Einen Sensor zur Lasermessung zu beschädigen, passiert schneller als man denkt.

Eine der frustrierendsten Situationen für jeden, der Laserleistung oder -energie misst, ist die Feststellung, dass ein Sensor beschädigt wurde, obwohl der Laser scheinbar innerhalb der veröffentlichten Spezifikationen des Sensors betrieben wurde.

Was ist also passiert?

Die Antwort lautet: Die Zerstörschwelle wird nicht allein durch die Laserleistung bestimmt. Je nach Sensor und Anwendung können Faktoren wie Leistungsdichte, Energiedichte, Wellenlänge, Bestrahldauer oder Strahleigenschaften Einfluss darauf haben, wie viel Laserstrahlung ein Sensor sicher vertragen kann.

Das Verständnis dieser Faktoren ist entscheidend, um den geeigneten Sensor zu wählen und Ihre Messgeräte zu schützen.

Understanding these factors is essential for selecting the right sensor and protecting your measurement equipment.

Was ist die Zerstörschwelle eines Lasersensors?

Die Zerstörschwelle ist maximal zulässige Laserstrahlung, die ein Sensor aufnehmen kann, bevor seine Messgenauigkeit dauerhaft beeinträchtigt wird oder Schäden entstehen.

Bei den Leistungssensoren von Ophir ist die Zerstörschwelle als der Punkt definiert, an dem sich der Messwert um mindestens 1 % gegenüber dem ursprünglichen Wert ändert, auch wenn dabei nicht unbedingt sichtbare oder physische Schäden erkennbar sind.

Die Angaben zur Zerstörschwelle werden in der Regel in Einheiten wie W/cm² für die durchschnittliche Leistungsdichte oder J/cm² für die Energiedichte ausgedrückt, je nach Art der Messung und des Sensors.

Diese Unterscheidung ist wichtig, da die Gesamtleistung eines Lasers nur einen Teil des Gesamtbildes ausmacht.

Beispielsweise erzeugt dieselbe Laserleistung, wenn sie auf eine kleinere Fläche konzentriert wird, eine höhere Leistungsdichte. Ebenso kann ein gepulster Laser einen Sensor über einen sehr kurzen Zeitraum einer hohen Energiedichte aussetzen.

Warum kann ein Sensor beschädigt werden, wenn der Laser „innerhalb der Spezifikationen“ liegt?

THier wird die Frage nach der Zerstörschwelle komplizierter, als nur einen Wert im Datenblatt zu finden.

1. Die Leistungsdichte ist wichtig

Ein Sensor mag zwar in der Lage sein, eine bestimmte Gesamtlaserleistung zu messen, doch das bedeutet nicht zwangsläufig, dass jeder Strahl, der diese Leistung liefert, sicher ist.

Wird der Strahl stark auf einen kleinen Bereich des Absorbers fokussiert, kann die lokale Leistungsdichte deutlich höher werden.

Mit anderen Worten:

Gesamtleistung ≠ Leistungsdichte

Die Strahlgröße und die Art und Weise, wie die Energie über die Sensoroberfläche verteilt wird, sind daher wichtige Faktoren bei der Entscheidung, ob ein Sensor für eine bestimmte Anwendung geeignet ist.

2. Die Wellenlänge spielt eine Rolle

Sensorabsorber reagieren nicht unbedingt bei jeder Wellenlänge gleich.

Das Schadensverhalten eines Sensors kann daher von der Wellenlänge des zu messenden Lasers abhängen. Dies ist ein Grund, warum die Auswahl eines Sensors allein auf der Grundlage seiner maximalen Nennleistung möglicherweise kein vollständiges Bild liefert.

Der Sensor Finder von Ophir berücksichtigt bei der Berechnung der Sensoreignung Laserparameter wie die Wellenlänge und andere anwendungsspezifische Bedingungen, während ein Datenblatt in der Regel nur eine begrenzte Anzahl repräsentativer Werte enthält.

3. Bestrahldauer zählt

Auch die Dauer der Laserbestrahlung des Sensors kann das Ergebnis beeinflussen.

Thermische Sensoren absorbieren Laserstrahlung und wandeln sie in Wärme um. Die im Laufe der Zeit absorbierte Energiemenge beeinflusst die Temperatur des Sensors, sodass dieselbe Leistungsdichte je nach Bestrahlungsbedingungen unterschiedliche Auswirkungen haben kann.

Dies ist besonders wichtig beim Einsatz von Hochleistungs- oder Langpulslasern.

4. Die durchschnittliche Leistung sagt bei gepulsten Lasern nicht alles aus

Bei gepulsten Anwendungen kann die Energiedichte genauso wichtig sein wie die Durchschnittsleistung.

Ein kurzer Impuls kann in sehr kurzer Zeit eine große Energiemenge auf eine relativ kleine Fläche übertragen. Aus diesem Grund müssen bei gepulsten Laseranwendungen die Impulsenergie, die Impulsdauer, die Wiederholfrequenz, die Strahlgröße und die geeignete Sensortechnik berücksichtigt werden.

Ein Sensor, der für eine bestimmte Dauerstrichanwendung geeignet ist, eignet sich nicht automatisch für jede gepulste Anwendung.

