Welche Wellen?

Frank Billhardt, Laser 2000, Wessling

Mechanische und thermische Einflüsse, Alterung und Verschmutzung können die optischen Eigenschaften eines Laserstrahls manchmal innerhalb kürzester Zeit verändern, so dass es wichtig ist diese Änderungen zu messen. Um die Qualität der Fertigung, der Einkopplung in eine optische Faser oder die Präzision oder Geschwindigkeit einer Messung zu verbessern, ist es daher wichtig, die räumlichen Eigenschaften der Strahlung genau zu kennen.

Strahlanalysesysteme sind also erforderlich, um eine Aussage über die räumliche Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt zu erhalten. Aus dieser Leistungsverteilung können dann wichtige Parameter zur Charakterisierung und Optimierung der Quelle abgeleitet werden.

Zunächst müssen jedoch die Grundfragen zur Systemauswahl zwischen einem Scanning-System mit bewegter Blende und einem Kamerasystem geklärt werden. Die wichtigsten Auswahlkriterien dafür sind:

Die Betriebsart des Lasers ist einer der beiden entscheidenden Parameter bei der Auswahl eines Messsystems. So können z.B. Laser mit niedrigen Pulsfolgefrequenzen bis hinunter zu Einzelschusssystemen prinzipiell nur mit triggerbaren Kamerasystemen vermessen werden. Der zweite entscheidende Parameter ist die Wellenlänge des Lasers bzw. der Wellenlängenbereich der zu vermessenden Laser oder Strahlquellen. Während Scanning-Systeme mit Einzeldetektoren, basierend auf verschiedenen Halbleitermaterialien wie Si, Ge, InAs, InGaAs, II-VI und Pyrodetektoren nahezu den gesamten Wellenlängenbereich von UV bis zum IR lückenlos abdecken können, sind für die Strahlanalyse geeignete Kameras 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 Standard-CCD oder CMOS Kamerasystemen für den sichtbaren Wellenlängenbereich (VIS).

Für die meisten Anwendungen im sichtbaren und NIR Spektralbereich werden Kameras mit CCD- oder CMOS-Architektur auf Silizium-Basis eingesetzt. Wichtig bei der Entscheidung für die verwendete Kamera ist die generelle Eignung des Systems für die Strahlanalyse mit kohärenter Strahlung, d.h. der Chip selbst darf kein Deckglas besitzen, da dieses ggf. zu Interferenzen und Reflexionen führen kann, die das Ergebnis verfälschen oder unbrauchbar machen. Dies ist vor allem bei Low-Cost Lösungen aus einer analogen Kamera und einer Frame-Grabber-Karte oft nicht der Fall.

Die Kamera wird z.b. über eine PCI-Karte im Computer oder direkt über die Schnittstellen USB2.0 oder Firewire angesteuert. Oft benötigen Kameras mit Firewireanschluß ein zusätzliches Netzteil, was die Flexibilität und den Einsatz im Feld in Kombination mit Notebook-PCs erheblich einschränkt. Eine USB2.0 Schnittstelle ist daher oft die bessere Lösung.

Bei der Wahl zwischen CCD oder CMOS Chip sind die Strahleigenschaften oft der entscheidende Faktor. Neben der aktiven Fläche, der Pixelgröße, der Signalintensität spielt auch die Auslesegeschwindigkeit für gepulste Quellen eine wichtige Rolle. Einen Überblick über grundlegende Unterschiede gibt die Tabelle 1.

Die CCD- oder CMOS Chips in meisten neuen Kamerasystemen haben typische Dynamikbereiche von > 1 : 1 000 und zeigen Effekte wie Satelliten oder Seitenmoden mit Intensitäten die nur ‰ der max. Laserintensität beinhalten. Der optische Dynamikbereich von analogen Kamerasystemen liegt dagegen 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. Eine Digitalisierung des Signals mit 10 Bit stellt den besten Kompromiss zwischen Preis und Leistung dar.

Digitale Kamerasysteme bei denen die Wandlung des Bildes in ein analoges Videosignal entfällt, haben eine Reihe entscheidender Vorteile. Je nach Design der Hard- und Software der einzelnen Anbieter ist so ein wahlfreier Zugriff auf einen Bildausschnitt und außerdem eine freie Synchronisation der Kamera auf beliebige Laserpulse möglich. Damit kann eine Echtzeitanalyse mit einer Darstellung von über 1Mio Pixel realisiert werden.

Kameras mit elektronischem Verschluss sind über einen Leistungsbereich von bis zu 1 : 60 000 einsetzbar. Werden die elektronischen Abschwächer verwendet, so ist besonders darauf zu achten, dass innerhalb des linearen optischen Dynamikbereichs der Kamera einerseits und oberhalb des Rauschlevels andererseits gearbeitet wird. Eine Verringerung des optischen Dynamikbereichs verschlechtert die Genauigkeit der Ergebnisse. Oft ist auch der zusätzliche Einsatz optischer Abschwächer erforderlich, um die Laserintensität zu mindern und eine Anpassung an den Kamerabereich zu erzielen. Diese Optik muss für Laseranwendungen geeignet sein (Aufstellung unter einem Winkel, Politur), so dass der Strahl nicht durch die Abschwächung verzerrt wird.

