Tutorial
Laserleistung bis 12kW in industriellen Umgebungen messen

CNC-Laseranlagen werden in vielen wettbewerbsintensiven Industrien eingesetzt. Die Anforderungen an die automatisierte Technologie und die Erwartungen an die Qualität der damit produzierten Teile ist sehr hoch. Wer die Produktionsgeschwindigkeit hoch aber gleichzeitig seine Ausschussraten niedrig halten möchte, muss den Laserstrahl kontinuierlich messen. Dabei genügt es nicht, sich alleine auf die Messwerte des im Laser integrierten Messgeräts zu verlassen, da es den nachgelagerten Strahlengang nicht berücksichtigt. Aussagekräftig ist nur die Messung des Laserstrahls, wie er auf das Werkstück auftreffen würde. In der automatisierten Fertigung heißt dies ganz konkret, dass idealerweise während des Be- und Entladeprozesses Leistungsmessungen durchgeführt werden. Sie sollten schnell, aber dafür in kurzen Messabständen erfolgen. Der aus den Messungen ermittelte Trend ermöglicht es Fehler im Vorfeld zu erkennen und zu vermeiden. Allerdings stellt es den Anwender durchaus vor einige Herausforderungen, Hochleistungs-Laserstrahlen in einer Produktionsumgebung zu messen:

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Auf was es bei wassergekühlten Ophir Sensoren wirklich ankommt

Durchflusskonditionen

Ophir Sensoren mit Wasserkühlung wurden zur Messung von hohen Laserleistungen entwickelt, gleichzeitig sind sie sehr kompakt und schnell. Um die korrekte Funktion des Sensors sicherzustellen, müssen sich Durchflussrate, Temperatur und die Temperaturkonstanz des Wassers im vorgegebenen Bereich bewegen. Unsere Empfehlungen basieren dabei auf der Annahme, dass die Wassertemperatur auch bei der maximalen Leistung um nicht mehr als 10 Grad ansteigt. Die Tabelle unten gibt die korrekten Informationen zum Durchfluss bei maximaler Leistung für unterschiedliche Ophir Sensoren an. Hält man sich an die empfohlenen Durchflussmengen, erzielt man die optimale Kühleffizienz im Messkopf und gewährleistet damit auch in Langzeittests unkritische Temperaturbedingungen im Messsystem.

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Optische Signale im Bereich von Femtowatt (10-15) bis Nanowatt (10-9) zu messen, kann eine anspruchsvolle Aufgabe sein. Häufig verlieren sich diese extrem niedrigen Signalstärken im Rauschen der Sensoren oder werden von der Hintergrundbeleuchtung überlagert. Die Rauschebene für Photodioden-Sensoren, die mit einer geringen Bandbreite von (~10 Hz) betrieben werden, liegt im Bereich von einem Picowatt (10-12). Auch eine weitere Verringerung der Bandbreite durch Filtern oder Ausmitteln wird den Rauschpegel nur geringfügig reduzieren. Um den Rauschpegel deutlich zu senken, nutzen wir einen Lock-in-Verstärker. Dieser verbessert die Rauschunterdrückung um drei Größenordnungen oder mehr, die Unterdrückung der Hintergrundsignale liegt sogar um mehrere Größenordnungen über der Rauschunterdrückung.

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Der Dynamikbereich von Strahlprofil-Messgeräten sorgt immer wieder für Verwirrung. Können Sie die Unterschiede in der verwendeten Terminologie - nicht nur bei Ophir, sondern generell bei den entsprechenden Herstellern am Markt - einwandfrei erklären? Lassen Sie uns einen Blick ins Detail werfen:

