Gezielte Auswahl

Frank Billhardt, LASER 2000, Büro Berlin

Der grundsätzliche Aufbau aller Strahlanalysesysteme ist gleich – sie bestehen aus einem Sensor zur Aufnahme eines Intensitätsprofils und einem Analysator zur Darstellung des Profils und zur Berechnung der Strahlparameter. Technologisch werden im wesentlichen zwei verschiedene Arten von Detektoren und damit auch Messverfahren unterschieden.

Einzeldetektoren zeichnen sich durch einen hohen Dynamikbereich aus und erreichen in Kombination mit Kanten (Knife-Edge), Schlitzen oder Lochblenden und hochauflösenden Motoren eine sehr hohe räumliche Auflösung (sub-µm Bereich). Durch den mechanischen Scanvorgang bestimmt, können diese Systeme jedoch nur bei kontinuierlichen (cw) oder quasi-cw Lasern (Pulsfolgefrequenz > 3–5 kHz) eingesetzt werden. Für diese Systeme wird oft auch der Begriff „Beamprofiler“ verwendet. Haupteinsatzbereiche sind hier die Vermessung von kleinen Spotdurchmessern oder die direkte Vermessung großer Emissionsquerschnitte ohne zusätzliche Abbildung.

Systeme mit Flächendetektoren haben in der Regel einen kleineren optischen Dynamikbereich und eine geringere Ortsauflösung als die Einzeldetektoren, erlauben aber auch die Darstellung der gesamten momentanen Intensitätsverteilung in einem einzigen Laserimpuls. Sie sind damit hervorragend zum Abgleich und zur Justage optischer Strahlungsquellen geeignet.

Die Betriebsart des Lasers ist einer der beiden entscheidenden Parameter bei der Auswahl, denn Laser mit niedrigen Pulsfolgefrequenzen können prinzipiell nur mit triggerbaren Flächendetektoren vermessen werden. Der zweite entscheidende Parameter ist der Wellenlängenbereich. Während Einzeldetektoren, aus Si-, Ge-, InAs-, InGaAs-, II-VI- oder Pyrodetektoren nahezu den gesamten Bereich von UV bis IR lückenlos abdecken, sind geeignete Flächendetektoren nicht für alle Wellenlängenbereiche verfügbar. Pyrokameras und IR-Vidicons ermöglichen zwar Messungen im Infrarotbereich, haben aber meistens nur eine geringe Auflösung/Pixelzahl und liegen vom Preis her weit über dem von Standardsystemen für den sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS).

Die Frage nach dem eigentlichen Messziel ist ein weiterer wichtiger Punkt. Ist es wichtiger einen unmittelbaren Eindruck der zweidimensionalen Intensitätsverteilung zu bekommen oder ist eine Messung mit hoher Dynamik und Ortsauflösung das eigentliche Ziel?

Für eine sinnvolle Aussage über ein glattes Strahlprofil sind mindestens 10 Stützstellen erforderlich. Damit wird der minimale Spotdurchmesser durch die 10fache Pixelgröße bei Flächendetektoren bzw. die Schrittweite bei Scanningverfahren limitiert. Nach oben sollte der Sensorchip jedoch höchstens zu 80% ausgeleuchtet werden. Flächendetektoren sind also auf Grund der Pixel- und Sensorgröße beschränkt, während Scanningsysteme durch die Sensor-/Aperturgröße bzw. durch den linearen Verfahrbereich limitiert sind.

Durch Wahl geeigneter Optiken ist es aber möglich auch für Kameras zur Vermessung divergenter Quellen (LED’s) einzusetzen. Jedoch ist davon auszugehen, dass Fehler und zusätzliche Störungen auftreten können, die das Ergebnis verfälschen.

Unabhängig von dem verwendeten Verfahren und der Hardware sollte die Messung entsprechend der gültigen ISO-Norm zur Bestimmung der Strahlparameter ausgeführt werden um Vergleichbarkeit gewährleisten zu können.

