Strahlprofile unter schwierigen Bedingungen erstellen

Author: 
Kevin Kirkham, Sr. Manager New Business Development, MKS / Ophir

In diesem Tutorial stellen wir drei unterschiedliche Technologien vor, um kritische Laserparameter in verschiedenen anspruchsvollen Anwendungen zu ermitteln.

 

  1. VSCEL / Laser Diode Modus und Strahldivergenz Die erste Technologie wird verwendet, um Leistungsverteilung und Strahldurchmesser von VCSELs, LEDs, kantenemittierenden oder Faserlasern zu ermitteln. Die zentralen Strahlen dieser Systeme präzise zu messen, ist vergleichsweise einfach, obwohl sich das Licht schnell ausbreitet. Schwierig wird die exakte Messung der Lichtstrahlen, die an den Rändern des Lichtkegels in einem flachen Winkel abgestrahlt werden. Diese Strahlen werden sehr viel schneller von Detektoroberflächen reflektiert und damit von den meisten direkt kamerabasierten Messverfahren nicht ausreichend erfasst. Der Ophir Wide Beam Imager (WB-I) erfasst diese Strahlen dank seiner großen Messfläche und ermöglicht somit deren Messung mit der entsprechenden Wichtung.
  2. Additive laserbasierende Fertigung Die zweite Messtechnologie eignet sich für die Additive Fertigung im Bereich "Laser Powder Bed Fusion". Bei diesen Anwendungen ist es entscheidend, sowohl die Fokusposition als auch die Leistungsdichte des Strahls auf der Bearbeitungsebene zu kennen. Ophir BeamWatch AM misst den Laserstrahl im Fokus, erfasst Größe und Lage des Fokus in Abhängigkeit zur Bearbeitungsebene, ohne den Strahl zu berühren.
  3. Faserschweißen /Wärmebehandlung/ Reinigungslaser Die dritte Messtechnologie ermöglicht es, bei industriellen Hochleistungslasern Größe und Position des Strahls im Fokus zu messen. Das Ophir BeamGage System in Kombination mit dem LBS-300HP Strahlabschwächer hilft bei der Lokalisierung der Fokusebene. In diesem Fall wird eine Ebene nach der anderen entlang des Strahlengangs gemessen. Selbst die extrem hohe Bestrahlungsstärke eines fokussierten Multi-Kilowatt-Lasers lässt sich damit messen.

Lassen Sie uns die drei Anwendungen im Detail untersuchen:

Sehr divergente Laser exakt messen
Der Ophir Wide Beam Imager (WB-I) besteht aus einem Diffusor, einem Tubus, einer Montagehülse und einer Halterung für eine BeamGage Kamera. Die Kamera wird mit dem WB-I Tubus verbunden. Das Bild wird über ein USB-Kabel an einen PC übertragen, auf dem die Ophir BeamGage Software zur Strahlprofil-Messung läuft.

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Abb. 1: Ophir Wide Beam Imager und BeamGage Software zur Strahlprofilmessung.

Der Laser oder die Lichtquelle, die untersucht werden sollen, können auf einen Lineartisch montiert werden, um die jeweils aktuelle Entfernung zwischen Emitter und Messebene bestimmen zu können. Das Verfahren in Strahlrichtung wird benötigt, um den Divergenzwinkel zu bestimmen. Die meisten Halbleiterlaser weisen eine schnelle und eine langsame Divergenzachse auf. Die Software zur Strahlprofilmessung kann automatisch die Hauptachse ermitteln und Divergenzwinkelmessungen sowohl für die Haupt- als auch für die orthogonale Nebenachse liefern.

Das Wide Beam Imager System bildet jede Strahlform ab, die zu groß ist für einen konventionellen kamerabasierten Sensor. Es verfügt über eine Apertur von 45mm und erlaubt Einfallswinkel bis 70 Grad. Die Strahlen treffen auf einem durchlässigen Diffusorschirm und werden von dort mit einer kalibrierten Optik erneut abgebildet, um ein vollständiges und präzises Bild der Intensitätsverteilung des Lichts zu erhalten. Das WB-I System erfordert ein BeamGage System wie das BGP-USB3-SP920s, inklusive einer CCD-Kamera und der BeamGage Professional Software.

Das WB-I System erweitert bei einem aktiven Bereich von 45mm den Anwendungsbereich der SP920s Kamera auf bis zu 200 Watt. Der Diffusor wurde so gewählt, dass aufgrund der akkuraten Absorption auch Strahlen aus stark divergenten Lichtquellen mit flachem Abstrahlwinkel gemessen werden können.

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Abb. 2: Linearität der Energiedistribution bei winkelig einfallendem Licht gemessen mit einem Ophir WB-I im Vergleich zu Messungen mit einem Photodiodensensor.

Bei der Messung mit dem WB-I wurden Strahlen mit einem Winkel von bis zu 70 Grad mit einer Toleranz von +5/-10% erfasst. Die gemessenen Werte der Silizium Photodiode liegen um mehr als 50% niedriger. Doch nur, wenn Strahlen in diesem Winkelbereich exakt gemessen werden, kann die Gesamtmessung präzise Ergebnisse liefern.

Das zeigt auch, warum der Wide Beam Imager für die Messung divergenter Quellen so wichtig ist: Nur so lassen sich Fokusgröße im Fernfeld, Elliptizität, Modus und Divergenzwinkel richtig bestimmen und deren Änderungen abhängig von Strom und Temperatur beurteilen.

