Lasermessungen sind nicht nur eine Laborübung. In vielen Anwendungen entscheiden sie darüber, ob ein Prozess kontrolliert und wiederholbar ist oder ob er zu sehr von Annahmen abhängt.

In einem Laserdatenblatt steht vielleicht, dass eine Quelle eine bestimmte Leistung oder Pulsenergie erzeugt. Diese Information ist nützlich, entspricht jedoch nicht der Messung des Lasers im realen System unter realen Betriebsbedingungen. In einem medizinischen System, einem Fertigungsprozess, einem wissenschaftlichen Aufbau oder einer industriellen Produktionslinie geht es nicht nur darum, wozu der Laser ausgelegt ist. Die Frage ist, was er tatsächlich in den Prozess einbringt.

Deshalb beginnt die Lasermessung mit einigen Kernbegriffen: Energie, Durchschnittsleistung, Spitzenleistung, Energiedichte und Leistungsdichte. Das Verständnis dieser Begriffe hilft Anwendern, die richtige Messmethode zu wählen, Schäden an Sensoren zu vermeiden und Messergebnisse korrekt zu interpretieren.

Energie: die in einem Puls abgegebene Energiemenge

Bei der Lasermessung gibt die Energie an, wieviel „Arbeit“ (im physikalischen Sinne) der Laserpuls potenziell verrichten kann. Eine gängige Einheit ist das Joule. Ein Joule ist die Energie, die benötigt wird, um die Temperatur von etwa einem Viertel Gramm Wasser um ein Grad Celsius zu erhöhen.

Wenn ein gepulster Laser eine Pulsfolge erzeugt, kann jeder Laserpuls die gleiche Energiemenge enthalten, oder die Energie kann von Puls zu Puls variieren. In einigen Anwendungen ist die Energie jedes einzelnen Pulses von Bedeutung; in diesem Fall ist die Pulsenergie der (oder zumindest einer der) relevante Parameter.

Leistung: die Rate, mit der die Energie fließt

Die Leistung ist etwas anderes. Die Leistung ist die Rate, mit der Energie über einen bestimmten Zeitraum abgegeben wird. Ein Watt entspricht einem Joule pro Sekunde.

Dies gilt sowohl für einen gepulsten Strahl als auch für einen CW-Strahl. Wenn ein Laser einen Puls pro Sekunde erzeugt und jeder Puls ein Joule Energie enthält, beträgt die durchschnittliche Leistung ein Watt. (Beachten Sie: Wenn ein Strahl kontinuierlich statt gepulst ist, können wir nur von Leistung sprechen; wir können nicht von einer festen Energiemenge sprechen, da es nur einen kontinuierlichen Fluss gibt.)

Spitzenleistung: Was im Inneren des Pulses geschieht

Die Spitzenleistung bezieht sich auf die momentane Leistung während des Pulses. Sie ist nicht mit der Durchschnittsleistung gleichzusetzen.

Betrachten wir einen Laser, der einen Puls pro Sekunde erzeugt, wobei jeder ein Joule Energie enthält. Seine Durchschnittsleistung beträgt ein Joule pro Sekunde oder ein Watt. Wenn jedoch jeder Puls nur eine Millisekunde dauert, liefert der Laser während dieser Millisekunde ein Joule pro Millisekunde. Das entspricht einer „Spitzenleistung“ von einem Kilowatt während des Pulses.

Derselbe Laser kann daher Folgendes aufweisen:
– 1 Joule pro Puls
– 1 Watt Durchschnittsleistung
– 1 Kilowatt Spitzenleistung während des Pulses

Diese Unterscheidung mag einfach klingen, verhindert jedoch viel Verwirrung. Ein gepulster Laser kann eine moderate Durchschnittsleistung aufweisen und dennoch während jedes Pulses eine sehr hohe Leistung erzeugen. Diese Größen sind nicht austauschbar. Jede gibt einen anderen Aspekt wieder.

Energiedichte und Leistungsdichte

Energie und Leistung müssen ebenfalls im Zusammenhang mit der Fläche betrachtet werden.

Die Energiedichte ist die auf eine Oberfläche einfallende Energiemenge pro Flächeneinheit und wird häufig in Joule pro Quadratzentimeter angegeben. Die Leistungsdichte ist die auf eine Oberfläche einfallende Leistungsmenge pro Flächeneinheit und wird häufig in Watt pro Quadratzentimeter angegeben.