Abschließend sind hier noch einmal die wichtigsten Auswahlkriterien, die die Auswahl des richtigen Messsystems beeinflussen zusammengefasst:

Kamerasysteme sind das universellste Werkzeug und damit die erste Wahl, wenn noch kein anderes Messsystem zur Strahlanalyse zur Verfügung steht.

Für den UV-Bereich werden zusätzliche UV-sensitive, fluoreszierende Vorsatzoptiken mit C-Mount Anschluss verwendet. Im längerwelligen IR-Bereich werden i. a. Vidicon-Kameras eingesetzt. Ergänzend zu dieser Technologie werden mittlerweile auch halbleiterbasierte Flächenkameras z.B. mit InGaAs-Struktur und 320×256 Pixeln angeboten.

Neu ist auch eine direkte Beschichtung des Si-Arrays mit einer IR-empfindlichen Konverterschicht. Dieses Beschichtung erlaubt den Einsatz im besonders für die optische Nachrichtentechnik interessanten C- und L-Band (1450 – 1650 nm). Nachteil dieser Technologie ist bisher die geringe Homogenität der aufgebrachten Schicht.

Wichtig ist die generelle Eignung des Systems für die Strahlanalyse mit kohärenter Strahlung, d.h. der Chip selbst darf kein Deckglas besitzen. Dies ist vor allem bei Low-Cost Lösungen oft nicht der Fall.

Alle Kameras haben jedoch einen eingeschränkten optischen Dynamikbereich.

Dieser liegt bei Analogkameras typischerweise zwischen 1:125 und 1:150, daher macht es wenig Sinn in Kombination mit Analogkameras A/D-Wandler und Frame-Grabber mit mehr als 8-Bit Auflösung (256 Graustufen) einzusetzen.

Neue CCD-Chips in digitalen Kameras haben typ. Dynamikbereiche von >1:3000 und zeigen Effekte wie Satelliten oder Seitenmoden mit Intensitäten, die nur ‰ der max. Laserintensität beinhalten.

Weitere entscheidende Vorteile dieser Kameras sind die Digitalisierung im Kamerakopf, die je nach Hard- und Software einen wahlfreien Zugriff auf einen Bildausschnitt, eine freie Synchronisation der Kamera auf beliebige Laserpulse und die Einstellung der Verstärkung und Verschlussgeschwindigkeit erlaubt. Die Kameras selbst werden über PCI-Karten oder direkt über die Schnittstellen USB2.0 oder Firewire angesteuert. Eine Digitalisierung des Signals mit 14 Bit stellt dabei den besten Kompromiss zwischen Preis und Leistung dar. Zunehmend werden im VIS-Bereich auch Kameras mit CMOS Architektur (z.B. WinCamD-UCM Dataray Inc.) verwendet

Wenn die aktive Sensorfläche nicht ausreichend ist und keine abbildenden Optiken verwendet werden sollen, bieten Hersteller wie z.B. Dataray Inc, sog. TaperCams (z.B. mit 10 x 14 mm und 20 x 15 mm) an. Bei diesen Kameras befindet sich vor dem Chip ein faseroptischer Taper, ein präzise angeordnetes Bündel aus Glasfasern. Die besondere Eigenschaft dieser Bündel ermöglicht eine verzerrungsfreie Abbildung bzw. Verkleinerung der auftreffenden Intensitätsverteilung auf den CCD-Chip.

Jede zusätzliche Optik muss für Laseranwendungen geeignet sein (z.B. Aufstellung unter einem Winkel, Politur), so dass der Strahl nicht durch die Abschwächung verzerrt wird. Es ist jedoch immer darauf zu achten, dass im linearen Dynamikbereich der Kamera gearbeitet wird.

