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Laser mit exotischen Wellenlängen und außergewöhnlichen niedrigen Durchschnittsleistungen stellen Standard-Messgeräte vor große Herausforderungen. In der Regel reicht es nicht aus, nur eine Messtechnik für sich einzusetzen. Zwar bietet jede Technologie Vorteile, sie bringt aber auch Einschränkungen mit sich. Erst die Kombination unterschiedlicher Messprinzipien gewährleistet es, durch mehrfache Validierung vertrauenswürdige Ergebnisse zu erhalten.

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Das Profil von Laserstrahlen mit einem Strahldurchmesser kleiner als 10 Mikrometer (1) zu messen, zählt zu den größten Herausforderungen im Bereich der Laserstrahlanalyse. Dies liegt darin begründet, dass zur Strahlanalyse klassischerweise CCD-Kamera-Arrays mit einer Pixelgröße von 3-10 Mikrometern eingesetzt werden, um den Strahl ohne Vergrößerung zu analysieren. Bei einem extrem kleinen Strahl liegen allerdings nicht genügend Pixel innerhalb des Fokusdurchmessers, um ihn aussagekräftig zu analysieren. Die hohe mechanische Präzision der Strahlprofil-Messgeräte und die Tatsache, dass die Strahlen hochdivergent sind und sich schnell ausbreiten, erschweren die Messungen zusätzlich.

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Die Additive Fertigung zusammen mit 3D-CAD-Anwendungen haben die Art und Weise wie Prototypen und individuell angepasste mechanische Komponenten entwickelt und gefertigt werden signifikant verändert. Zurzeit beobachten wir weitere, tiefgreifende Veränderungen im Markt durch Selective Laser Melting (SLM) oder Selective Laser Sintering (SLS), auch bekannt unter der Bezeichnung metallischer 3D-Druck. Längst sind diese innovativen Technologien als Standard zur Entwicklung kritischer, individuell anpassbarer und schwer herstellbarer Teile avanciert. Allerdings sollte dabei die akribische Qualitätskontrolle nicht vergessen werden: Schon geringste Abweichungen in einer einzigen Schicht können die Stabilität des gesamten Bauteils gefährden. Gerade bei Anwendungen in Luft- und Raumfahrt aber auch in der Medizintechnik gilt es dies unbedingt zu verhindern. Der präzisen Funktion des verwendeten Lasers kommt hier eine Schlüsselrolle zu.

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Insgesamt ersetzen LEDs in vielen Industrien traditionelle, breitbandige Lichtquellen, das Anwendungsspektrum der effizienten Leuchtmittel wird immer vielfältiger. Gleichzeitig steigt auch die Nachfrage nach entsprechenden Messmethoden, um deren Qualität sicherzustellen. Messgeräte aus der Lasertechnik bieten die Möglichkeit, schnell und präzise Messungen der Lichtleistung sowie der Intensitätsverteilung durchzuführen. Im Bereich der Leistungsmessung eignen sich kalibrierte Photodioden hervorragend. Um die räumliche Intensitätsverteilung anderer Lichtquellen zu prüfen und zu bewerten, lassen sich Strahlanalyse-Systeme – wie sie weltweit eingesetzt werden, um die Qualität von Lasern und Lasersystemen im Rahmen von Forschung, Entwicklung, Produktion zu prüfen – effizient nutzen. Wie das funktioniert und in welchen Anwendungen die Technik genutzt wird, zeigt der Artikel.

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Im Rahmen zahlreicher Projekte in der Laseranwendungs-Forschung müssen unterschiedliche Laserquellen getestet, ihre Leistungen bestätigt und dokumentiert werden. Nur so kann sichergestellt werden, dass:

  • die Laserquelle laut Hersteller-Spezifikation arbeitet.
  • die Qualität des fokussierten Strahls den Anforderungen entspricht.
  • die Ausgangsbasis als Vergleich für zukünftige Messungen korrekt dokumentiert wird.

In Zeiten knapper Budgets kann dies zu einer echten Herausforderung für das Labor werden, insbesondere wenn die Messtechnik aus den gleichen Mitteln finanziert werden muss, wie die Laserquellen selbst. Es geht darum, kostengünstige, einfach handhabbare und effiziente Messtechnik zu finden, deren Ergebnisse von allen Seiten anerkannt werden.

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Industrielle Lasersysteme mit sehr hohen Leistungen sind wertvolle Werkzeuge in der Materialverarbeitung. Ihre Spitzenleistung dauerhaft zu erhalten und den Prozess damit zu optimieren, maximiert den Durchsatz, reduziert die Stillstandzeiten und spart damit bares Geld. Erzielt werden kann dies nur, wenn die wesentlichen Kenngrößen des gesamten Systems ‒ darunter seine Ausgangsleistung, die Fokusgröße und die Fokuslage ‒ regelmäßig gemessen und langfristig überprüft werden.

