. Viele optische Systeme machen sich diese Eigenschaft zunutze. Daher werden Strahlprofilmessgeräte auch oft eingesetzt, um die Leistung von Lasern und optischen Systemen zu überprüfen, durch schlechte Ausrichtung verursachte Probleme zu verhindern oder Herstellungsprozesse zu optimieren. Oft muss dafür nur die räumliche Ausrichtung Laserpunkts gemessen werden. Das Anwendungsspektrum reicht dabei von Laserdistanzmessung über optische Scans und Laserbeschriftung bis zu Herstellung von Laserdruckern. Mithilfe von Strahlprofilmessgeräten lässt sich herausfinden, an welcher Stelle des Detektors der Strahl auftrifft, wobei die Genauigkeit und Präzision dieser Angaben je nach Strahlprofilmessgerät variiert. Meist wird bei der Messung das Strahlprofilmessgerät in einiger Entfernung zur Laserquelle positioniert und dann der Strahl so lange ausgerichtet, bis der Zielpunkt genau getroffen wird. Bei der Überprüfung von Scanner-Lasern können die Messungen an mehreren Positionen der Scanfläche wiederholt werden, um einen optimalen Scanverlauf zu gewährleisten. Doch die Messung hat noch weitere Aspekte und kann noch mehr Informationen zur Laserleistung liefern.

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Der NanoScan wurde ursprünglich für die Messung von CW-Lasern konzipiert, viele Laser werden jedoch als gepulste Laser betrieben. Bisher wurde für die Messung gepulster Strahlen meist ein Messgerät mit Kamera-Array benötigt. Diese Lösung ist für Lasern niedriger Leistung im UV- und sichtbaren Wellenlängenbereich durchaus sinnvoll, allerdings muss der Strahl zusätzlich abgeschwächt werden. Sobald der zu messende Laser außerhalb dieses Bereichs betrieben wird, sind Kamera-basierte Geräte extrem kostenintensiv. Zwar gibt es für niedrigfrequent gepulste Laser (1Hz bis 1000Hz) gibt es zwar keine echte Alternative zu den Array-Geräten, im kHz-Bereich kann der NanoScan jedoch für Messungen eingesetzt werden. Damit diese gepulsten Laser mit dem Strahlprofilmessgerät gemessen werden können, verfügt der NanoScan über den sogenannten „peak connect“-Algorithmus. Außerdem lässt sich die Scangeschwindigkeit für sämtliche Scan-Köpfe per Software steuern. Der NanoScan eignet sich perfekt für die Messung gütegeschalteter und per Pulsweitenmodulation (PWM) geregelter Laser. In den letzten Jahren werden immer mehr Laser mit Pulsweiten im Pico- und Femtosekundenbereich eingesetzt. Obwohl die Messung dieser Laser einige zusätzliche Herausforderungen mit sich bringt, ist der NanoScan auch dafür bestens geeignet. Weiter unten gehen wir näher auf die Messung der unterschiedlichen Typen gepulster Laser ein.

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Wenn Sie das Strahlprofil eines kohärenten Laserstrahls mit einem NanoScan mit ungeschwärzter, reflektierender Apertur (Schlitz- oder Loch-basiert) messen, können im Strahlverlauf Interferenzen beobachtet werden. (siehe Abbildung 1b).

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NanoScan wird oft in Prozessketten eingesetzt, um Probleme mit Teilprozessen zu beheben: Das können Probleme mit der Ausrichtung oder der Kollimation sein, langwierige oder zu ungenaue Fokussierungsprozesse oder Probleme, die erst mithilfe zusätzlicher Verfahren gelöst werden können.

Für viele Anwendungen ist es notwendig, den Laserstrahl entsprechend bestimmter Parameter, z.B. der Strahlbreite am Material, einzustellen, einen kollimierten Strahl für eine bestimmte Dauer aufrechtzuerhalten, oder den Strahl exakt auf ein Ziel auszurichten. Mit dem Photon NanoScan lassen sich diese Einstellungen schnell und einfach erledigen. Der Dynamikumfang des NanoScan ermöglicht die Messung von fokussierten und unfokussierten Strahlen ohne zusätzliche Abschwächung, wobei die Werte schon während der Fokussierung abgelesen werden können.

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Verwendung des Goniometrischen Radiometers mit gepulsten Quellen

Es hat sich herausgestellt, dass die Messung gepulster Quellen mit dem Goniometrischen Radiometer nicht ganz einfach durchzuführen ist. Obwohl sich damit auch gepulste Laser analysieren lassen, kann es bei bestimmten Parameter-Kombinationen zu ungenauen Messergebnissen kommen. Wegen der automatischen Einstellung des Vorverstärkungs-Bereichs dieser Geräte funktionieren die Messungen je nach Frequenz, Pulslänge, Einschaltdauer und Leistungsniveau manchmal problemlos, bei leicht abweichenden Parametern sind die Ergebnisse dann wiederum fehlerhaft. InGaAs- und Silizium-Detektoren sind zwar für unterschiedliche Empfindlichkeiten und Messbereiche ausgelegt, dennoch können bei beiden Typen fehlerhafte Messergebnisse auftreten.

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Wenn es um die den Dynamikumfang von Strahlprofilmessgeräten geht, sind die Angaben oft verwirrend. In diesem technischen Exkurs möchten wir einige der Begriffe erklären, die bei der Beschreibung dieses Parameters von Photon und unseren Mitbewerbern verwendet werden.

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