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Der amerikanische Physiker Theodore Maiman stellte im Mai 1960 den ersten Laser – einen Rubinlaser – fertig und legte damit auch den Grundstein für die Entwicklung von Laserleistungs- und Energiemessgeräten. Da viele der gebräuchlichen Laser konzentrierte Wärme liefern, nutzte man zunächst Methoden der Wärmemessung. Das einfachste Gerät dazu ist ein Thermoelement. Licht hingegen lässt sich mit einer Photodiode einfach messen. Aus diesen Elementen entwickelten Ingenieure Messverfahren für Laserstrahlen. Zur Anzeige der Ergebnisse setzte man zunächst analoge Anzeigegeräte mit einer festen Skala und Nadel ein, die Trends anzeigten. Die absolute Leistung konnte damit allerdings noch nicht präzise ermittelt werden. Heute unterscheidet man grundlegend zwischen thermischen und pyroelektrischen Sensoren sowie Photodioden. Für welche Anwendungen sich diese Verfahren eignen, wie sich einzelne Modelle differenzieren, was die Anzeigegeräte auszeichnet und wohin die Trends gehen, zeigt dieser Beitrag.

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LEDs ersetzen in vielen Industrien traditionelle, breitbandige Lichtquellen wie Quecksilber-, Deuterium-, Xenon- und Halogenleuchten. Dementsprechend werden die Fertigungstechnologien sowie die Anwendungsprodukte u.a. hinsichtlich Optik, Elektronik oder dem Management der Wärmeentwicklung komplett überarbeitet. Simultan wird die Anpassung der Qualitätskontrollen – sprich der eingesetzten Messgeräte - an die LEDs erforderlich. Welche Optionen bieten sich hier und welche lassen sich effizient in den Produktionsprozess integrieren?

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Den geeigneten Sensor zur Messung der Leistung bzw. bei gepulsten Lasern der Energie zu finden, scheint auf den ersten Blick ein einfaches Unterfangen. Häufig wird nur der entsprechende Leistungs- oder Energiemessbereich festgelegt und danach der entsprechende Sensor ausgewählt. Das Risiko, durch diese eindimensionale Betrachtung das Messergebnis zu verfälschen oder die Lebensdauer des Messkopfes zu verringern, ist hoch. Berücksichtigt man hingegen einige grundlegende Parameter, steht einer korrekten Messung nichts im Weg. Sammeln Sie in vier Schritten alle notwendigen Informationen und finden Sie den für Ihre Anwendung optimal geeigneten Messkopf.

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Geringe Leistungen eines Lasers bei geringem Aufwand messen? Bis dato stellte diese Kombination einen Widerspruch in sich dar. In unserem Tutorial erfahren Sie, wie Sie selbst bei extrem niedrigen Leistungen einfach und schnell eine zuverlässige Aussage treffen können.

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Von Dick Rieley, Sales Manager, Mittelatlantik- und südöstliche Regionen, Ophir-Spiricon LLC

Die Auswahl eines Sensors für die genaue Messung der Leistung bzw. Energie eines Lasers mag auf den ersten Blick einfach erscheinen. Oftmals werden bei der Auswahl jedoch nur die Leistungs- bzw. Energiebereiche für den zu messenden Laser berücksichtigt. Andere essenzielle Faktoren werden außer Acht gelassen, was zur Auswahl des falschen Sensors und damit zu ungenauen Messergebnissen sowie häufig zu vorzeitigem Ausfall des Sensors führen kann.

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Wir haben dieses Dokument Ihrer Rücksendung beigelegt, da bei dem von Ihnen zur Kalibrierung eingeschickten Gerät eine Toleranzüberschreitung festgestellt wurde. Dieses Dokument soll unsere geschätzten Kunden bei der richtigen Pflege und Wartung von Ophir Fotodiodensensoren unterstützen. Die folgenden Informationen dienen nur als Anschauungsmaterial. Wenn Sie der Meinung sind, dass ein Sensor nicht mehr innerhalb der ursprünglichen Spezifikationen arbeitet, empfehlen wir, den Sensor einzuschicken, um ihn von unseren ausgebildeten Technikern reparieren bzw. den NIST-Vorgaben entsprechend neu kalibrieren zu lassen.

Wir sind davon überzeugt, dass Ophir Fotodiodensensoren bei bestimmungsgemäßer Verwendung viele Jahre ohne Reparatur verwendet werden können. Bei vielen unserer Kunden sind sogar über zehn Jahre alte Sensoren noch mit dem ursprünglichen Absorber im Einsatz. Wir hoffen, dass Sie mithilfe dieses Dokuments in den Genuss der langen Lebensdauer und der Zuverlässigkeit kommen, für die Ophir-Spiricon bekannt ist.