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Dick Rieley, Regionaler Vertriebsleiter Ostküste USA, Ophir Photonics und Christian Dini, Geschäftsführer Ophir Spiricon Europe GmbH

„Messen statt hoffen“ spart Zeit und Geld bei der Wärmebehandlung von Stahl mittels Laserstrahlung

In den vergangenen Jahren setzte sich die Lasertechnik bei der wärmeinduzierten Oberflächenbehandlung von hochlegierten Stählen immer mehr durch. Sie löste in vielen Anwendungen große Öfen ab, in denen die kompletten Maschinenkomponenten erhitzt werden mussten. Die Vorteile der Laser liegen klar auf der Hand: Bauteile lassen sich damit – sowohl hinsichtlich der Fläche als auch der Eindringtiefe – sehr definiert bearbeiten. Dadurch wird insgesamt wesentlich weniger Energie aufgewendet und die Materialeigenschaften können individuell festgelegt werden. Um sich die positiven Aspekte dieser Bearbeitungsmethode langfristig zu sichern, sollte man allerdings das Strahlprofil regelmäßig überprüfen. Was es dabei zu beachten gilt und warum diese Messungen Kosten in signifikanter Höhe einsparen, zeigt das folgende Anwendungsbeispiel aus der Fertigung von Lokomotivmotoren.

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Von Dick Rieley, regionaler Vertriebsmanager Mittelatlantik, Ophir-Spiricon LLC

Ein Hersteller musste Dioden profilieren und messen, die eine CW-Quelle mit 1300 nm in Zehntel mW produzieren. Die Überprüfung musste in Sekunden mit höchster Genauigkeit und Wiederholbarkeit erfolgen, da 100% Überprüfung angegeben war, um das vom Kunden benötigte Qualitätsniveau zu gewährleisten. Da diese Komponente ein Grundelement des Endprodukts war, konnte, falls in dieser Phase Defekte ermittelt werden konnten, bedeutende Einsparungen bei Ausschussprodukten erzielt werden gegenüber dem Versuch, Endprodukte zu überarbeiten.

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Von Allen Cary, Marketing-Direktor, Ophir Photonics Gruppe (USA)

Personen, die mit Lasern arbeiten, versuchen etwas mit dem Lichtstrahl zu machen, entweder dem Rohstrahl oder häufiger optisch modifiziert. Ob er nun ein Etikett auf ein Teil druckt, eine präzise Verbindung schweißt oder eine Netzhaut repariert, es ist wichtig, die Art des Laserstrahls und seine Leistungsfähigkeit zu verstehen. Laserstrahl-Charakterisierungsgeräte bieten die Werkzeuge, um genau zu erfahren, was der Laserstrahl am Arbeitsstandort macht und ob die Optik die gewünschte Auswirkung hat.

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Von John McCauley, Vertriebsmanager mittlerer Westen, Ophir-Spiricon, LLC

Wir begannen mit einer Lasermesswerterfassung mit dem 10-kW-Sensor und einer Juno USB-Schnittstelle zu einem lokalen PC. Dieser spezielle Sensor hat einen beschädigten Spot auf dem Thermosäulenelement, weshalb ich nicht sicher war, ob es uns genaue Messwerte lieferte. Hier waren jedoch die aufgezeichneten Leistungsmesswerte:

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Von Dick Rieley, Vertriebsmanager Mittelatlantik, Ophir Photonics Gruppe

Ein Hersteller wurde gebeten, eine große Menge geformter Geräte mit einem Loch der Größe <100 um in der Mitte zu produzieren, durch das bei der Endmontage eine spezifische Menge Material hindurchgeht. Da das Produkt nicht getestet werden kann, bis es vollständig aufgebaut ist, muss jedes Gerät mit der falschen Lochgröße zurückgewiesen und überarbeitet werden, wodurch die Produktivität abnimmt. In der Lage zu sein, annehmbare von unannehmbaren Geräten zu trennen und diese vor der Endmontage zu prüfen, kann eine deutliche Kosteneinsparung bedeuten.

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Von Allen Cary, Marketingleiter, Ophir-Spiricon

Der 1780 ModeScan bestimmt M2 und andere Strahlpropagationsparameter eines Lasers in Echtzeit. Traditionell wurden diese Lasermessungen durchgeführt, indem der Laserstrahl durch eine Linse geschickt und die sich ergebende Strahlquerschnittkaustik gemessen wird. Dies geschieht, indem ein Strahlprofilmessgerät oder interne Spiegel entlang des Strahlgangs bewegt werden. Eine Strahlgrößenmessung wird jedem Profilmessgerät bzw. jedem Spiegelstandort vorgenommen. Es dauert normalerweise 30 Sekunden bis zu ein paar Minuten, um auf diese Weise Ergebnisse zu erzielen. Dies erfordert bewegliche teile innerhalb des M2-Lasermess-systems, die im Laufe der Zeit verschleißen.

