Sensor Know-how: Hunderte Messköpfe mit wenigen Anzeigegeräten beherrschen

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.

 

Thermische Sensoren
 Wenn Sie die Ausgangsleistung des Lasers nur messen, um ihn in der Leistung zu optimieren oder die Optiken zu justieren, eignet sich dazu meist ein thermischer Leistungsmesser. Sie sind etwas günstiger als die pyroelektrischen Energiemessgeräte und die dazugehörige Elektronik ist deutlich einfacher. Wenn Sie die Stabilität des Lasers auf Puls-zu-Puls Basis messen möchten, ermöglichen dies pyroelektrische oder ein Silizium-Energiemesser bis zu einer Pulsfrequenz von 20 kHz.
 Grundlagen und Messwerte des thermischen Verfahrens:

  • Temperaturdifferenzen erzeugen eine Spannung an der Verbindung zwischen zwei unterschiedlichen Metallen
  • Breitbandige Spektralempfindlichkeit: von tiefem Ultraviolett bis fernem Infrarot
  • Dynamischer Messbereich von 50 μm bis 120 kW
  • Wird zur Messung der durchschnittlichen Leistung bei Dauerstrich oder gepulsten Laserquellen verwendet
  • Im Einzelpuls-Modus kann auch ein einziger Puls vermessen werden
  • Die Sensorfläche variiert im Bereich von Ø 8 mm bis 200 x 200 mm
  • Thermische Sensoren haben eine Reaktionszeit von nur 1 bis 3 Sekunden

Man unterscheidet zwei Messmethoden:
 
 Axialer Fluss

  • Die Wärme fließt entlang der Achsen, die lange Zeitkonstanten haben ... von Zehntelsekunden bis zu Minuten
     
     Abb. 1: Schaubild Axialer Fluss

Radialer Fluss

  • Die Wärme fließt vom Mittelpunkt zu den Rändern hin, hier sind die Zeitkonstanten kürzer und liegen im Sekundenbereich sofern der Testfläche nicht besonders groß ist
  • Bei thermischen Sensoren mit radialem Fluss wird Gleichspannung erzeugt, sobald die Wärme von heißen zu kalten Verbindungen zwischen zwei ungleichen Metallen fließt
  • Aufgrund der kürzeren Reaktionszeiten nutzen die meisten Unternehmen heute diese Art der Sensoren.
  • Für Leistungen bis 300 Watt bestehen die Trägerscheiben aus Aluminium, Kupfer eignet sich im kW Bereich
     
     Abb. 2: Schaubild Radialer Fluss

 

 

Daraus leiten sich zwei grundlegende Arten von Absorbern ab:
 Oberflächen-Absorber (radialer Fluss)
 Das Laserlicht wird von der Oberfläche des Sensors absorbiert.

  • Optische schwarze Farbe: 500 W/cm2, 50 mJ/cm2 bei 10 Nanosekunden
  • Hitzebeständige Keramik: 26kW/ cm2, 600 mJ/cm2 bei 10 Nanosekunden

 

 

Volumen-Absorber (axialer Fluss)
 Das Laserlicht wird von einem für das relevante Spektrum geeigneten Material in die Tiefe absorbiert und dann auf eine metallische Scheibe weitergeleitet. Typische Laser sind hier Q-switched (gütegeschaltete) Laser mit relativ hoher Energie Nd:YAG, Rubin, Alexandrit und Erbium Laser mit einer Energie größer als 100 mJ.