Dies ist von Bedeutung, da Laserprozesse häufig darauf beruhen, Energie oder Leistung auf einen kleinen Punkt zu konzentrieren. Beim Schneiden, Bohren, Markieren, Schweißen und bei anderen industriellen Prozessen wird unter Umständen absichtlich eine große Menge an Laserenergie auf einen kleinen Bereich fokussiert, um ein Material zu bearbeiten.

Dasselbe Prinzip kann einen Messsensor beschädigen. Ein Strahl, der dafür ausgelegt ist, Metall zu durchbohren, kann auch die Absorberoberfläche eines Sensors beschädigen, wenn er am Brennpunkt gemessen wird. Die Gesamtzahl der Joule mag gleich sein, unabhängig davon, ob der Strahl im Fokus oder leicht außerhalb des Fokus gemessen wird, doch die Energiedichte an der Sensoroberfläche kann sich drastisch unterscheiden.

In der Praxis bedeutet dies, dass ein Sensor häufig außerhalb der Fokusebene positioniert werden sollte, es sei denn, die Messung erfordert ausdrücklich den fokussierten Punkt und der Sensor ist für diese Bedingung ausgelegt.

Zerstörschwelle: die Grenze, die den Sensor schützt

Jedes Sensormaterial hat eine Zerstörschwelle. Dies ist die maximale Energiedichte oder Leistungsdichte, die der Sensor vertragen kann, bevor Schäden auftreten können.

Es gibt zwei wichtige Arten von Grenzwerten:
– Zerstörschwelle der Energiedichte: zu viele Joule pro Quadratzentimeter (auch wenn die Pulse so langsam eintreffen, dass nicht zu viele Watt pro Quadratzentimeter anfallen)
– Zerstörschwelle bei der Leistungsdichte: zu viele Watt pro Quadratzentimeter Ein einzelner Puls kann einen Sensor beschädigen, wenn er auf einen zu kleinen Bereich fokussiert wird; ebenso kann ein CW-Strahl mittlerer Leistung einen Sensor beschädigen, wenn er auf einen zu kleinen Bereich fokussiert wird.

Auch wenn es trivial erscheinen mag, sollte es dennoch erwähnt werden: Ein Strahl mit einer für das jeweilige Sensordesign einfach zu hohen Durchschnittsleistung kann einen Sensor ebenfalls beschädigen – wenn die Wärme nicht schnell genug abgeführt werden kann, steigt die Temperatur im Inneren des Sensors so lange an, bis der Sensor schließlich ausfällt. Wir bezeichnen dies normalerweise nicht als „Zerstörschwelle“ – es handelt sich schlichtweg um eine Beschädigung.

Deshalb lautet die Frage bei der Messung niemals nur „Wie viele Watt?“ oder „Wie viele Joule?“, sondern auch „Auf welcher Fläche?“ und „Unter welchen Belichtungsbedingungen?“”

Warum sind diese Definitionen bei der Auswahl eines Sensors wichtig?

TDer richtige Lasermesssensor hängt davon ab, was gemessen werden soll:

– Durchschnittsleistung
– Energie pro Puls
– Spitzenleistung
– Einzelpulsenergie
– Energie pro Puls in einer wiederholten Pulsfolge
– Strahlposition oder -größe
– Bestrahlungsstärke oder Dosis bei LED-Anwendungen

Dies hängt zudem von der Laserwellenlänge, der Leistungsstufe, der Pulsdauer, der Wiederholungsrate, der Strahlgröße und der am Sensor zu erwartenden Leistungs- oder Energiedichte ab.

Die Auswahl eines Sensors allein anhand eines einzigen Wertes kann dazu führen, dass der Sensor für die Anwendung ungeeignet ist oder – schlimmer noch – während des Betriebs beschädigt wird. Eine vollständige Messdefinition ist der erste Schritt zu einer zuverlässigen Messung.

Abschließender Gedanke

Bei der Lasermessung geht es um Kontrolle. Ein System mag zwar um eine Laserquelle herum konzipiert sein, doch die tatsächliche Leistung muss dennoch überprüft werden. Ganz gleich, ob es sich um eine medizinische, industrielle, wissenschaftliche oder produktionsbezogene Anwendung handelt – die Messung des Strahls hilft Anwendern zu verstehen, was an der Stelle, an der der Laser mit dem Prozess interagiert, tatsächlich geschieht.

Wenn Anwender den Unterschied zwischen Energie, Leistung, Spitzenleistung und Dichte verstehen, sind sie besser in der Lage, den richtigen Messansatz auszuwählen und diesen korrekt anzuwenden.