Dipl.-Ing. Martin Kaltenbrunner - TU Wien

LU 345.003 Lasertechnik
Strahldiagnose bei Hochleistungslasern
Dipl.-Ing. Martin Kaltenbrunner
Die Strahldiagnose bei Hochleistungslasern erlaubt es, mit wenigen Parametern
abzuschätzen, wie sich eine Laserquelle in Hinblick auf Fokusdurchmesser,
Rayleighlänge (Maß für die zulässige Abweichung des Arbeitsabstandes)
und Intensität im Fokus verhält.
Einfache Methoden und die automatisierte Strahldiagnose mit Meßgeräten
der Fa. Prometec werden vorgestellt und im Rahmen des praktischen
Teils angewendet.

INHALTSVERZEICHNIS
1. Grundlagen ............................... 3
1.1 WozuStrahldiagnose? ...................... 3
1.2 Zusammenhänge ......................... 4
1.2.1 Verhältnissebeim(idealen)Gaußstrahl......... 4
1.2.2 StrahlradiusinderFokusebene ............. 4
1.2.3 Strahlparameterprodukt ................. 4
1.2.4 Rayleighlänge....................... 5
1.2.5 Realer Strahl–Strahlqualitätskennzahl K . . . . . . . . 5
1.3 Meßgeräte fürdieStrahlleistung................. 6
1.3.1 KalorimetrischeMessung................. 6
1.3.2 Direkte thermische Messung . . . . . . . . . . . . . . . 7
1.4 Meßgeräte für Strahldurchmesser und Intensitätsverteilung . . 7
1.4.1 Plexiglas.......................... 7
1.4.2 AndereEinbrandmaterialien............... 8
1.4.3 PrometecLaserscopeUFF100 .............. 8
2. Praktischer Teil der LÜ ........................ 10
2.1 Sicherheit ............................. 10
2.2 Aufbau der Versuchsanordnung . . . . . . . . . . . . . . . . . 10
2.3 Durchführung der LÜ ....................... 11

1. GRUNDLAGEN
1.1 Wozu Strahldiagnose?
Bei den klassischen Anwendungen der Lasermaterialbearbeitung (Schweißen,
Schneiden, Oberflächenbearbeitung) soll der Strahl einer Laserquelle über
geeignete Fokussiereinrichtungen relativ zum Werkstück bewegt werden. Dabei
ist eine für den Prozeß passende Intensität an der Werkstückoberfläche
einzuhalten. Wichtige Parameter sind also die Leistung der Laserquelle, der
Strahldurchmesser an der Werkstückoberfläche und der sich daraus ergebende
Abstand zwischen Fokussiereinrichtung und Werkstückoberfläche.
Um diese Daten abschätzen zu können, muß man folgende (allgemeinere)
Parameter kennen oder mit Mitteln der Strahldiagnose ermitteln:
• Leistung der Laserquelle
• Durchmesser des unfokussierten Strahls
• Strahlqualitätskennzahl der Laserquelle (Mode)
• Brennweite der Fokussiereinrichtung (Spiegel, Linse)
• Lage der Fokusebene
Man erkennt, daß außer der (üblicherweise) bekannten Brennweite und
der damit (leider) nicht exakt übereinstimmenden Lage der Fokusebene (siehe
Abb. 1.1 auf S. 4) nur Parameter der Laserquelle eingehen. Leider sind diese
Parameter nicht konstant, z. B. ändert sich der Mode langfristig mit der Zeit
(Dejustierung des Lasers), mit der Laserleistung (Unterschiedliche thermisch
bedingte Verformungen des Resonators) und mit der Betriebsdauer (kalter
Laser, warmer Laser) und unterliegt Schwankungen.
Die Strahldiagnose liefert also Anhaltswerte für diese Parameter bzw.
kann anhand der Parameter erkannt werden, daß etwas im System nicht
funktioniert.
Unangenehmerweise sind einige Parameter sehr schwierig meßtechnisch
zu erfassen und die physikalisch mathematischen Zusammenhänge sind zwar
beim (nur theoretisch existierenden) Gaußstrahl einfach, beim realen Strahl
aber sehr kompliziert.

1. Grundlagen 4
1.2 Zusammenhänge
1.2.1 Verhältnisse beim (idealen) Gaußstrahl
Die folgende Abbildung zeigt schematisch eine Laserquelle mit Fokussiereinrichtung
und die verwendeten Begriffe.
Fig. 1.1: Gaußstrahl mit Fokussieroptik
1.2.2 Strahlradius in der Fokusebene
Der Strahldurchmesser d ist so definiert, daß innerhalb eines Querschnittes
von d2 · π etwa 86% der Strahlleistung transportiert wird.
4
wF =
2 · λ
π
wF
Strahlradius in der Fokusebene
λ Wellenlänge des Lasers
f Brennweite
△f Korrekturterm, da die Bildweite im Gegensatz zur
geometrischen Optik auch von der Rayleighlänge abhängt.
d Strahldurchmesser am Fokussierelement
1.2.3 Strahlparameterprodukt
Das Strahlparameterprodukt ist wohl die wichtigste Faustformel im täglichen
Betrieb mit einer gegebenen Laserbearbeitungsanlage. Die Formel gilt immer
für einen Strahl vor und nach einem optischen Element.
· f
d