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Dieses Dokument soll unsere geschätzten Kunden bei der richtigen Pflege und Wartung von Ophir-Spiricon pyroelektrischen Laserleistungssensoren unterstützen. Die folgenden Informationen dienen nur als Anschauungsmaterial. Wenn Sie der Meinung sind, dass ein Sensor nicht mehr innerhalb der ursprünglichen Spezifikationen arbeitet, empfehlen wir, können wir ihn den NIST-Vorgaben entsprechend neu kalibrieren.

Wir sind sicher, dass Ophir pyroelektrische Sensoren bei bestimmungsgemäßer Verwendung viele Jahre ohne Reparatur verwendet werden können. Wir hoffen, dass Sie mithilfe dieses Dokuments in den Genuss der langen Lebensdauer und der Zuverlässigkeit kommen, für die Ophir-Spiricon bekannt ist.

Wir empfehlen, den Sensor einzuschicken, um ihn von unseren ausgebildeten Technikern reparieren zu lassen.

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von Mike Martino, BlackBox Technologies, Juni 2010

Die Prüfung von Laserleistung, Spannung, Stromstärke, Wellenlänge und Temperatur von Hochleistungs-Diodenlasern erfordert sorgfältige Messverfahren. Die einzelnen Parameter des Lasers werden bei der Prüfung ebenso belastet wie bei der tatsächlichen Verwendung des Lasers. Bei manchen CW-Anwendungen wird der Laser bis an die Grenzen der spezifizierten Ausgangsleistung belastet. Es wird daher ein genaues, stabiles Leistungsmessgerät mit geringer Messtoleranz benötigt.

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von Dr. Ephraim Greenfield, CTO, Ophir Optronics
  • Das Problem: Immer größerer Bedarf für noch genauere Messungen
  • Die Lösung: Ständige Verbesserung von Ausrüstung und Verfahren
  • Wie kalibriert man Laserleistung- und energie?
  • Standardmethode: Referenzlaser und Substitutionsverfahren
  • Wie groß ist normalerweise die zu erwartende Genauigkeit?


(Leistungskalibrierung und Wellenlänge nach NIST)

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Die Auswahl eines Sensors für die genaue Messung der Leistung bzw. Energie eines Lasers mag einfach erscheinen. Oftmals werden bei der Auswahl jedoch nur die Leistungs-bzw. Energiebereiche für den zu messenden Laser berücksichtigt. Andere essenzielle Faktoren werden außer Acht gelassen, was zur Auswahl des falschen Sensors und damit zu ungenauen Messergebnissen sowie häufig zu vorzeitigem Ausfall des Sensors führen kann.

Werden einige Schlüsselparameter der Laserquelle berücksichtigt, kann der optimale Sensor bestimmt werden, wodurch bestmögliche Messergebnisse, eine lange Lebensdauer und ein reibungsloser Betrieb garantiert werden.

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Dieses Dokument soll unsere geschätzten Kunden bei der richtigen Pflege und Wartung von Ophir Thermischen Laserleistungssensoren unterstützen. Die folgenden Informationen dienen nur als Anschauungsmaterial. Wenn Sie der Meinung sind, dass ein Sensor nicht mehr innerhalb der ursprünglichen Spezifikationen arbeitet, empfehlen wir, den Sensor einzuschicken, um ihn von unseren ausgebildeten Technikern reparieren bzw. den NIST-Vorgaben entsprechend neu kalibrieren zu lassen. Wir sind sicher, dass Ophir Thermische Sensoren bei bestimmungsgemäßer Verwendung viele Jahre ohne Reparatur verwendet werden können. Wir hoffen, dass Sie mithilfe dieses Dokuments in den Genuss der langen Lebensdauer und der Zuverlässigkeit kommen, für die Ophir-Spiricon bekannt ist.

