Faserlaser mit sehr hohen Leistungen messen

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Kevin Kirkham - Englische Version erschien in Photonics Spectra im Juli 2019

Die richtige Methode zur Messung von Hochleistungs-Faserlasern auszuwählen – mittels einer Kamera, einem schlitzbasierten Gerät oder einem berührungslosen Messgerät – erfordert Wissen über die Vorteile und Grenzen jeder Technologie.

Faserlaser werden in stetig wachsender Zahl über eine breite Palette von Anwendungen hinweg eingesetzt. Im Leistungsbereich zwischen 2 und 20 kW nimmt die Zahl der Laserprozesse in der Materialbearbeitung sowie in filigranen Anwendungen wie dem 3D-Microgravieren, Feinschneiden, der Feinbearbeitung von Grundlochbohrungen oder der Additiven Fertigung weiter zu. Laut Hexa Research [1] sind Hochleistungsschneiden und -schweißen die führenden Anwendungen im Faserlasermarkt. Die Marktforscher schreiben dies der zunehmenden Verwendung der Technologien im Rohr-, Blech- und 3D-Schneiden sowie dem Remote-Schweißen von Karosserieteilen und dem Getriebe- oder Rohrschweißen zu.

Abbildung 1: Ein 2D-Profil eines Laserstrahls liefert aussagekräftige Daten zu Größe, Form und Rundheit des Laserstrahls.
Abbildung 1: Ein 2D-Profil eines Laserstrahls liefert aussagekräftige Daten zu Größe, Form und Rundheit des Laserstrahls.

2010 lag die durchschnittliche Ausgangsleistung eines Hochleistungs-Faserlasers noch bei ungefähr 1.000 Watt. 2019 wird sie in der Größenordnung von 6.000 bis 8.000 Watt liegen. Parallel zu den steigenden Leistungen wurden die Strahlquellen zuverlässiger, günstiger und einfacher zu implementieren. Sie hielten somit Einzug in neue Anwendungen, darunter auch das Remote-Schweißen von Fahrzeugen oder das Selektive Laserschmelzen von Teilen für den Fahrzeugbau und Luftfahrtindustrie. Diese Popularität spiegelt sich in den weltweiten Umsatzzahlen für Faserlaser wider, die laut Prognose auf 2,7 Milliarden Dollar in 2019 steigen sollen. Ein kontinuierlicher Anstieg seit der Jahrtausendwende – damals lagen die Umsätze noch unter einer Milliarde Dollar.
 
Unabhängig von der industriellen Anwendung muss der Laserstrahl immer konsistent arbeiten, und seine Leistung muss geprüft werden. Die Prozessqualität wird schließlich in vielfacher Hinsicht von der Qualität des Laserstrahls beeinflusst, der auf das Werkstück einwirkt. Es ist daher in alle Anwendungsfällen unerlässlich, die ursprünglich definierten Lasercharakteristiken einzuhalten.

 

Änderungen der Leistungsdichte

Nimmt die Laserleistung zu, wird es zur echten Herausforderung Strahlqualität und Modenstabilität eines Multi-kW-Lasers zu überwachen. Das liegt vor allem an der steigenden Leistungsdichte der zu messenden Strahlen. Optische Komponenten zur Strahlabschwächung wie Strahlteiler und -abtaster mit Dünnfilmbeschichtungen können bei Energiedichten von 50 J/cm2 (20ns Pulsbreite) oder weniger [3] geschädigt werden. Während unbeschichtete Optiken zwar eine deutlich höhere Zerstörschwelle haben – sie kann 10-100-mal höher sein als die von beschichteten Optiken – liefern sie nicht die gewünscht niedrige Reflektionsrate, um den Hochleistungs-Strahl auf kleinem Raum zu konditionieren.
 
Die höhere Verbreitung der Hochleistungs-Faserlaser zog die Entwicklung einiger neuer Strahlprofilmessgeräte nach sich, die die erforderliche Abschwächung bieten sollen: Schlitzbasierte und rotierende Nadel-Messgeräte schwächen den Strahl ab, indem sie das Laserlicht durch mikroskopisch kleine Öffnungen hindurch leiten. Die Bewegung durch das Scanning-System verteilt die Laserenergie über größere Bereiche, ihre glänzenden Oberflächen reflektieren einen Großteil der Laserenergie, so dass nur ein Bruchteil davon auf den Sensor gelangt.
 