1. Grundlagen 5
wL
θL
wF
θF
wL · θL = wF · θF = λ
π
wi = di
2
Strahlradius vor dem optischen Element
(Fernfeld)divergenz vor dem optischen Element
Strahltaille nach dem optischen Element
(Fernfeld)divergenz nach dem optischen Element
Für kleine Divergenzwinkel kann gesagt werden, daß sich bei Verdopplung
der Brennweite der Fokusdurchmesser verdoppelt und die Intensität daher
auf ein Viertel zurückgeht.
1.2.4 Rayleighlänge
zR
zR = wF
Rayleighlänge
θF
= π · w2 F
λ
Die Rayleighlänge kennzeichnet jenen Abstand von der Fokusebene, in
der der Strahldurchmesser auf den √ 2 fachen Wert ansteigt.
Einfach gesagt kennzeichnet die Rayleighlänge jenen Bereich, in dem der
Strahl gut fokussiert bleibt.
1.2.5 Realer Strahl–Strahlqualitätskennzahl K
Die Zusammenhänge beim realen Strahl sind wesentlich komplizierter als die
einfachen Ergebnisse beim Gaußstrahl. Eine exakte mathematische Beschreibung
der Strahlpropagation erfordert die Lösung der Kirchhoff–Fresnell Integrale,
die erforderlichen Daten sind aber aus einer realen Laserquelle kaum
zu ermitteln.
Die Erfahrung zeigt folgende Ergebnisse bei einer realen Anlage:
• Fokusdurchmesser df wird größer
• Rayleighlänge zr wird kleiner

1. Grundlagen 6
als beim Gaußstrahl.
Eine einfache Abschätzung der realen Größen erlaubt das Konzept der
Strahlqualitätskennzahl K. K ist der Quotient aus dem Strahlparameterprodunkt
(SPP) des idealen und des realen Strahls.
K = SPPideal
SPPreal
=
λ
π
wL · θL
= λ 2 · f
·
π d · wF
K =0...1
K ist eine Kennzahl der Laserquelle (läßt sich theoretisch aus den einzelnen
Moden ableiten) und liegt zwischen 0 und 1 (Gaußstrahl). Leider besteht
bei realen Lasern ein Zielkonflikt aus Laserleistung (gute Ausnutzung
des Resonatorvolumens erfordert das Zulassen höherer Moden) und Strahlqulität
(Verhindern dieser höheren Moden z. B. mit Blenden verringert das
ausnutzbare Resonatorvolumen und damit die Leistung).
Anwendungen wie Schweißen und Härten erfordern eher geringe Strahlqualität,
Schneiden erfordert hohe Strahlqualität (feiner Schnitt).
Für eine gleichbleibender Optik sind folgende Beziehungen gültig:
Vergrößerung des Fokusdurchmessers:
Abnahme der Rayleighlänge:
Strahlparameterprodukt:
wF,real = wF,ideal
K
zR,real = zR,ideal · K
wL · θL = wF · θF = λ
· K
π
1.3 Meßgeräte für die Strahlleistung
1.3.1 Kalorimetrische Messung
Knochen
Ein einfaches Meßgerat, das für eine bestimmte Zeit in den Strahl gehalten
wird (meist 10 oder 20 sec) und dann auf einer Skala die Strahlleistung angibt.
Ein Hohlkörper wird erwärmt und die Druckerhöhung eines eingeschlossenen
Gases wird gemessen, alternativ kann auch die Erwärmung direkt gemessen
werden (elektrischer Knochen).
• einfach handzuhaben
• mißt nur stationäre Leistungen

1. Grundlagen 7
Messung über Erwärmung von Wasser
Ein Strahlvernichter wird wassergekühlt. Gemessen werden Wassertemperatur
im Zulauf und Ablauf sowie der Durchfluß. Daraus kann leicht die
Leistung ermittelt werden:
P = cp ·△T · ˙m
P Strahlleistung
cp
Spezifische Wärmekapazität
△T Erwärmung des Kühlmediums
˙m Massenstrom des Kühlmediums
Das am ISLT befindliche Leistungsmessgerät Prometec Powermeter arbeitet
nach diesem Prinzip, fallweise wird es auch in den (ohnedies wassergekühlen)
Strahlvernichter in Laserquellen eingebaut, arbeitet dann aber nur bei geschlossenem
Shutter (CX6000).
• aufwendig, wenn nicht in den Laser integriert
• sehr genau
• reagiert eher träge auf Leistungsänderungen
1.3.2 Direkte thermische Messung
Ein sehr kleiner Teil der Laserstrahlung (im Promillebereich) wird ständig
ausgekoppelt und trifft auf einen Thermistor (Widerstandsänderung zufolge
Erwärmung). Das elektrische Signal wird auf die Gesamtleistung kalibriert.
• meist am Laser vorhanden
• ungenau
• reagiert schnell auf Leistungsänderungen
1.4 Meßgeräte für Strahldurchmesser und
Intensitätsverteilung
1.4.1 Plexiglas
Plexiglas ist das Mittel der Wahl um CO2–Laserstrahlung sichtbar zu machen
weil es die Strahlung praktisch zu 100% absorbiert und sich das Material
sofort chemisch in gasförmige Bestandteile zerlegt.

