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Leistung und Energie sind die wich-tigsten Parameter für die charakteri-sierung moderner Lasersysteme. bei »cw«-Lasern steht die Messung der Ausgangsleistung im Vordergrund, bei gepulsten Lasern kann zusätzlich die Energie pro Puls vermessen werden. Ferner kann man bei der betrachtung ganzer Pulszüge aus Pulsen gleicher Energie eine Durchschnittsleistung ermitteln. zusätzlich ergibt sich eine Pulsspitzenleistung, auch »Peak-Leis-tung« genannt, die sich aus dem Quo-tienten aus der Pulsenergie durch die Pulsdauer ergibt.

zur Messung von Laserleistung und -energie stehen eine Vielzahl ver-schiedener Technologien zur Auswahl. Die erste Herausforderung ist es, das ideale Messinstrument für die jeweili-ge Messaufgabe zu finden. Dazu ist ein guter überblick über die auf dem Markt verfügbaren Messinstrumente erforderlich. Allein coherent stellt weit über 100 verschiedene standard-Messsensoren her, dazu dutzende modifizierte standard- bzw. oEM-Lö-sungen, außerdem zahlreiche separa-te Messinstrumente und seit 2009 auch usb- und rs232-»meterless-sen-

soren«. bei diesen ist das Messgerät miniaturisiert in einem usb- oder rs232-stecker integriert. Diese gerä-te eignen sich insbesondere für den Feldeinsatz oder zur Integration in Lasermaschinen, um die Laserleis-tung oder -energie während eines Laserbearbeitungsprozesses messen zu können.sensor und Messgerät müssen aufein-ander abgestimmt werden. Dieser schritt entfällt jedoch bei einen usb- oder rs232-sensor, da das Messgerät integriert ist. Die sensorauswahl wird von einigen wenigen spezifikationen bestimmt. soll Leistung oder Energie pro Puls (hiermit auch die Durch-schnittsleistung) gemessen werden? bei welchen wellenlängen? bei ge-pulsten Lasern stellt sich außerdem die Frage nach der repetitionsrate und Pulslänge. Ein weiterer wichtiger Parameter ist der Durchmesser des

Laserstrahlquellen und -maschinen sind in den unterschiedlichsten Varianten erhältlich, von cw (Dauerstrich) bis gepulst, vom UV bis in den IR-Bereich, von Nano-Watt bis Kilo-Watt oder mit Pulsenergien von Nano-Joule bis Kilo-Joule.Um diese sehr unterschiedlichen Parameter mit höchster Genauigkeit und Reproduzierbarkeit vermessen zu können ist ein vielseitiges Portfolio von Messinstrumenten erforderlich.

Messen und Dokumentieren von Laser- leistung und Laserenergie mittels integrier- baren Messinstrumenten

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Laserstrahls in der Messebene. Aus ihm ergibt sich die Leistung oder Energie pro Fläche am Einsatzort. Typischerweise benutzt man drei un-terschiedliche Arten von sensoren: Thermische, pyroelektrische und Halbleitersensoren. Thermische sensoren (Thermopiles) arbeiten nach dem Prinzip, einfallen-de strahlung in wärme umzuwandeln. Die spektrale Akzeptanz, d. h. die reaktion auf unterschiedliche wellen-längen eines thermischen sensors, ist abhängig von seiner beschichtung. Hier sind besonders breitbandige beschichtungen erhältlich, die vom uV bis in das ferne Ir verwendet wer-den können und dabei ein relativ gleichförmiges Absorptionsverhalten zeigen. Thermophile-sensoren sind weiterhin für verschiedene Leistungsbereiche von µw – kw (wassergekühlt) verfüg-bar. Die reaktionsgeschwindigkeit dieser sensoren liegt zwischen einer und einigen wenigen sekunden. Daher können sie bei Pulsen größer 10 ms

auch für Einzelpuls-Energiemessun-gen eingesetzt werden. Eine besonde-re Form von Thermopile-sensoren sind hochsensitive, elektronisch ver-stärkte und besonders gegen umge-bungsstrahlung isolierte Modelle. Diese sind ideal, um sehr niedrige Leistungen mit einer großen wellen-längenakzeptanz zu messen. Eine zweite besondere Variante sind Ther-mophile-sensoren mit 4 Messquad-ranten. sie bieten die Möglichkeit, neben der Leistungsmessung auch den thermischen schwerpunkt auf der sensorscheibe und damit die strahl-positionierung zu ermitteln. Dabei kann eine Auflösung von 10 µm er-reicht werden. Vor allem bei nicht sichtbarer Laserstrahlung oder der notwendigkeit der Justierung von Mehrachs-Laserbearbeitungssyste-men ist das eine wertvolle zusätzliche Funktion. Halbleiter-sensoren basie-ren auf Photodioden. bedingt durch die hohe Empfindlichkeit und ein niedriges grundrauschen, sind diese sensoren hervorragend zur Messung