5. Die Zerstörschwelle der Leistungsdichte kann sich mit der Betriebsleistung ändern

Die Zerstörschwelle beschreibt die maximale Leistungsdichte – bzw. bei gepulsten Lasern die Energiedichte –, die ein Absorber sicher vertragen kann, ohne dass seine Leistung beeinträchtigt wird.

Bei thermischen Sensoren ist die maximale sichere Leistungsdichte jedoch nicht unbedingt über den gesamten Leistungsbereich des Sensors hinweg konstant. Mit steigender Gesamtlaserleistung arbeitet der Sensor bei einer höheren Temperatur. Ein heißerer Absorber ist möglicherweise anfälliger für Beschädigungen, sodass derselbe Absorber bei hoher Gesamtleistung eine geringere Leistungsdichte aushalten kann als bei niedrigerer Gesamtleistung.

Das bedeutet, dass beide Werte berücksichtigt werden müssen:

• Gesamtleistung, die die thermische Gesamtbelastung des Sensors beeinflusst

Die Leistungsdichte, die beschreibt, wie stark diese Leistung auf den Absorber

In den MKS Datenblättern der Ophir Sensoren wird die maximale Leistungsdichte-Zerstörschwelle mit der höchsten Leistung angegeben, für die der Sensor ausgelegt ist. Dies bietet einen konservativen und praktischen Anhaltspunkt für den Betrieb über den gesamten spezifizierten Leistungsbereich des Sensors.

Der Sensor Finder kann eine anwendungsspezifischere Bewertung liefern, indem er die tatsächliche Leistung zusammen mit anderen Laserparametern berücksichtigt.

Was ist, wenn das Datenblatt und der Sensor Finder nicht genau denselben Wert angeben?

Ein Datenblatt kann nicht für jede mögliche Kombination aus Gesamtleistung, Wellenlänge, Strahldurchmesser, Belichtungszeit und anderen Betriebsbedingungen einen separaten Wert für die Zerstörschwelle angeben.

Für Ophir Sensoren gibt das Datenblatt die maximale Zerstörschwelle der Leistungsdichte bei der höchsten Nennleistung des Sensors an und liefert damit einen konservativen Richtwert. Der Sensor Finder errechnet aus den vom Benutzer eingegebenen tatsächlichen Laser- und Anwendungsparametern ein anwendungsspezifischeres Ergebnis.

Die beiden Werte stehen daher nicht zwangsläufig im Widerspruch zueinander. Das Datenblatt liefert einen praktischen Anhaltspunkt unter festgelegten Bedingungen, während der Sensor Finder die Bedingungen einer bestimmten Anwendung auswertet. Bei der Auswahl eines Sensors für eine bestimmte Laseranwendung kann die Verwendung der Parameter des tatsächlichen Strahls eine wesentlich aussagekräftigere Bewertung liefern als das Verlassen auf einen einzigen allgemeinen Wert..

Wie groß sollte die Sicherheitsmarge sein?

Selbst wenn Ihre berechneten Betriebsbedingungen unterhalb der Zerstörschwelle liegen, ist es im Allgemeinen ratsam, nicht direkt an der Grenze zu arbeiten.

Als Faustregel empfiehlt MKS, den Betrieb der Ophir Sensoren nach Möglichkeit unter 50 % der Zerstörschwelle zu halten, um einen Spielraum für Schwankungen und Unsicherheiten bei den tatsächlichen Laserbedingungen zu schaffen.

Dies ist besonders wichtig, da Laserstrahlen in der Praxis nicht immer vollkommen gleichmäßig oder stabil sind.

Ein Strahl kann sich während des Betriebs verändern, und die tatsächlichen Bedingungen am Sensor können von den bei der Auswahl des Sensors zugrunde gelegten Annahmen abweichen.

Ein besserer Ansatz zum Sensorschutz

Anstatt zu fragen:

„Liegt meine Laserleistung unter der maximalen Leistung des Sensors?“

sollten Sie fragen:

„Habe ich alle Laserbedingungen berücksichtigt, die die Bestrahlung des Sensors beeinflussen?“

Bevor Sie einen Sensor einem Laser aussetzen, sollten Sie Folgendes berücksichtigen:

• Wellenlänge des Lasers
• Durchschnittliche Leistung
• Spitzenleistung, sofern zutreffend
• Strahldurchmesser
• Leistungsdichte
• Impulsenergie
• Impulsdauer
• Wiederholfrequenz
• Energiedichte
• Belichtungszeit
• Sensortyp und Absorber
• Kühlung und Betriebsbedingungen
• Angemessene Sicherheitsmarge

Je anspruchsvoller die Laseranwendung ist, desto wichtiger wird es, diese Parameter gemeinsam zu berücksichtigen.

Schützen Sie Ihren Sensor, bevor Sie den Laser einschalten

Lasermessungen bedeuten oft, dass ein Messgerät bewusst direkt in den Strahlengang eines leistungsstarken Lasers gebracht wird.

Daher geht es bei der Sensorauswahl um mehr als nur darum, ein Gerät zu finden, das „die Leistung messen“ kann.

Das Ziel besteht darin, sicherzustellen, dass der Sensor die tatsächlichen Eigenschaften des zu messenden Strahls sicher verarbeiten kann.

Und manchmal stellen selbst erfahrene Laseranwender fest, dass die Antwort nicht so einfach ist, wie sie erwartet hatten. Unsere Laserexperten beraten Sie gerne oder zeigen Ihnen vor Ort, worauf es ankommt.