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Mit Quasar, dem drahtlosen Bluetooth-Interface für Messgeräte für Laserleistungs- und energie, lassen sich komplexe Messaufbauten in bestehenden Fertigungsumgebungen schnell und einfach realisieren, ohne viele Kabel verlegen zu müssen oder den Produktionsablauf zu beeinträchtigen.

Am Beispiel eines kürzlich durchgeführten Projekts wird gezeigt, wie ein typischer Feldeinsatz mit einem Multi-User-System aussehen kann.

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Bei der Messung von Laserleistung- und energie werden die Verbindungskabel zwischen Display und Sensor oft als störend empfunden. Diese Kabel sind nur begrenzt flexibel und nehmen in der Testumgebung viel Platz ein. Wegen ihrer geringen Flexibilität reicht oft schon das Berühren eines Kabels, um die Ausrichtung der Komponenten zu verändern.

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von Dr. Ephraim Greenfield, CTO, Ophir Optronics

In diesem Dokument werden Interpretation und Grundlagen der angegebenen Messgenauigkeit von Ophir Messgeräten für Laserleistung und Laserenergie diskutiert.
1. Allgemeines
2. Kombination von Fehlern und Schwerwiegenden Fehlern
3. Analyse von Fehlern in der Kalibrierung von Leistung und Energie
4. Detaillierte Analyse von Fehlern in der Kalibrierung von Leistung und Energie

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von Dr. Ephraim Greenfield, CTO, Ophir Optronics

Bei den Ophir Fotodiodensensoren kommen Silizium-, Germanium- und InGaAs-Sensoren sowie abnehmbare Filter zum Einsatz. Die Spektrale Empfindlichkeit der verschiedenen Sensortypen variiert je nach Wellenlänge sehr stark. Wenn die Sensoren mit unseren Smart Displays verwendet werden, wird die Empfindlichkeit entsprechend der vom Anwender eingegebenen Laser-Wellenlänge automatisch eingestellt.

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von Yoram Shalev, Sales & Marketing Director, Ophir Optronics, LLC

Mit dem vermehrten Einsatz von Lasern in Medizin und Industrie steigt auch der Bedarf an genauen Leistungs- und Energiemessungen für diese Geräte. Diese Messungen sind zwar nicht sonderlich kompliziert, jedoch komplexer als elektrische Leistungsmessungen. Bei Lasern kommt es auf die Wahl des passenden Sensors an, da es unterschiedliche Sensoren für verschiedene Messungen gibt. Wird ein falscher Sensor verwendet, kann der Laser bei der Messung zerstört werden.

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Von Dr. Ephraim Greenfield, CTO, Ophir Optronics

RP-Sensoren (RP steht für Rapid Pulse – schneller Puls) sind eine spezielle und besondere Art Energiesensoren, die eine wichtige Nische bei der Messung von Laserleistung und Laserenergie besetzen. RP-Sensoren sind ziemlich kostspielig und unhandlich und haben auch sonst einige Einschränkungen, weshalb sie vorzugsweise nur dann eingesetzt werden, wenn ein pyroelektrischer Sensor nicht geeignet ist. Es gibt jedoch Situationen, in denen nur diese Art Energiesensor verwendet werden kann.

Die häufigsten Einsatzbereiche für RP-Sensoren sind folgende:

  1. Sehr große Pulsweiten > 10 ms und sehr lange Einschaltdauer, wie sie bei vielen Anwendungen für gepulste Diodenlaser vorkommen.
  2. Sehr hohe Durchschnittsleistungen von über 50 W bei Dauerimpuls-Lasern.
  3. Wenn sowohl Teilimpulse als auch Leistung und Energie des Lasers gemessen werden sollen.
  4. Wenn ein Laser auf fehlende Pulse überwacht werden soll.
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Von Ilan Haber, Ophir Optronics Ltd

Seit ihrer Erfindung vor über 30 Jahren bestehen Messgeräte für Laserleistung aus zwei Teilen – dem Messkopf und einer Messwertanzeige. Diesen getrennten, mit einem Verbindungskabel verbundenen Aufbau hielt man wegen der Gefährlichkeit der Laserstrahlen für sinnvoll. Durch die Trennung von Messkopf und Messwertanzeige sind in der Regel auch die Augen des Benutzers vor den Laserstrahlen geschützt.