Allen Scanningverfahren gemeinsam ist, dass die Intensitätsverteilung als Funktion der Bewegung einer Blende, eines Schlitzes oder einer Kante gemessen wird. Bei der Darstellung des Intensitätsprofils handelt sich daher immer um eine zeitlich und räumlich integrierte und berechnete Darstellung des Profils. Durch diese Integration ist allerdings oft der Nachweis sehr feiner Strukturen nicht möglich. Diese Verfahren werden überall dort eingesetzt, wo kamerabasierte Systeme nicht verwendet werden können, wie z.B. bei der direkten Spotgrößenmessung von <50 µm oder auf Grund der Wellenlänge.

Die meisten Scanningsysteme basieren auf einem Rotationsprinzip, bei dem auf einer Scheibe oder Trommel befindliche Schlitze oder Blenden durch den Strahl bewegt werden. Die Drehachse der Scheibe liegt dabei entweder parallel zum auftreffenden Strahl, (z.B. BeamR von Dataray Inc.) oder beim Trommelprinzip quer zum Strahl.

Befinden sich mehrere Schlitze in unterschiedlichen Ebenen in Ausbreitungsrichtung auf dem so genannten Puck (z.B. BeamMap / BeamCollimate), ist es sogar möglich nicht nur das zweidimensionale Profil sondern auch dessen Änderung in Strahlrichtung zu messen. Damit wird die z.B. die Lagebestimmung oder Positionierung eines Fokus in XYZ, die Bestimmung des M2-Faktors und der Divergenz nahezu in Echtzeit möglich.

Eine Sonderstellung nehmen Scanningsysteme mit linearem Scan ein. Bei diesem Verfahren bewegen sich die Detektoren direkt mit der wechselbaren Blende linear durch den Strahl oder Fokus. Vorteile dieses Verfahrens sind der große geometrische Scanbereich und die Kompatibilität zu gepulsten Quellen mit Pulsfolgefrequenzen von mehr als 3–5 kHz. Der Messbereich des BeamScope (Dataray Inc.) erlaubt so z.B. die direkte Vermessung von Quellen mit einer Ausdehnung von bis zu 30 mm in einer Achse oder die extrem genaue Messung eines Spotdurchmessers mit 1 µm Durchmesser.

Jede Software und jede zur Strahlanalyse verwendete Hardware muss, um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleisten zu können, der internationalen Norm ISO 111146* folgen. Je nach verwendetem Messsystem (Kamera oder Profiler) liegt der Schwerpunkt der graphischen Darstellung dann entweder mehr auf dem 2D/3D Bild oder den gemessenen Profilen.

Darüber hinaus enthalten nahezu alle Softwarepakete eine Reihe weiterer Funktionen, die zusätzliche Aussagen ermöglichen. So werden oft standardmäßig verschiedene Funktionen oder Werte, wie Gauß- oder Top-Hat-Fit, Lage des Schwerpunktes und des Peaks, Mittelwertbildung, Hintergrundsubtraktion, Berechnung z.B. der Flußdichte und der Strahllagestabilität durchgeführt und dargestellt.

Viele Strahlanalysesysteme werden auch in andere Umgebungen oder Prozesse integriert. Damit bekommt die Kompatibilität bzw. die Übergabemöglichkeit der gemessenen Daten zu anderen Rechnersystemen einen hohen Stellenwert. Softwareseitig sollte daher eine Anbindung über LabView, VisualBasic, Delphi oder ähnliche Softwarepakete realisierbar sein.

Auf Grund der Vielzahl der verschiedenen Lasersysteme, ihrer Betriebsarten und optischen Eigenschaften gibt es kein universelles Strahldiagnosesystem, das für alle Applikationen die optimale Lösung darstellt. Eine gute Software sollte daher dem Anwender den Betrieb mit verschiedenen Messgeräten bzw. -verfahren ermöglichen um eine einfache Eingewöhnung und kurze Einarbeitungszeit in die Bedienung zu ermöglichen.

Jeder Laser oder jede Quelle und damit natürlich auch jede Anwendung hat eigene Testanforderungen, die bei der Entscheidung für ein geeignetes Strahldiagnosesystems bestimmend sind und entsprechend gewichtet werden müssen.

Laser 2000, München

QE 525

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