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Von Dick Rieley, regionaler Vertriebsmanager Mittelatlantik und Südosten, Ophir-Spiricon, LLC

Bei der Installation eines neuen Laserbearbeitungsgeräts ist es erforderlich, die Leistung des Lasersystems zu testen und zu verifizieren, um zu gewährleisten, dass es die Spezifikationen erfüllt. Sich lediglich auf die Testergebnisse des Lasers vor dem Versand zu verlassen, reicht nicht aus – Versand- und Handhabungsprobleme sowie Neuinstallationen können alle die letztendliche Leistung des Geräts beeinflussen. Aus diesen Gründen ist ein Test des einmal für die Herstellung aufgestellte Gerät wichtig und ausschlaggebend für das Vertrauen darin, dass die angedachte Anwendung die Spezifikationen erfüllt oder übertrifft.

Bei der Installation eines Lichtleitfasersystems ist die Überprüfung der Qualität des gelieferten Strahls wichtig. Die Strahlqualität kann an den Kopplungen geprüft und über die Optik verifiziert werden. Aber nur wenn der letztendliche Strahl auf die Arbeitsoberfläche auftrifft, kann der kombinierte Effekt dieser variablen erkannt und validiert werden.

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Von Dan Ford, regionaler Vertriebsingenieur im Südwesten, Ophir Photonics Gruppe

In dieser Anwendung stellt unser Kunde Codierer her, die LEDs (lichtemittierende Dioden) mit angefügter Kollimatorlinse integriert. Die LEDs produzieren zwischen 850 nm und 880 nm bei 2 mW bis 15 mW, die Laserstrahlgrößen reichen von ¼” bis ½”. Bisher wurde ein Laserleistungsmessgerät zur Verifizierung der Abgabeleistung verwendet. Durch Bestrahlen des Millimeterpapiers mit einem Laserstrahl wird die Strahlgröße visuell verifiziert.

Die Anwendung dient der Konzeption eines kostengünstigen Prüfverfahrens, das Daten aus eingehenden LEDs für die Strahlqualität ausführlich beschreibt und aufzeichnet.

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Von Chuck Reagan, Vertriebsingenieur, Ophir-Spiricon

Moderne Flugzeuge werden aus Werkstoffen hergestellt, die frühen Flugpionieren unbekannt waren. Diese neuen Materialien erfordern durchdachte Prüf- und Reparaturverfahren. Andere Prüftechnologien sind oft nicht in der Lage, die Integrität einiger Verbundstrukturen zu testen und zu verifizieren. Deshalb haben sich Luftfahrzeugbetreiber, Hersteller und Regierungsbehörden sehr darum bemüht, annehmbare Technologien zur Überprüfung der Flugzeuge der neuen Generation zu finden und Sicherheit für Fluggäste und Fracht, die in Länder rund um die Welt fliegen, zu gewährleisten.

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Von Jeffrey L. Guttman, PhD, Leiter Technik, Ophir-Spiricon, LLC

Diese Anwendung soll für die Messung der Divergenzwinkel individueller optischer Fasern Orientierung bieten. Dies gilt auch für andere abweichende Quellen wie etwa Laserdioden oder LEDs. Die Messung der Abweichung solcher Quellen kann entweder mit der goniometrischen Strahlungsmessgerät oder NanoScan Produktfamilie vorgenommen werden. Die Genauigkeit und die Details der Messung hängen von der Divergenz und dem eingesetzten Instrument ab.

Im Allgemeinen liefern goniometrische Strahlungsmessgeräte die genauesten Messungen und bieten direkte, rechtwinklige Profile mit einem effektiven rechtwinkligen Scan bei einem konstanten Radius in einem Bereich von bis zu ±72° für den LD 8900 und den LD 8900R und bis zu ±90° für den LD 8900HDR. Sie bieten auch einen sphärischen Aperturblenden-Scan in 3D der Strahlungsintensität.

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Von Dick Rieley. Vertriebsmanager: Mittelatlantische Region Ophir-Spiricon LLC

Die wettbewerbsorientierte Herstellung von Solarzellen wird überwiegend vom Null-Fehler-Ansatz der Hochgeschwindigkeitsautomatisierung beeinflusst. Zu diesem Zweck wurden YAG-Laser für die präzise Laserstrukturierung der Module in Anspruch genommen. Sobald die verschiedenen Schichten der photovoltaischen Materialien auf das Glas laminiert wurden, muss der Laser eine Reihe von Kanälen strukturieren, die schließlich die individuellen Spannung erzeugenden Zellen bilden.