sehr geringer Leistungen (ab nw) ein-setzbar. Die dritte Art von sensoren sind die sogenannten pyroelektrischen senso-ren. sie verwenden einen ferroelektri-schen Kristall mit einer dauerhaften elektrischen Polarisation. Einfallende Photonen erwärmen den Kristall, der dadurch sein Dipolmoment verändert, was wiederum einen stromfluss er-zeugt. Pyroelektrische sensoren sind sehr schnell, bieten eine gute homo-gene räumliche Akzeptanz und sind ebenfalls spektral breitbandig ein-setzbar. wichtige Auswahlkriterien für diesen sensortyp sind die Linearitä-ten in Abhängigkeit der repetitions-rate, der Pulslänge und der Energie, insbesondere im bereich oberhalb von 5 kHz. Das vom sensor aufgenom-mene signal wird in einem Messgerät oder einer integrierten Elektronik in eine darstellbare Messgröße konver-tiert. generell kann so das elektrische signal der drei vorgestellten Laser-sensor-Typen direkt angezeigt oder weiterverarbeitet werden. Der Markt

▲ Überblick über die auf dem Markt verfügbaren Messinstrumente

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Im Brennpunkt: Chemische Sensorik und chemische MesstechnikFocal Point: Chemical Sensor Technology and Chemical Metrology

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bietet eine Vielzahl solcher Messgerä-te, mit unterschiedlichen Einsatzmög-lichkeiten und Funktionalitäten, von einfach und kostengünstig bis funkti-onsreich sowie multikompatibel und kostenintensiv. Typischerweise sind Modelle zur Leistungsmessung oder für beide Messaufgaben, Leistung und Energie, verfügbar. Kostengünsti-ge basis-geräte mit Digital- und/oder nadelanzeige bieten die Möglichkeit, auch über Akku betrieben zu werden, ohne Anschlussmöglichkeit an einen Pc, zum einfachen Messen und Able-sen. Dem gegenüber stehen Messkon-solen, die einerseits als »stand-alone«

geräte mit eigenem Display genutzt werden, zum anderen aber über schnittstellen und software ausgele-sen werden können. so sind sie nutz-bar für komplexe Labormessungen oder auch zur Integration in Produkti-onslinien, um eine überwachung der Prozessparameter zu gewährleisten und Daten kontinuierlich digital mit-speichern zu können. Die neuartigen direkten usb- und rs232-sensoren, die mittels Pc und dazugehöriger Applikationssoftware betrieben werden, sind für solche Anwendungen ideal. sie sind dafür konzipiert, in Maschinen »eingebaut«

zu werden. oEM-Modelle mit oft ku-bischen bauformen eignen sich sehr gut, platzsparend verbaut zu werden. Modernste Mikro-Elektronik wie High-speed AD-wandler und FPgAs kommen hier zum Einsatz. Die Appli-kationssoftware bietet auch die Mög-lichkeit, einer multiplen parallelen nutzung von sensoren und damit eine Mehrkanalmesslösung. Hervorzuheben für gepulste Anwen-dungen sind besondere Energiesen-soren, mit denen Einzelpulse bis 10 kHz gemessen werden können und YAg-Modelle, die hohen Energien (bis 15 J) und Energiedichten (bis >100 J/cm²) standhalten. Damit steht dem benutzer eine Vielzahl von systemlö-sungen zur Auswahl. In Hinblick auf eine langfristige nutzung sind natür-lich auch rekalibrierungs- und ser-vicekosten für die Kaufentscheidung in betracht zu ziehen. usb- und rs232-sensoren bringen hier einen Kosten-vorteil und eine höhere genauigkeit mit sich, da ja immer nur ein gerät kalibriert wird. Durch den Laboraus-bau und die Kapazitätserhöhung der serviceabteilung des coherent-stand-ortes in Dieburg ist im normalfall eine kurzfristige umschlagzeit von ca. 5-7 Tagen realistisch, wichtig, um in der Industrie geräteausfallzeiten zu mini-mieren. Ebenso neu ist die Möglich-keit, nun auch Kalibrierungen bei 193 nm durchzuführen zu können. zudem wurde coherent wilsonville, or / usA – das Mutterwerk – im Juni als erster Hersteller und zulieferer, Iso / IEc 17025:2005 akkreditiert.

■ InFo

Autor:Dirk grebert, Dipl.-Ing. Lasertechnik (FH) E-Mail: dirk.grebert@coherent.com

Kontakt:Petra wallenta Pr Manager, Asia + Europe / MArcoM Manager Excimercoherent (Deutschland) gmbH Dieselstr. 5b ∙ 64807 Dieburg Tel.: 0173 5904377E-Mail: Petra.wallenta@coherent.comwww.coherent.com / www.coherent.de

▲ EnergyMax Sensoren

▲ EnergyMax-USB-Sensor gesteuert über einen Laptop mit entsprechender Applika-tions-Software

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