02 Okt Prüfung der Laserzerstörschwelle
Sponsored Post – Die Laserzerstörschwelle (englisch Laser Damage Threshold = LDT) ist eine entscheidende Spezifikation bei der Entwicklung von Hochleistungslasersystemen für verschiedenste Anwendungen von der Materialbearbeitung bis zu medizinischen Geräten.
Schäden, die durch Laser an optischen Komponenten verursacht werden, können zu einer Beeinträchtigung der Systemleistung, erhöhten Systemkosten oder sogar zu Totalausfällen der Geräte führen.
Definition der Spezifikation
Die LDT-Spezifikation gibt an, welche Laser mit einer spezifischen Optik oder optischen Baugruppe kompatibel sind. Die Norm ISO 21254 beschreibt die Laserzerstörschwelle als die “höchste Menge an Laserstrahlung auf einer optischen Komponente bei der die extrapolierte Wahrscheinlichkeit für Schäden gleich null ist”. In einfacheren Worten gesagt: Die Laserzerstörschwelle gibt die maximale Laserfluenz (gemessen in J/cm2 für gepulste Laser) oder maximale Laserintensität (gemessen in W/cm2 für Dauerstrich-Laser) an, die eine Optik aushalten kann, bevor Schäden auftreten. Bitte beachten Sie, dass der Wert keine absolute Garantie in der Praxis darstellt.
Trotz dieser Norm macht das Fehlen eines Branchenkonsens bezüglich der LDT-Testverfahren, der Schadenserkennungsmethoden und der Dateninterpretation die Laserzerstörschwelle zu einer komplexen Spezifikation. Die aktuelle Norm ISO 21254 liefert oft keine eindeutigen Ergebnisse, sodass bei Tests derselben Optik durch drei unterschiedliche Unternehmen theoretisch drei verschiedene Werte ermittelt werden könnten.
Ingenieure von Edmund Optics, wie z. B. Dr. Matthew Dabney, Principal Laser and R&D Engineer, sind aktiv an der Entwicklung eines neuen LDT-Prüfstandards beteiligt und bauen außerdem einen firmeninternen Prüfstand auf, der Tests gemäß den ISO-Standards 21254-1, -2, -3 und -4 sowie neueren Parametern und Protokollen des Optics and Electro-Optics Standards Council Task Force 7 (OEOSC-TF7) erlaubt. Durch diese firmeneigene Testmethode ist Edmund Optics in der Lage die hergestellten Optiken mit einem hohen Maß an Wiederholbarkeit zu vermessen und die angegebenen LDT-Spezifikationen genau zu verifizieren. Über einen solchen Prüfstand sind außerdem regelmäßige und schnelle Tests möglich, die in die Produktion zurückgespielt werden können, um eine zuverlässig hochwertige Fertigung von Laseroptiken aufrechtzuerhalten.
Entwicklung des Prüfstands
Die Unsicherheit hinsichtlich der tatsächlichen Schadenswahrscheinlichkeit, die einem bestimmten LDT-Wert zugeordnet ist, ergibt sich aus verschiedenen Faktoren während des Tests, z. B. aus Schwankungen im Testaufbau, aus zu wenig Testpunkten auf der Optik und aus den Schadenserkennungsmethoden. Der Prüfstand von Edmund Optics verwendet einen Nd:YAG-Laserstrahl mit 1064 nm und LabView-Software, um den Prozess zu steuern und Testdaten zu sammeln. Aufgrund der unterschiedlichen Eindringtiefen verschiedener Wellenlängen können je nach verwendeter Wellenlänge unterschiedliche Schadensbilder überprüft werden. So dringt z. B. eine Nd:YAG-Wellenlänge von 1064 nm weiter in eine Beschichtung ein und erzeugt tiefer liegende Defekte, während mit Wellenlängen von 355 nm die Materialhärte einer Beschichtung bewertet werden kann. Der Laserstrahl durchläuft eine räumliche Filterung und Messung durch verschiedene Komponenten, die alle bei konstanten Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus gehalten werden. Der Prüfstand ist mit automatisierten und motorisierten Verschiebemöglichkeiten ausgestattet, sodass mehrere Optiken gleichzeitig ohne manuelle Eingriffe getestet werden können. Die Stabilität und Automatisierung dieses Systems tragen zu einer hohen Testwiederholbarkeit bei und reduzieren Ungenauigkeiten und Variationen bei LDT-Messungen.
Ausreichende Testpunktzahl
Um genügend Testpunkte für die Prüfung zu erreichen, werden drei verschiedene Arten von Tests durchgeführt. Zunächst wird ein S-on-1-Test durchgeführt, bei dem eine Raster von 10 x 10 Punkten auf der Oberfläche der Optik 200 Laserpulsen pro Punkt ausgesetzt wird. Danach wird ein zufälliger Punkttest durchgeführt, bei dem 200 zufällig verteilte Punkte jeweils 200 Laserpulse erhalten, um eine radiale oder seitenbezogene Verteilung zu testen. Schließlich wird ein Raster-Scan auf einem Bereich der Optik durchgeführt, bei dem dieser Bereich vollständig von 200 überlappenden Punkten abgedeckt wird, die bei steigender Fluenz jeweils 200 Pulse erhalten, bis ein Totalausfall eintritt. Diese Testreihe umfasst mindestens 4% der freien Apertur der Optik, kann jedoch auf die gesamte Oberfläche ausgeweitet werden, wenn eine höhere Sicherheit erforderlich ist.
Schadenserkennung und Daten
Schäden an einer Optik können sich in verschiedenen Formen zeigen, von anfänglicher Verfärbung bis zu geringfügiger Oberflächenablösung und letztendlich bis zu einem totalen Ausfall. Die Erkennung der Schäden ist entscheidend für den Testerfolg und der Prüfstand beinhaltet zwei über Software gesteuerte Verschlüsse. Diese Verschlüsse schließen automatisch, wenn Schäden erkannt werden, und ermöglichen die Erfassung zusätzlicher Informationen wie DIC-Bildern und Messungen von verschiedenen Messgeräten zur Überwachung der Probe und des Strahls. Zurzeit wird Mikroskopie (online) mit 5X-Vergrößerung und DIC (offline) verwendet, um Schäden an den Optiken zu ermitteln.
Der Prüfstand generiert enorme Datenmengen. Informationen wie räumliche Profile, zeitliche Profile, Streudaten und DIC-Mikroskopiebilder werden für jeden der 200+ Pulse an jedem der 200+ getesteten Punkte auf jedem getesteten Teil erfasst und verarbeitet, um einen abschließenden Bericht und den LDT-Wert zu erstellen. Die Menge der erhobenen Daten und die umfangreiche Testmethode verringern die Unsicherheit der resultierenden LDT-Werte erheblich und sorgen für mehr Vertrauen in die Leistung der Optik beim Einsatz in der Praxis.
Edmund Optics® (EO) entwickelt und fertigt Beschichtungen für Laseroptiken, Komponenten und Baugruppen, die für Hochleistungslasersysteme optimiert sind, und setzt eine Vielzahl modernster Messtechnologien ein, um sicherzustellen, dass alle Spezifikationen erfüllt werden. Unsere erfahrenen Teams unterstützen Ihr Projekt vom Design über die Angebotserstellung bis zur Bestellung, Fertigung und Auftragsabwicklung.