Qualität, Form, Größe und Intensität des Laser müssen genau überwacht und kontrolliert werden, damit dieses Verfahren eine Solarzelle herstellt, welche die Spezifikationen und Kostenanforderungen erfüllt. Es gibt zwei Variablen, wenn ein Laser zum Strukturieren eingesetzt wird, der überwacht und kontrolliert werden muss: die Intensität oder Energie des Strahls und die Größe und Form des Laserstrahls.

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

Dem amerikanischen Autor, Ingenieur, Unternehmer und Berater für Leistungsverbesserung, H. James Harrington, wird folgender Ausspruch zugeschrieben: „Messen ist der erste Schritt, der zu Kontrolle und schließlich zu Verbesserung führt. Wenn man etwas nicht messen kann, kann man es nicht verstehen. Wenn man etwas nicht verstehen kann, kann man es nicht kontrollieren. Wenn man etwas nicht kontrollieren kann, kann man es nicht verbessern.“

Obwohl Harrington speziell über die Verbesserung der Qualität der persönlichen Arbeitsleistung sprach, gilt dasselbe für die Wartung eines Qualitätslaserverfahrens.

Die Messung eines Lasers besteht normalerweise aus einer quantitativen Messung mit einem Leistungs- oder Energiemess-System oder einer qualitativen Messung mit einem Strahlprofilmessgerät. Die Strahlprofilmessung kann als Verwendung eines Geräts - etwa einer Kamera, eines Scanning-Slit-Messgeräts oder eines anderen Geräts zur Abbildung eines Laserstrahls oder Strahlbeispiels - das dieses Bildgebungsgerät mit einem PC verbindet und dieses Bild mit einer Strahlanalysesoftware analysiert. Die aus einem Strahlprofil erlangten Bilder können auf verschiedene Arten verwendet werden.

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Von Allen Cary, Marketingleiter, Ophir-Spiricon LLC

Hochleistung ist ein recht schwammiger Begriff, der in verschiedenen Kontexten verschiedene Bedeutungen hat. Hochleistungslaserstrahlen werden mithilfe von reflektierenden Materialien gehandhabt, wobei das Reflexionsvermögen von der Wellenlänge des Laserlichts abhängt.

Definition von „Hochleistung“
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.

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von Dick Rieley, Vertriebsmanager, mittelatlantische Region, Ophir-Spiricon Inc.

Eine der Anlagen eines Solarzellenherstellers produziert ungefähr 1000 Module pro Schicht. Jedes Modul ist etwa 0,45 m x 1,22 m groß und erzeugt 60 W. Die Produktion kostet $2 pro Modul und ist eine der niedrigsten in der Branche.

Im Herstellungsverfahren werden Strukturierungslaser mit 532 nm und 1064 nm eingesetzt, meistens 30-W-Systeme. Jedes Modul wird während des Vorgangs von beiden Wellenlängen strukturiert. Durch das Design wird jedes Modul auf einem X-Y-Tisch platziert und unter einem festen Stahlbügel mit mindestens vier Strahlen, die gleichzeitig vier Linien strukturieren, vor und zurück geschoben. Am Ende hat das Modul eine Reihe von Spannungsstreifen, die jeweils etwa 2,45 cm breit und über die gesamte Modullänge zu finden sind.

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p>Laserschweißsystem

 

  • Nd:YAG-Laser
  • 1064 nm
  • 300 mJ pro Impuls
  • 1,5 ms Impulsdauer
  • Doppelimpuls-Laserschweißprozess,. 0,2 Sek. trennen jeden Impuls
  • Strahlgröße nominell 150-200 Mikronen (zweiter Moment) am Fokus
  • Strahlfokus ungefähr 45 mm von Laserfokussierlinse entfernt

Laserstrahlprofilmessgerät von Spiricon

  • BeamGage Professional
  • Kamera SP620U
  • LBS-300-NIR mit einer Linse von -50 mm Brennweite bei der Eingabe

Ergebnisse Das Profilmessgerät wurde an der ungefähren Stelle des vertikalen Strahl positioniert und die LBS-300--Schieber waren auf maximale Abschwächung eingestellt. Sobald schwache Geisterbilder des Profils gefunden wurden, wurde die Strahlabschwächung auf den dynamischen Bereich der Kamera SP620 reduziert.

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Ergebnisse
Es sind zwei Screenshots von einem kürzlich durchgeführten Test mit dem Gerät ModeCheck von Ophir-Spiricon inbegriffen.

Die Screenshots unten zeigen einen Vergleich einer II-VI MP5-Linse und einer Ophir Optics Black Magic-Linse.