Messen von Lasern in der Additiven Fertigung
Ophir BeamWatch AM (BW-AM) wurde speziell für Anwendungen der Additiven Fertigung entwickelt. Es basiert auf einer einzigartigen Messtechnologie: Der Strahlfokus wird gemessen, indem orthogonal auf den Strahl geblickt wird. Das Messgerät nutzt die Rayleigh-Streuung des Strahls, um daraus die Position und Größe des Strahlfokus auf der Bearbeitungsebene zu ermitteln. Der Strahl wird seitlich in zwei orthogonalen Ansichten abgebildet, ohne ihn selbst zu beeinflussen. Da diese Ansichten über und unter der Stelle zentriert sind, an der der Strahl normalerweise auf das Metallpulver trifft, "sieht" das BeamWatch System die Stahlkaustik und die Fokusgröße kann ermittelt werden. Nach der Messung des Strahlprofils wird der Strahl auf einen Leistungssensor de-fokussiert. Basierend auf den Seitenansichten des Laserstrahls, die die Kamera des BeamWatch AM liefert, bestimmt die Analysesoftware die Position der Strahltaille und alle Änderungen ihrer Position oder Spotgröße relativ zur Arbeitsfläche.

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Abb. 3: Ophir BeamWatch AM ist ein Diagnosesystem für Laser in Anwendungen des laserbasierten 3D-Drucks

BeamWatch AM verfügt über einen luftgekühlten 600-Watt-Leistungssensor. Die Leistungsmessung wird in der BeamWatch Software angezeigt und mit jedem Videobild aktualisiert. Die Leistung wird auch zur Berechnung der Leistungsdichte auf der Arbeitsebene herangezogen.

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Abb. 4: BeamWatch AM bestimmt Position der Strahltaille und Fokusgröße in der Arbeitsebene.

BeamWatch AM aktualisiert die Messungen so schnell, dass der Anwender jede Veränderung der Fokuslage beobachten kann. Verschmutzungen des Schutzglases oder in der Strahlführung, die eine Verschiebung der Fokuslage verursachen können, lassen sich damit schnell erkennen. Der Anwender wird rechtzeitig gewarnt, bevor Veränderungen der Strahlposition negative Auswirkungen auf den Bauprozess haben können. Die BeamWatch AM Software ermöglicht es, sämtliche Daten zur Laserperformance zu speichern, wiederherzustellen und miteinander zu vergleichen. Dank verschiedener Werkzeuge lassen sich mit der Software statistische Analysen und Berichte erstellen, um die Messungen Anwendern mit unterschiedlichen Vorkenntnissen anschaulich zur Verfügung zu stellen.

Größe und Modus von Multi-kW Faserlasern im Fokus
Industrielle Faserlaser können beeindruckend hohe Leistungsdichten erzielen, wenn der Laserstrahl fokussiert wird. Schnelle Schweiß- oder Schneidvorgängen, für die die Laser bekannt sind, benötigen Leistungsdichten von mehr als 1 Million Watt pro cm². Von der direkten Messung eines fokussierten Laserstrahls im Bereich von MW/cm² mit einem klassischen Messgerät raten wir dringend ab. Allerdings ist es jetzt möglich, den fokussierten Strahl indirekt zu messen.

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Abb. 5: Der Ophir LBS-300HP-NIR Strahlteiler ermöglicht die Messung fokussierter oder kollimierter Strahlen bis zu 5kW oder 15MW/cm².

Der Ophir LBS-300HP-NIR ist ein Strahlabschwächer aus der BeamGage Produktfamilie. Er verwendet zwei orthogonal angeordnete Frontflächen-Strahlteiler, die aus sehr durchlässigem Quarzglas mit geringer Streuung bestehen. Diese einzigartigen, sehr leistungsstarken Strahlteiler liefern jeweils einen ~0,1% hochpräzisen Abtaststrahl, während sie weniger als 0,1% der einfallenden Laserenergie absorbieren. Durch die beiden Strahlteiler ist der abgetastete Strahl von ~0,0001 % polarisationsunabhängig, d. h. er tastet nicht bevorzugt eine Polarisation gegenüber der anderen ab.

Dieses Design erlaubt eine optische Abschwächung von Nd:Yag und Faserlasern mit Leistungen von bis zu 5.000 W und Leistungsdichten, die auf den ersten Strahlteiler treffen, von bis zu 15MW/cm².

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Abb. 6: Strahlprofil eines fokussierten 4kW Faserlasers – Durchschnittliche Leistungsdichte 21,4MW/cm².

In Abbildung 6 wird ein 5kW Faserlaser im Fokus gemessen. Der 152,5 μm Fokus hat ein Top-Hat-Profil wenn das Faserende im Fokus abgebildet wird. Außerhalb des Fokus handelt es sich eher um ein Gauß'sches Profil. Mit der Ergänzung der Serie an BeamGage Strahlprofilmessgeräten um den LBS-300HP-NIR Stahlteiler lassen sich fokussierte Multi-Kilowatt-Laser mit sehr hoher Durchschnittsleistung jetzt auch kamerabasiert messen. Industrielle Laseranwender können schnell und einfach sicherstellen, dass die Strahlführungsoptiken und Abdeckungen sauber sind und einwandfrei funktionieren. Veränderte Prozessbedingungen können schnell erkannt und behoben werden, bevor sie die Qualität des Produkts beeinträchtigen.

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Abb. 7: Ophir LBS-300HP-NIR und Kamera bei der Messung eines 5kW Faserlasers.

Fazit
Selbst schwierige Messaufgaben lassen sich dank innovativer Lösungen mittlerweile elegant bewältigen. Eines ist sicher: Erst die regelmäßige Prüfung des Laserstrahls stellt sicher, dass Laserprozesse dauerhaft nachhaltig und effizient arbeiten. Neue Produkte und Zubehör liefern sowohl den Entwicklern der Lasersysteme als auch den Anwendern entscheidende Erkenntnisse in Hinblick auf die Laser Performance.

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