  • Farbiges Glas: Eignet sich für hohe Spitzenenergien, 10 J/cm2, bei 1064 nm, hat aber eine geringe durchschnittliche Leistungsschwelle von 50 W/cm2
  • Kombination aus Glas/Keramik: Eignet sich gut für hohe Spitzenleistungen und moderate durchschnittliche Leistung

Thermische Sensoren können auf unterschiedliche Art und Weise gekühlt werden:
 
 Abb.3: Luftkühlung(Konvektion)

 

 

 


 Abb.4 : Wasserkühlung

 


 Abb. 5: Ventilatorkühlung

 

Generell sind die Sensoren mit Luftkühlung größer in ihren Abmessungen und nutzen z.B. Lamellen zur Wärmekonvektion, um die Hitze abzuleiten. Werden kleinere Abmessungen benötigt, sollte auf einen Sensor mit eingebautem Ventilator oder einen Sensor mit Wasserkühlung zurückgegriffen werden.
 Um einen spezifischen thermischen Sensor zu wählen, sollte man verschiedene weitere Kenngrößen des Lasers berücksichtigen und diese mit den Daten des Sensors abgleichen:

  • Maximale Leistung
  • Minimale Leistung
  • Strahlgröße
  • Wird ein Oberflächen- oder ein Volumenabsorber benötigt?
  • Gibt es Größenbeschränkungen?

 

 

Pyroelektrische Sensoren
 Pyroelektrische Sensoren werden typischerweise bei allen Arten von gepulsten Lasern verwendet. Sie decken ein breites Wellenlängenspektrum ab, von Röntgenstrahlung bis unter einem Millimeter, damit ist es kein Problem Laser von tiefen UV (z.B. 157 nm) bis zu fernem IR (z.B. 10,6 μm) zu messen. Sie können Einzelpulse und Pulszüge bis zu einer Frequenz von einigen 100 kHz messen.
 Grundlagen und Messwerte bei pyroelektrischen Sensoren:

  • Pyrosensoren reagieren auf den Wechsel von Temperaturänderungen, die Quelle muss gepulst, mit einem Pulsgeber getaktet oder moduliert sein
  • Als Energiemesser entwickelt, verhalten sich ein pyroelektrischer Sensor wie ein Kondensator in der Hinsicht, dass sie Pulse integrieren und eine Wechselspannung erzeugen, deren Spitzenspannung proportional zur Energie des Pulses ist
  • Sehr schnell, bis zu 20 kHz Breitband tiefes UV und Fernes IR
  • Dynamischer Bereich von weniger als μJ bis Joule
  • Ideal zur Messung von „gechoppten“ oder gepulsten Lichtquellen (Laser)
  • Der aktuelle Ausgang des Sensors verhält sich proportional zu der Wechselrate des Eingangssignals.
  • Der Sensor mit dem breitesten Spektralbereich von Röntgenstrahlung bis Millimeter
  • Es können nur Oberflächen-Absorber sein, da Volumen-Absorber die Zeiten verlängern und sich damit nicht als schnelle Pulsmesser eignen
  • Ein einziger Sensor deckt eine Bandbreite von vier Dekaden ab.
  • 1mm bis 100 mm Durchmesser an aktiver Fläche

 

 


 Abb. 6: Eine Sammlung unterschiedlicher pyroelektrischer Messköpfe

 

Silizium-Photodioden
 Eine Silizium-Photodiode ist ein Halbleiterbauteil, das einfallendes Licht in einen elektrischen Strom umwandelt. Es besteht aus einer p-n-Verbindung.
 Eine Photodioden-Sensor erzeugt einen Strom, der proportional ist zu Lichtintensität und über eine große Bandbreite an Lichtleistungen einen hohen Grad an Linearität aufweist – von Bruchteilen eines Nanowatt bis ungefähr 2 mW. Über diesen Lichtbereich hinaus wird die Elektronendichte in der Photodiode zu hoch und ihre Effizienz sinkt, dadurch entsteht eine Sättigung und die Messwerte nehmen ab. Einige Hersteller führen Messköpfe mit einem eingebauten Filter, der den Lichteinfall auf den Sensor reduziert und – abhängig vom Modell – Messungen bis 3 W ermöglicht.
 Grundlagen und Messwerte:

  • Spektralbereich von 190-1100 nm
  • Dynamischer Bereich von sub nW bis mW, bis hoch zu 3 W mit Filter
  • Reaktionszeit von 50 ms
  • Misst Leistung bei Dauerstrich-Lasern und durchschnittliche Leistung bei gepulsten Lasern
  • Kann bis zu einer Pulsfrequenz von 10 kHz Energie messen
  • Die Durchmesser der Sensoren liegen durchschnittlich bei 5-10 mm.