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Lasersystem
Faserlaserquelle

  • 1070nm
  • 600μm Faser
  • CW
  • 1 KW max. Durchschnittsleistung

5-achsige Bewegung
Klasse 1 Arbeitsstation
125 mm Fokussierlinse

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

Einführung
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 pW-Bereich abschwächen, sodass auch keine Sättigung des Detektors auftritt. Leider führt solch eine Abschwächung häufig 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. Dieses Phänomen kann 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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Lasersystem

  • Faserquelle:
  • 1070 nm
  • 400 µm Spot / Faser
  • CW
  • 4 kW max. Durchschnittsleistung
  • Schweißkopf von Precitech
  • 5-Grad-Winkel
  • Fokussierlinse mit 300 mm
  • X-,Y- und Z-Bewegungsregelung
  • Offene Klasse 1 Arbeitsstation
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Eine der neueren Entwicklungen in der Photonikbranche ist der schnelle Anstieg automatisierter Herstellungsanlagen für Solarmodule.1 Viele dieser kompletten Produktionsanlagen setzen laserbasierte Methoden zur Herstellung von Photovoltaikmodulen mit Dünnschichtsilikon ein. Die hierzu verwendeten Laser sind im Allgemeinen diodengepumpte Festkörperlaser bei 1064 nm, 532 nm und 355 nm mit Strahlen, die auf ungefähr 30 μm fokussiert sind. Sie werden mit Leistungen oder Energien3 betrieben, die, obwohl nicht extrem hoch, hohe Leistungs-und Energiedichten bei diesen kleinen Strahldurchmessern haben. Die häufig eingesetzten Techniken erfordern oft mehrere parallel laufende Strahlen für präzise Zuschnitte, um die Abschnitte der Photovoltaikplatten elektrisch zu isolieren. Um ihren gleichförmigen Zuschnitt zu gewährleisten, ist es wichtig, die Strahlprofile zu messen.

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Viele Kräfte treiben die Miniaturisierung der optischen Komponententechnologie voran. Die Integration optischer Komponenten in kleinere Pakete soll Größenangaben, Einfügungsdämpfung und Herstellungskosten verringern. Viele ambitionierte Geschäftspläne basieren auf dieser integrierten Technologie der Massenherstellungsverfahren wie jenen in der Halbleitertechnik entgegen zu kommen scheint. Es müssen jedoch zahlreiche technische Hürden genommen werden, bis dieser heilige Gral erlangt werden kann.

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

Dieses Jahr feiern wir den 50. Geburtstag des Lasers. Laser haben gezeigt, dass sie zu den vielversprechendsten Technologien gehören. Es gibt aber noch Luft nach oben. Mit dem Fortschritt entstehen komplexere und „fokussiertere“ (kein Wortspiel beabsichtigt) Laseranwendungen. In einigen Fällen, speziell in industriellen Laserverfahren, gelangt man an den Punkt, an dem Endbenutzer -- ob das nun der Verfahrensingenieur, das Personal der Qualitätssicherung oder der Wartungstechniker ist -- immer mehr Zeit darin investieren muss, die Lasertechnologien genau zu betrachten um zu verstehen, wie Laser angewendet werden. Unternehmen, die Laserstrahl-Charakterisierungsprodukte anbieten, entwickeln diese Technologien auch eifrig weiter, damit sie weiterhin die bestmöglichen realen Lösungen anbieten können.

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Von Todd Jacobson, technischer Berater, Laser Maintenance Group, Corp.

Wenn Sie lang genug im Bereich Laserschneiden gearbeitet haben, haben Sie irgendwann einen dieser Tage an dem der Laser, egal was Sie auch machen, Ihre Teile nicht sauber schneidet...wenn überhaupt. Die Bediener und das Wartungspersonal überprüfen und verifizieren all die üblichen Problembereiche und kommen schließlich zu dem Ergebnis, dass alles richtig aussieht, richtig misst und richtig erscheint.

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Dick Rieley, Vertriebsmanager, Mittelatlantik und südöstliche Regionen, Ophir‐Spiricon LLC

Die Grüne Bewegung ermutigt zur Nutzung energiesparender Technologien wie etwa Solarzellen. Diese Technologie wird aufgrund ihrer geringen Kapitalrendite nur zögerlich angenommen. Dies ist mit der Herausforderung der Effizienz des verwendeten Materials gekoppelt. Die Verringerung der Herstellungskosten für Solarzellen wird überwiegend von der Herstellungseffizienz sowie der Art des verwendeten photovoltaischen Materials beeinflusst. Die Herstellungseffizienz wurde durch nahezu voll automatisierte Hochgeschwindigkeitsproduktionsverfahren von der Handhabung der Module und dem Materialauftrag bis zur Endverpackung angegangen. Der Einsatz kostengünstiger photovoltaischer Materialien stellt jedoch ein wirkliches Dilemma dar. Die kostengünstigeren Beschichtungsmaterialien sind nicht so effizient, wohingegen die effizienteren Materialien mehr kosten und krebserregende Elemente enthalten können, die staatlich kontrolliert werden.