Aber wie jede optische Abtasttechnologie haben auch diese Ansätze ihre Grenzen; die Physik von Hochleistungslasern folgt ihren eigenen Regeln. Die Leistungsdichten von Multi-kW-Lasern können selbst solche Abtastoptiken zerstören.
 
Aber welchen Weg gibt es alternativ, um die Qualität von Hochleistungslaser zu messen? Selbstverständlich haben auch die klassischen Messmethoden wie die schlitzbasierte und die kamerabasierte Messung nach wie vor ihre Berechtigung und auch automatisierte oder Echtzeit M2-Messungen sind zur Qualitätsprüfung moderner Faserlaser wichtig. Darüber hinaus bietet die berührungslose Messung des Laserstrahls basierend auf der Rayleigh Streuung aber eine Methode, die sicher keine Schäden an Abtastoptiken verursacht.

 

 

Messungen basierend auf der Rayleigh Streuung

Systeme, die auf Basis der Rayleigh Streuung arbeiten, nehmen den Strahl orthogonal auf, ohne ihn zu berühren (Abbildung 2). Diese Seitenansicht des Strahls liefert nicht automatisch ein klassisches 2D-Profil des Strahls, wie dies eine Kamera oder ein beliebiges abtastendes System liefern würde. Stattdessen entspricht jede Aufnahmezeile des fokussierten Strahls einer ISO-konformen Messung der Strahlbreite mit einem bewegten Schlitz (ISO 11106-3 4.4 [4]). Rayleigh basierende Systeme messen die Kaustik oder den Fokusbereich des Strahls mit einer ebenso hohen räumlichen Auflösung wie kamerabasierende oder schlitzbasierende Systeme (Abbildung 3). Da der Strahl nicht mit einer Oberfläche in Berührung kommt, spielt aber die Leistungsdichte nicht länger eine Rolle.

 

Abbildung 2: Auf der Rayleigh Streuung basierende System bilden den Strahl orthogonal ab, ohne ihn zu berühren.
Abbildung 2: Auf der Rayleigh Streuung basierende System bilden den Strahl orthogonal ab, ohne ihn zu berühren.

Während Messgeräte basierend auf der Rayleigh Streuung den Strahl indirekt messen, bilden schlitzbasierende und 2D-matrixsensorbasierende Systeme den Strahl direkt ab. Diese direkte Abbildung erfordert eine um mehrere Größenordnungen höhere optische Abschwächung, da Kameras und Einzelelement-Detektoren bei ~1.0 μW/cm2 gesättigt sind und Faserlaser Leistungsdichten von 10MW/cm2 erzeugen können.

Abbildung 3: 2D-Falschfarbendarstellung der Rayleigh Streuung eines fokussierten Faserlasers.
Abbildung 3: 2D-Falschfarbendarstellung der Rayleigh Streuung eines fokussierten Faserlasers.

Schlitzbasierende Systeme selbst liefern einen Teil der benötigten Abschwächung (bis zur 100W für einen 1mm Fokus oder 12kW pro cm2), allerdings sind zur Messung eines fokussierten oder kollimierten Hochleistungs-Laserstrahls optische Abschwächungen erforderlich, die um drei bis vier Größenordnungen höher liegen müssen.
 
Bei Strahlprofilmessgeräten, die nach dem schlitzbasierten Prinzip arbeiten, fällt der zu messende Strahl durch mikroskopische Schlitze, die auf einer sich drehenden Trommel befestigt sind (Abbildung 4). Sobald die in x- und y-Richtung orientierten Schlitze den Strahl passieren, fällt ein kleiner Teil des Laserstrahls auf den Sensor. Ein optischer Positionsmelder teilt der Software mit, an welcher Stelle der Drehung sich die Trommel befindet. Aus diesen Rotations-Koordinaten und der gemessenen Intensität des Sensors werden die Strahlabmessungen in x- und y-Richtung sowie ihre zentrale Lage berechnet. Schlitzbasierte Strahlprofilmessgeräte bieten Messungen mit einem sehr guten Signal-Rausch-Verhältnis, es werden häufig Werte über 70dB erreicht. Die Software kann somit sehr präzise die Schnittbilder der Strahlintensität in x- und y-Richtung erzeugen und sowohl Strahlgröße als auch Strahlposition errechnen.

