Laser messen: Tipps für das erste Mal

Author: 
John McCauley, Business Development Manager, MKS / Ophir

Nur wer die Performance seines Laser regelmäßig prüft, kann dessen Verhalten verstehen und die mit ihm verbundenen Prozesse optimieren. Die geeigneten Messtechnik zu finden und diese korrekt anzuwenden, kann anfangs allerdings zu einer echten Herausforderung werden. In diesem Artikel finden Sie einige Tipps, die Sie beachten sollten, wenn Sie die Parameter eines Laserstrahls zum ersten Mal messen und die entsprechende Messtechnik erstmals anwenden.

Verstehen Sie, wie der Laser arbeitet
Wer die geeignete Messtechnik für sein Lasersystem sucht, sollte sich zunächst mit dem Laser selbst beschäftigen. Handelt es sich bei dem zu messenden Laser um einen Dauerstrich (Continuous Wave – CW)-Laser oder einen gepulsten Laser. Wo liegt der Unterschied? Was ist Laserleistung? Was ist Laserenergie? Wie stehen die beiden Größen im Verhältnis? Was charakterisiert den Laser und was sind die technischen Eckdaten (Wellenlängen, max. Leistung oder Energie, Pulscharakteristika wie Pulsbreite, Pulsfrequenz, Pulsform etc.)?

Darüber hinaus sollte bekannt sein, wie der Laser in den jeweiligen Prozess integriert werden soll. Bei einem industriellen Laser in der Materialbearbeitung wird das Laserlicht in der Regel aus einem Laserkopf kommend so fokussiert, dass es auf einen Punkt auf dem Material trifft. Hier ist die Laserleistungsdichte eine zentrale Messgröße. Sie gibt an, wie viel Laserlicht in diesem Punkt gebündelt ist und wird in Watt pro Zentimeter angegeben. Um sie zu kennen, müssen entsprechend zwei Parameter bekannt sein: 1. Wie viel Laserlicht ist im Strahl vorhanden ist, wird mit Leistungs- oder Energiemessgeräten ermittelt. 2. Die Fokusgröße auf der Bearbeitungsebene wird mit einem Strahlprofilmessgerät ermittelt. Diese beiden Charakteristiken definieren die Leistungsdichte des Lasers, der im Prozess angewendet wird.

Surface Contamination
Abb. 1: Zusammenhang von Fokusgröße und Leistungsdichte – halber Fokusdurchmesser ergibt vierfache Intensität.

Machen Sie sich mit Ihrem Lasersystem vertraut
Die Wahl des geeigneten Messgeräts hängt nicht nur von den Werten eines Lasersystems ab. Es geht auch um die physikalischen Eigenschaften des gesamten Lasersystems. Ein guter Ansatz ist es sicherlich, Messungen des Laserstrahls schon bei der Konstruktion des Lasersystems vorzusehen, so dass sie direkt in das System integriert werden können. Jedoch ist das nicht immer der Fall. Sehr häufig wird die Messung der Laserperformance erst nach der Inbetriebnahme einer Anlage zum Thema. In manchen Anlagen wird die Messung des Laser dann schon aus räumlichen Gründen nahezu unmöglich. Am erfolgversprechendsten ist es hier, einen Beratungstermin vor Ort mit einem unserer lokalen Vertriebsingenieure zu vereinbaren.

Es gibt darüber hinaus Eigenarten eines Lasersystems, die die Einrichtung von Messtechnik zu einer Herausforderung werden lassen. So ist bei zahlreichen Handschuh-Schweißkammern der Laserkopf, der in den meisten Fällen zwischen 5 ͦ und 15 ͦ versetzt eingestellt. Bei der erstmaligen Einrichtung des Strahlprofilmessgeräts auf einem solchen Lasersystem, müssen zunächst die korrekten x- und y-Positionen gefunden werden, so dass die Kamera den Strahl abbilden kann. Anschließend muss die korrekte Höhe z gefunden werden, so dass die Kamera den Strahl im Fokus aufnehmen kann. Schließlich muss der Strahlabschwächer des Profilmessgeräts entsprechend um den gleichen Offset rotiert werden wie der Schweißkopf, so dass der Strahl im rechten Winkel in die Eingangsöffnung eintritt. Ansonsten besteht die Gefahr, dass der Fokus mit falschen Ellipsenmessungen abgebildet wird.

Kennen Sie die Grenzen Ihres Messsystems
Seien Sie sich bewusst: Die Leistungsdichte ist Ihr Freund bei der Materialbearbeitung, aber der Feind in Hinblick auf die Messungen des Laserstrahls. Grundsätzlich sollte das Messgerät keinesfalls überfordert werden, in dem die angegebene Zerstörschwelle mit einer zu hohen Leistungsdichte überschritten wird. Häufig besteht das Missverständnis, dass Leistung oder Energie im Fokus gemessen werden müssen, um das "genaueste Ergebnis zu erzielen". Das ist nicht der Fall. Laserleistung und -energie werden unabhängig von der Größe des Strahls gleich sein. Allerdings erhöht sich bei einem zu kleinen Strahldurchmesser die Leistungsdichte überproportional. Hier besteht entsprechend die Gefahr, dass die Zerstörschwelle überschritten und das Messgerät beschädigt wird.

Die Angaben zur Zerstörschwelle finden Sie auf allen unseren Produktspezifikationen, sie sind strengstens einzuhalten. Wie immer ist eine gute Idee, den Ophir Vertriebsingenieur schon bei der Produktauswahl, aber auch bei der ersten Inbetriebnahme des Messgeräts, einzubinden.

Fazit
Niemand wird bestreiten, dass der langfristige Erfolg eines Laserprozesses die regelmäßige Pflege und Wartung des Lasersystems voraussetzt. Den Laser innerhalb des Systems zu messen und Verständnis zu entwickeln, wie sich das Laserlicht aktuell und auf längere Sicht verhält, trägt zusätzlich zum Erfolg der Anwendung bei und vereinfacht dessen Wartung. Die geeignete Messtechnik zu wählen, kann entmutigend sein, wenn man die grundlegenden Lasereigenschaften nicht kennt bzw. nicht einordnen kann. Glücklicherweise gibt es sehr viele Ressourcen, die grundlegende Konzepte vermitteln. Und eines ist sicher: Es lohnt sich auf jeden Fall. Im Laufe der Zeit werden Ihnen die Messgeräte wertvolle Erkenntnisse liefern und kritische Situationen vermeiden.

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