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Von Stan Thomas, University of Utah – Abteilung Physik Thomas@physics.utah.edu

Das Teleskop-Array-Projekt (http://www.telescopearray.org/) ist ein Experiment zur Untersuchung ultraenergetischer kosmischer Strahlen in der Nähe von Delta, Utah (USA). Diese kosmischen Strahlen sind ultraenergetische Teilchen, die auf die obere Atmosphäre treffen Das ursprüngliche Teilchen erzeugt eine Kaskade von Millionen Tochterteilchen, die schließlich den Boden erreichen.

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Eine der neueren Entwicklungen in der Photonikbranche ist dir schnelle Verbreitung automatisierter Herstellungsanlagen für Solarmodule1. Viele dieser kompletten Produktionsanlagen setzen laserbasierte Methoden zur Herstellung von Photovoltaikmodulen mit Dünnschichtsilizium ein. Die hierzu verwendeten Laser sind im Allgemeinen diodengepumpte Festkörperlaser bei 1064 nm, 532 nm und 355 nm mit Strahlen, die auf ungefähr 30 μm fokussiert sind2. Sie werden mit Leistungen oder Energien3betrieben, die, obwohl nicht extrem hoch, hohe Leistungs-und Energiedichten bei diesen geringen Strahldurchmessern erreichen. Die häufig eingesetzten Techniken erfordern oft mehrere parallel laufende Strahlen für präzise Zuschnitte, um die Abschnitte der Photovoltaikplatten elektrisch zu isolieren. Um ihren gleichförmigen Zuschnitt zu gewährleisten, ist es wichtig, die Strahlprofile zu messen.

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von Dan Little, Technischer Direktor, Laser Training Institute, Professional Medical Education Association, Inc.

Weltweit hat die Medizinbranche tausende von Lasern in ihrem medizinischen Portfolio. Bei Behandlungen von Lasik-Augenoperationen bis zu kosmetischer Hautglättung kommen Laser mit Wellenlängen vom UV- bis zum Fern-Infrarot-Bereich zum Einsatz. Wellenlängen im sichtbaren Bereich werden in der Dermatologie und Augenheilkunde verwendet, um dort gezielt bestimmte komplementärfarbige Chromophore zu behandeln. Die Laserleistung- und energie wird über Fasern verschiedenster Durchmesser, Gelenkarme, Fokussierhandstücke, Scanner, Mikromanipulatoren etc.übertragen. Die Menge der Variablen stellen das für die medizinischen Laser zuständige Fachpersonal vor eine Vielzahl von Problemen bei der Messung der Laser.

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von Chuck Reagan, Southeast Sales Manager, Ophir-Spiricon Inc.

Was passiert, wenn die Leistungsdaten des neuen Lasers Ihrer Firma nicht mit den Spezifikationen übereinstimmen und Ihre besten Kunden wochenlang auf ihre Lieferung warten müssen? Schickt der Hersteller regelmäßig einen Servicetechniker, um eventuelle Problem zu erkennen? Was geschieht, wenn der Hersteller endlich seine geschulten Techniker geschickt hat, aber immer noch nicht klar ist, wo der Fehler liegt? Fordern Sie den vollen Kaufpreis zurück, wenn der Laser nicht korrekt funktioniert und die Wochen ins Land ziehen? Was, wenn Sie ein Vermögen in Anschaffung, Einrichtung, Schulung und Arbeit investiert haben, weil Sie dachten, Sie hätten das beste auf dem Markt erhältliche Gerät erworben?

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Problem: Was passiert, wenn die Leistungsdaten des neuen Lasers Ihrer Firma nicht mit den Spezifikationen übereinstimmen und Ihre besten Kunden wochenlang auf ihre Lieferung warten müssen? Schickt der Hersteller regelmäßig einen Servicetechniker, um eventuelle Problem zu erkennen? Was geschieht, wenn der Hersteller endlich seine geschulten Techniker geschickt hat, aber immer noch nicht klar ist, wo der Fehler liegt? Fordern Sie den vollen Kaufpreis zurück, wenn der Laser nicht korrekt funktioniert und die Wochen ins Land ziehen? Was, wenn Sie ein Vermögen in Anschaffung, Einrichtung, Schulung und Arbeit investiert haben, weil Sie dachten, Sie hätten das beste auf dem Markt erhältliche Gerät erworben?