Abbildung 4: Bei schlitzbasierenden Strahlprofilmessgeräten fällt der zu messende Strahl durch mikroskopische Schlitze, die auf einer sich drehenden Trommel befestigt sind (a). Integriertes Intensitätsprofil eines Lasers, der mit einem schlitzbasierenden Messgerät vermessen wurde.
Abbildung 4: Bei schlitzbasierenden Strahlprofilmessgeräten fällt der zu messende Strahl durch mikroskopische Schlitze, die auf einer sich drehenden Trommel befestigt sind (a). Integriertes Intensitätsprofil eines Lasers, der mit einem schlitzbasierenden Messgerät vermessen wurde.

 

Kamerabasierte Messungen

Silizium (250 bis 1100nm) und Indium-Gallium-Arsenid (InGaAs) (900 bis 1700nm) Kameras sind bei ~1 μW/cm2 gesättigt. Daraus folgt, dass der fokussierte Strahl eines 1kW Faserlasers – ohne die Veränderung des zu messenden Strahls eine um mehr als 13 Größenordnungen höhere optische Abschwächung erfordern würde. Das ist ein sehr hoher Abschwächungsgrad: Eine Kombination aus Strahlteilern, mit sehr geringer Reflektion (~0.1%) des Strahls durch jeden Teilerund ND-Filtern wären erforderlich. Die ND-Filter können allerdings erst dann verwendet werden, wenn durch die Strahlteiler eine Leistungsdichte unter 5 W/cm2 erreicht ist. Bei >5 W/cm2 können thermische Effekte im Filtermaterial den zu messenden Strahl beeinflussen. Möchte man das Profil eines fokussierten Faserlaserstrahls mit dieser Technologie messen, muss der erste Strahlteiler einer Leistungsdichte von >10 MW/cm2 standhalten. Diese Art der optischen Abschwächung kann den zu messenden Strahl beeinflussen. Darüber hinaus verlängert sie den Strahlengang erheblich (75 bis 150mm), womit einige der Messanwendungen schon direkt ausscheiden.

 

 

Vergleich

Schlitzbasierte Systeme liefern das beste Signal-Rausch-Verhältnis und die höchste Messgenauigkeit, kamerabasierte Systeme bieten die größte Informationsvielfalt in Hinblick auf die Energieverteilung im Strahl. Die Messung basierend auf der Rayleigh Streuung hält auch den hohen durchschnittlichen Leistungsdichten fokussiertet Laserstrahlen stand, ohne dass der Strahl aufgrund unzureichender Abtastschemen beeinflusst wird. Rayleigh basierende Messgeräte werden durch hohe Leistungsdichten nicht beeinflusst und sind selbst für Messungen von Faserlasern mit Leistungen über 100kW direkt einsetzbar. Die berührungslose Messtechnik wird sich demzufolge aufgrund der steigenden Leistungen der Faserlaser zur bevorzugten Messmethode zur Qualitätsprüfung entwickeln.

 

Abbildung 5: BeamWatch AM, ein integriertes Strahlprofilmessgerät basierend auf der Rayleigh-Streuung, wurde für die Nutzung in der Additiven Fertigung entwickelt.
Abbildung 5: BeamWatch AM, ein integriertes Strahlprofilmessgerät basierend auf der Rayleigh-Streuung, wurde für die Nutzung in der Additiven Fertigung entwickelt.

 

Referenzen

  1. Hexa Research (2019). Global fiber laser market is anticipated to witness significant growth by 2025, www.digitaljournal.com/pr/4151216#ixzz5gIpCnHnf.
  2. D. Belforte (2018). 2017 was a great year — for industrial lasers. Industrial Laser Solutions, www.industrial-lasers.com/articles/print/volume-33/issue-1/features/2017....
  3. R. Siew et al. (2013). Laser induced damage threshold of optical coatings, www.masbonfante.it/download/cvi/CVI_LIDT_WhitePaper_FIN.pdf.
  4. Ophir (2019). Beam width measurement as scanning slit, BeamWatch user guide, www.ophiropt.com/laser--measurement/beam-profilers/products/High-Power-B....

 

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