1. Grundlagen 8
Sogenannte Einbrände lassen eine einfache und schnelle Abschätzung des
Strahldurchmessers und des Modes zu. Geeignet zur relativen Beurteilung
(besser–schlechter), zum Finden der Fokusebene, Untersuchungen des Strahlenganges
usw.
Das Plexiglas wird in den Strahl gehalten und der Shutter kurz geöffnet.
Zur Modebeurteilung dauert der Einbrand einige Sekunden, der Rauch wird
mit Preßluft weggeblasen.
1.4.2 Andere Einbrandmaterialien
Zum Auffinden sehr schwacher Strahlen (Streustrahlung, sehr schwache Laser)
eignet sich handelsübliches Faxpapier.
Für Hochleistungslaser ebenfalls geeignete Einbrandmaterialien sind
Holz, (weiß) beschichtete Spanplatten, Karton usw.
1.4.3 Prometec Laserscope UFF100
Das Prinzip des UFF100 wird in der folgenden Abbildung illustriert:
Fig. 1.2: Funktionsweise UFF100
Eine Hohlnadel rotiert durch den Strahl. Durch eine kleine Lochblende
tritt Strahlung ein und wird über zwei spiegelnde Schrägflächen in einen
auf der Achse lieenden Detektor gelenkt. Durch Verschiebung der Drehachse
kann der gesamte Strahl abgetastet werden. Über einen PC werden aus der

1. Grundlagen 9
Position der Blende und der gemessenen Intensität Werte I(x, y) erfaßt und
können in verschiedener Form dargestellt werden.

2. PRAKTISCHER TEIL DER LÜ
2.1 Sicherheit
Die Übung erfolgt an einem 30W CO2 Laser (Laserklasse 4). Da an der
Anlage Messungen durchgeführt werden sollen, muß auf die sonst übliche
Einhausung verzichtet werden.
Das Tragen von Schutzbrillen geeignet für CO2 Laserstrahlung ist daher
unbedingt notwendig.
Bei Arbeiten ohne das Prometec Meßgerät ist auf der Prometec–Konsole
immer ein YTONG Block als Strahlfänger aufzustellen.
2.2 Aufbau der Versuchsanordnung
Die Veruchsanordnung besteht aus folgenden Teilen:
Synrad 30W CO2 Laser: Leistungsvorgabe über Pulsweitenmodulation bei
5V DC
Philips Funktionsgenerator zur Ansteuerung des Lasers: Erzeugt Rechtecksignale
(Repetition Time=Zeit von hi+lo, Duration=Zeit von hi).
Bei Rep.=extern, Dur.=10ms, Vernierpoti von Dur.=max können Einzelimpulse
von etwa 100ms Dauer mit der Taste Single Shot abgegeben
werden.
Bei Rep.=10ms, Dur.=1ms kann mit dem Vernierpoti von Dur. die
Leistung stufenlos von 10 . . . 90% gesteuert werden.
Hitachi Oszilloskop: Dient zur Visualisierung des Rechtecksignals.
Prometec Meßgeräte: Powermeter, Laserscope UFF100 und ein PC dienen
zur Strahldiagnose. Aus Zeitgründen werden Messungen im Fokus und
Rohstrahlmessungen mit der gleichen Meßnadel durchgeführt, was das
Meßergebnis verfälschen wird. Die Strahlleistung wird über ein Tischmultimeter
ausgegeben (1W � 1mV ).
Optische Bank und Linse unbekannter Brennweite

2. Praktischer Teil der LÜ 11
2.3 Durchführung der LÜ
Folgende Aufgaben sind im Rahmen der LÜ zuerfüllen, um eine positive
Note zu erwirken:
Einrichten des Lasers auf die Achse der optischen Bank Hilfsmittel: Lochblende,
Tesastreifen
Bestimmen der Linsenbrennweite Plexiglaseinbrände im Singleshotbetrieb,
Ausmessen des Lochdurchmessers mit einer Meßlupe, kleinstes Loch
⇒ Fokus.
Bestimmung des Rohstrahldurchmessers mit Plexiglas
Bestimmung der K–Zahl: aus Fokusdurchmesser und Rohstrahldurchmesser
Bestimmung der Laserleistung mit dem Knochen
Prometecmessung: Rohstrahlvermessung, Fokusmessung, Ermitteln der
Strahlkaustik, Ermitteln der K–Zahl.
Protokoll: ein Protokoll pro Gruppe, soll die gemessenen Daten enthalten
und auf Millimeterpapier (oder Excel,...) die Strahlkaustik.
Übungstest: zu Beginn der Übung, Dauer etwa 15min.