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von Simon L. Engel, Präsident, HDE Technologies, Inc., und Technischer Direktor, Laser Welding Certification Program, University of Wisconsin, Madison

Die im Titel dieses Artikels genannten Geschäftsziele gelten für alle Fertigungsarten und die Laser-gestützte Fertigung ist da keine Ausnahme. In den letzte Jahren kamen neue Werkzeuge auf den Markt, mit denen die Laser-gestützen Fertigungsprozesse optimiert und gleichzeitig die aktuell geltenden ISO und AWS Standards eingehalten werden können. Damit tragen diese Werkszeuge dazu bei, die Wettbewerbsfähigkeit der Hersteller auf den Märkten in USA und der ganzen Welt zu sichern.

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von Larry Green Etienne Friedrich

Die Mission EarthCARE (Earth Clouds, Aerosols and Radiation Explorer) ist ein Europäisch-Japanisches Gemeinschaftsprojekt zum besseren Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Wolken und Strahlungs- bzw. Aerosol-Prozessen und deren Einfluss auf die Klimaregulierung. Hier ein Bericht von Enzo Nava, Leiter der Elektrooptischen Abteilung bei CESI: “Wir mussten einen experimentellen Prototypen entwickeln, um den LIDAR (ATLID) Lasertransmitter in der Atmosphäre betreiben zu können. In diesem Fall haben wir ein gepumptes Nd:YAG MOPA Lasersystem mit Frequenzverdreifachung und 355 nm Wellenlänge entwickelt.

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Die Herstellung von Acryl-„Mode Burns“ ist ein aufwändiges Verfahren, bei dem giftige Dämpfe entstehen und das bestenfalls grobe Annäherungswerte zu Strahlprofil und -breite liefert. In einigen Fällen kann diese Methode nicht verwendet werden, da wichtige Strahldetails nicht abgebildet werden. Die elektronische Strahlprofilmessung ist eine unkomplizierte und kostengünstige Alternative. In diesem Beitrag werden die beiden Methoden verglichen.

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CCD-Kameras werden häufig in der Bilddatenerfassung und in optischen Messgeräten eingesetzt. Diese Kameras sind hervorragend für Bilderfassung und Laserstrahlanalyse geeignet. Es gibt allerdings auch zwei Faktoren, die die Leistungsfähigkeit von CCD-Kameras einschränken. Der erste Faktor ist die Kennlinienverschiebung der Kamera. Wenn die Kennlinie unter den Nullpunkt des Framegrabbers abfällt, geht die Hintergrundinformation verloren und kann nicht wiederhergestellt werden. Verschiebt sich die Kennlinie über den Nullpunkt des Framegrabbers, werden verfälschte Hintergrundinformationen zum Bild hinzugefügt. Diese verfälschten Hintergrundinformationen lassen sich teilweise korrigieren, indem man eine Aufnahme nur des „leeren“ Hintergrundes macht und die Bildinformationen dieser Aufnahme von den aufgezeichneten Einzelbildern abzieht. (Die Aussage „teilweise korrigieren“ wird später noch genauer erklärt.) Die zweite negative Eigenschaft von CCD-Kameras ist das starke Hintergrundrauschen. Von den 256 Werten, die eine durchschnittliche 8-Bit-CCD-Kamera erfassen kann, haben etwa 2 bis 6 Werte Hintergrundrauschen in der Kennlinie. Es handelt sich normalerweise um Gauß'sches Rauschen, das sowohl im negativen als auch im positiven Bereich mittlere Kennlinienwerte erreicht. Bei normaler Kennliniensubtraktion wird das negative Rauschen unterdrückt, sodass nur positive Bildanteile übrig bleiben. Diese fehlenden Rauschanteile können die Genauigkeit der Messergebnisse beeinträchtigen, da diese von einem konstanten niedrigen Hintergrundsignal abhängt. In manchen Messsituationen fallen Kennlinienverschiebung und fehlende negative Rauschanteile stark ins Gewicht. In der Bildbearbeitung ist es beispielsweise sehr schwierig, Elemente mit sehr geringem Kontrastunterschied auseinander zu halten, wenn der Kontrast durch fehlende Rauschanteile beeinträchtigt ist. Bei Strahlbreitenmessung von Laserstrahlen müssen Signale von sehr geringer Intensität über die gesamte Strahlbreite analysiert werden können. Da hier über eine große Fläche sehr schwache Signale erfasst werden müssen, können bereits geringe Verzerrungen zu erheblichen Messfehlern führen. Die Auswirkungen einer fehlerhaften Kennlinie sind bei der Messung des Strahldurchmessers besonders drastisch. Diese Messung ist von hoher Wichtigkeit, weil sie den Strahldurchmesser am Messpunkt bestimmt, für die Messung der Divergenz gebraucht wird und auch für eine realistische M2-Messung unabdingbar ist, die das absolute Qualitätskriterium für einen Laserstrahl darstellt. Eine Messung des Strahldurchmessers, die so genannte 2. Momenten Methode oder D4 , die ISO-Definition des wahren Strahldurchmessers, ist besonders empfindlich für Rauschen in der Kennlinie. Bei der D4 Messmethode werden alle Signale der gesamten Strahlbreite mit einbezogen, wobei Rauschen und Signal an den Strahlflanken eine besondere Wichtigkeit zukommt. Ohne die negativen Rauschanteile und spezielle Algorithmen, die das Rauschen an den Strahlseiten vermindern, ist diese Art der Messung nicht möglich.