 

 


 Abb 7: Photodioden-Sensor

 

Anzeigegeräte
 Als die ersten Leistungsmessgeräte entwickelt wurden, arbeiteten sich typischerweise nur mit einem Sensor. Es gab ein Anzeigegerät für einen Sensortyp: pyroelektrisch, thermisch oder Photodioden. Das war schon einige Zeit vor der Erfindung von Mikroprozessoren und E-PROMs. Bei den meisten Anzeigegeräten handelte es sich schlicht um analoge Geräte.

 


 Abb. 8: Analoges Anzeigegerät jedoch schon mit Smart Head Technologie

 

Mit der zunehmenden Digitalisierung wurden auch die Displays sehr viel intelligenter. Ein Display kann jetzt die Inhalte der E-PROMs verschiedener Messköpfe auslesen, weiss um welchen Typ es sich handelt und kann automatisch zuordnen, welcher dynamische Bereich angesprochen werden soll. Diese Smart Head-Technologie bietet aber noch weitere Vorteile. Es ist damit möglich, die einzelnen Kalibrierpunkte pro Messkopf einzuspeichern und damit das Absorbtionsverhalten über die vollständige Spektralkurve auszuschöpfen, um noch präzisere Messergebnisse zu erhalten. Das revolutioniert auch die Welt der Leistungs- und Energiemessgeräte. Die Messköpfe und die Anzeigegeräte sind heute Plug-and-Play-Lösungen. Alle drei Sensortypen können mit einem Anzeigegerät verwendet werden, wodurch die Investitionskosten deutlich sinken und die Handhabung vereinfacht wird.

 


 Abb. 9: Messkopf mit eingebautem drahtlosem Sender (links) sowie ein Messkopf, der mit einem Kabel an den drahtlosen Sender angeschlossen wurde

 

Als Folge der Computer Revolution ist es heute einfach möglich große Datenmengen zu speichern. Zunächst mit der seriellen RS-232-Schnittstelle und später mit der parallelen Schnittstelle IEEE-4888 (GPIB) ließen bzw.lassen sich die Messgeräte direkt an Computer anschließen. Heute wählt man zur Datenübertragung in den meisten Fällen USB-Schnittstellen. Eigene Programme sammeln die Daten und werten sie direkt aus.

 

Ausblick
 Ophir Spiricon stellte vor kurzem drahtlose Messköpfe vor, die Bluethooth nutzen und auf alle Kabel und Anzeigegeräte verzichten. Intelligente Elektronik und Akku-betriebene WLAN-Sender werden direkt im Messkopf integriert und liefern alle Messwerte drahtlos an einen Laptop oder Computer. Die Anwendung der Messköpfe und die Auswertung der Daten wird damit erheblich vereinfacht.
 Im Zuge der Weiterentwicklungen und der sinkenden Preise werden nun auch bei Anzeigegeräten für die Leistungs- und Energiemessung Farbdisplays eingesetzt. Die Farben können je nach Laser verändert werden und auf die Farbe des jeweiligen Schutzglases individuell abgestimmt werden.

 


 Abb. 10: Das neue Anzeigegerät StarBright bietet ein hochwertiges Farbdisplay und lässt sich mit allen Sensoren von Ophir Spiricon verwenden.

 

Mit den Entwicklungen wie Industrie 4.0 und schnellen Netzwerken ergeben sich künftig neue Möglichkeiten und Herausforderungen: Wie können die erhobenen Messdaten gesichert, geteilt und in globalen Teams ausgewertet werden? Wie lassen sich die Daten automatisiert nutzen? Die Einbindung aller Messgeräte in die Industrienetze und die Strukturierung sowie die Analyse der gewonnen Daten eröffnet in vielen Anwendungen neue Möglichkeiten. Sie sehen: Die Zukunft beginnt genau jetzt.