Heutzutage, wo Computer in Büro und Labor nicht mehr wegzudenken sind, ist es wichtig, dass Messgeräte in den Computer integriert werden können. Das gilt besonders für Messgeräte, mit denen große Datenmengen erfasst werden können. Es wird ein Verbindungsstandard benötigt, durch den sichergestellt wird, dass alle Messköpfe und Messwertanzeigen kompatibel miteinander sind und an den PC angeschlossen werden können.

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Von Burt Mooney, Ophir-Spiricon Inc.

Als der erste Laser entwickelt wurde, dachten die Physiker wahrscheinlich „Das ist großartig! Aber wie können wir einen Laser messen?” So begann die Geschichte der Messgeräte für Laserleistung und Laserenergie.

Da Laser Energiequellen mit hoher Wärmedichte sind, nahm man vermutlich an, dass Wärmemessungen am besten für die Lasermessung geeignet seien. Das einfachste Wärmemessgerät ist ein Thermoelement. Eine Fotodiode ist ein einfaches Lichtmessgerät. Also machte sich ein unternehmungslustiger Ingenieur daran, solch ein Messgerät zu konstruieren. Als Nächstes wurde ein Messgerät benötigt, mit dem sich die Messergebnisse anzeigen ließen und das so schnell reagierte, dass es sich für die Justierung, Ausrichtung und Anpassung der Laser einsetzen ließ. Die ersten Anzeigen waren im Grunde analoge Messgeräte mit einer Nadel, die sich mit steigender Laserleistung auf einer Skala von links nach rechts bewegte.

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Von Dr. Ephraim Greenfield, CTO, Ophir Optronics

In diesem Dokument werden Interpretation und Grundlagen der angegebenen Messgenauigkeit von Ophir Messgeräten für Laserleistung und Laserenergie diskutiert.
1. Allgemeines
2. Kombination von Fehlern und Schwerwiegenden Fehlern
3. Analyse von Fehlern in der Kalibrierung von Leistung und Energie
4. Detaillierte Analyse von Fehlern in der Kalibrierung von Leistung und Energie

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Ophir Standard-Leistungs- und Energiemessköpfe basieren auf der „Smart Head“-Technologie. Das bedeutet, alle für Konfiguration und Kalibrierung notwendigen Informationen, sind in einem kleinen Speicherbaustein im Stecker des Messkopfes gespeichert, sodass, sobald der Kopf mit dem Display verbunden wird, die korrekten Leistungs- und Energiewerte gemessen werden. Mit Ausnahme einiger OEM-Köpfe wird diese Technologie bei allen Ophir pyroelektrischen, Fotodioden-, Scannerstrahl- und medizinischen Messköpfen eingesetzt.

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Das wohl wichtigste Merkmal unserer Produkte ist die Kalibrierung. Wir verfügen über ein vollständiges Sortiment von Kalibrierungs-Lasern, sodass wir die vom Kunden gewünschte Wellenlänge immer genau oder hinreichend genau kalibrieren können. Unser Sortiment umfasst Laser mit Leistungen bis 400 W und sowohl CW- als auch gepulste Laser. Zusätzlich verfügen wir über einige Köpfe, die auf Werte des NIST (National Institute of Standards and Technology des Handelsministeriums der USA) geeicht sind. Weiter unten finden Sie eine Liste der Wellenlängen, auf die unsere Standard-Köpfe aus dem Katalog kalibriert sind. Üblicherweise werden für die Kalibrierung repräsentative Wellenlängen aus einem Wellenlängen-Bereich verwendet, in dem der Kopf einen flachen Spektralverlauf besitzt. Die Kalibrierung bezieht sich dann für alle Wellenlängen in diesem Bereich. In den Spezifikationen ist für jeden Wellenlängen-Bereich der maximale Messfehler angegeben, der sich aus der Differenz zwischen den kalibrierten Wellenlängen und den tatsächlich gemessenen Wellenlängen ergibt.

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