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Grund Nr. 1 Sie spart Geld!

Grund Nr. 2 Sie hilft, Laserforschung genauer und zuverlässiger zu machen.

Grund Nr. 3 Sie macht die Entwicklung besserer Laser möglich.

Warum das Spiricon LBA-100A einsetzen und nicht ein Gerät eines anderen Herstellers?

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Anwendungen der Laserstrahlanalyse in der Industrie

Einer der Spiricon Verkaufsingenieure hatte vor kurzem Gelegenheit, den LBA-100A Laserstrahlanalysator an einem YAG-Industrielaser zu demonstrieren. Bei diesem Kunden werden 10 YAG-Laser zum Schneiden und Schweißen eingesetzt. Bei zwei Lasern traten inakzeptable Schwankungen bei der Schnittqualität auf und der Kunde wollte wissen, ob mit dem LBA-100A eine Verbesserung der Strahlqualität erreicht werden könnte. Hier der Bericht über die Demonstration:
„Wir haben den Strahl hinter dem Fokuspunkt gemessen, wo er sich zu einem Durchmesser von etwa 0,635 cm aufweitete. Die Messsituation war hervorragend. Bei einem der betroffenen Laser konnte man feststellen, dass die Gauß'sche Verteilung an einer Seite abgeschnitten war. Obwohl der Strahl im IR-Viewer gleichförmig aussah und Tests mit Papier fast vollkommen runde Schnittmuster ergaben, zeigte die Messung mit dem LBA-100A doch deutliche Probleme. An einem Vergleichslaser mit guter Schnittqualität ergab die Analyse einen völlig gleichförmigen Strahl mit fast Gauß'scher Verteilung.“

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Den meisten Ingenieuren, die sich mit Lasertechnik befassen, sind Begriffe wie Strahlbreite, Strahlposition, Ablenkungswinkel und Gauß-Fit, mit denen ein Laserstrahl beschrieben werden kann, geläufig. Mit dem M2-Wert lässt sich die Fokussierbarkeit eines Laserstrahls in einem Zahlenwert ausdrücken. Sie gibt an, wie nahe ein Strahl einem perfekten Gauß'schen Grundmode-Strahl ist und kann daher benutzt werden, um die Eigenschaften des Fokuspunktes vorherzusagen.

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Mit immer spezielleren Anwendungsgebieten steigen auch die Anforderungen an die Strahlqualität. Die traditionellen Methoden der Strahlprofilmessung, wie z.B. burn spots, mode burns oder Betrachtung des reflektierten Strahls, sind für die Bestimmung der Strahlqualität für heutige Anwendungen völlig unzureichend. Tatsächlich wird die Qualität der Laser immer besser. Dies ist zum Großteil den elektronischen Strahlprofil Messgeräten zu verdanken. Diese Messgeräte ermöglichen eine direkte Beurteilung des Strahlprofils und damit eine signifikant viel bessere Optimierung der Laserqualität. Außerdem ist mit elektronischen Strahlprofil Messgeräten eine viel genauere Quantifizierung der Strahleigenschaften möglich. Mithilfe dieser genauen Messwerte können Entwickler die Eigenschaften der Laser viel umfassender beeinflussen als bisher. Es wird über neue Algorithmen zur Quantifizierung der Strahleigenschaften sowie über die Möglichkeiten der Beschleunigung dieser Berechnungen diskutiert. Außerdem hört man von immer mehr Fällen, in denen durch die Analyse des Laserstrahls die Laserleistung deutlich gesteigert werden konnte.

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OLE, October 2006

Die Strahlqualität ist ein wichtiger Faktor für die Rentabilität in der Fertigung eingesetzter Laser. Es reicht nicht mehr aus, das Strahlprofil mit dem Gauß-Fit zu vergleichen, weil das keine Garantie für einen beugungsbegrenzten Strahl ist. Eine Berechnung auf Grundlage des Gauß-Fit kann dazu führen, von Strahleigenschaften ausgegangen wird, die in der Realität nicht existieren. Der Anwender wägt sich also bezüglich der Laserleistung in trügerischer Sicherheit.

Welcher Messwert enthält all diese Informationen? Die Antwort liefert der Propagationsfaktor M2, die die Ausbreitungseigenschaften des gemessenen Strahls mit einem reinen TEM00 Gauß'schen Strahl vergleicht.

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