Für eine qualitative Aussage über ein Strahlprofil sind mindestens 10 Stützstellen erforderlich. Damit wird der minimale Spotdurchmesser nach unten durch die 10fache Pixelgröße limitiert. Nach oben sollte der Chip höchstens zu 80% ausgeleuchtet werden um auch die Randbereiche beurteilen zu können. Die Kameras sind also auf Grund der Sensorgröße nach oben und auf Grund der Pixelgröße nach unten beschränkt. Durch die Verwendung von Objektiven oder anderer abbildender Optiken ist aber die Vermessung von divergent abstrahlenden Quellen wie z.B. von LEDs prinzipiell möglich. Selbst bei sorgfältigem Design der Optik ist jedoch davon auszugehen, dass Fehler und zusätzliche Störungen der Intensitätsverteilung auftreten können, die das Ergebnis verfälschen können.

Daher muss auf die Auswahl der richtigen Chipgröße schon im Vorfeld besonderes Augenmerk gelegt werden. In den meisten Fällen ist zwischen einer hohen Pixelzahl und kleiner aktiver Fläche oder umgekehrt zu entscheiden. Diese Entscheidung sollte weniger vom Systempreis als von der jeweiligen Anwendung bestimmt sein. Hauptkriterien sind also Geschwindigkeit und Auflösung. Typische Größen sind in der Tabelle 2 zusammengestellt.

Zur Beurteilung selektierter Einzelimpulse von Lasern mit geringer bis mittlerer Pulsrate ist i.d.R. auf Grund von Puls-Puls-Instabilitäten eine geringere Auflösung ausreichend, sofern weiterhin mindestens 10 Messpunkte vorhanden sind. Hauptkriterium bei dieser Anwendung ist eher eine hohe Auslesegeschwindigkeit und eine kurze Belichtungszeit um eine Einzelimpulsselektion gewährleisten zu können. Dies wird z.B. durch den UHS (USB-High Speed Chip) realisiert.

Eine hohe Ortsauflösung wird dagegen durch möglichst kleine Pixel wie z.B. bei der UHR- (USB-High Resolution) oder der CCD-Version erreicht. Ein Vorteil der CCD-Versionen ist das geringere Rauschen. Damit sind diese Kameras besonders für niedrige Intensitäten, die UHR-Modelle dagegen auf Grund des fehlenden Blooming-Effektes für höhere Leistungen und reinen Notebook-Betrieb besser geeignet. Durch die höhere Pixelzahl sind allerdings die erreichbaren Bildfolgefrequenzen hier niedriger als bei Systemen die für den Pulsbetrieb optimiert sind.

Auch wenn eine Vielzahl von Anwendungen mit den Standardsystemen erfolgreich abgedeckt wird, so kann es doch erforderlich sein, das Messsystem bzgl. des Strahldurchmessers oder der Wellenlänge an die Messaufgabe anzupassen.

Reicht die aktive Sensorfläche z.B. nicht aus und sollen keine abbildenden Optiken verwendet werden, so können als Option angebotene sogenannte faseroptische Taper eine interessante Lösung bieten. Der Taper ist ein präzise angeordnetes Bündel aus Glasfasern welches fest mit dem Sensorchip verbunden ist. Die besondere Eigenschaft dieser Bündel besteht darin, dass der aktive Kern der Glasfasern an der Eintrittseite größer ist als an der Chipseite. Dies ermöglicht eine verzerrungsfreie Abbildung bzw. Verkleinerung der auftreffenden Intensitätsverteilung auf den CCD-Chip. Die oben genannten Modelle sind generell mit 2 verschiedenen Tapergrößen lieferbar (10 x 14 mm und 20 x 15 mm).

Liegt dagegen die Wellenlänge außerhalb des eigentlichen Empfindlichkeitsbereiches des Chips, so stehen je nach Wellenlänge i.d.R. verschiedene Optionen zu Verfügung.

Im längerwelligen IR-Bereich können z.B. Vidicon-Kameras eingesetzt werden. Diese sind je nach Modell im Bereich von 400 nm – 1800 nm oder 2200 nm empfindlich. Auf Grund der hohen Kosten wird der Einsatz aber meist nur in dem Bereich erfolgen, in dem die Si-basierte Kameras nicht mehr empfindlich sind. Für noch größere Wellenlängen können Vidicons mit PbS- oder Ge-Röhre (8 – 14 µm) oder pyroelektrische Kameras (0,5 – 22 µm) eingesetzt werden. Ergänzend zu dieser Technologie werden zunehmend auch halbleiterbasierte Flächenkameras z.B. auf InGaAs-Basis angeboten.

Eine preiswerte Lösung im besonders für die optische Nachrichtentechnik interessanten C- und L-Bereich (1450 – 1650 nm) bietet ein direkt mit einer IR-empfindlichen Konverterschicht (Phosphor) beschichteter CCD oder CMOS Chip. Diese Beschichtung konvertiert das auftreffende Infrarotlicht in den für den Sensor sichtbaren Spektralbereich. Bisheriger Nachteil dieser Technologie ist die geringe Homogenität der aufgebrachten Schicht.

Für den UV-Bereich werden dagegen indirekte Abbildungsverfahren eingesetzt. Dabei werden UV-sensitive, fluoreszierende Materialien zur Detektion verwendet. Eine Standard-Kamera nimmt dann das ins sichtbare transformierte Bild auf. Auf diese Weise wird auch der Wellenlängenbereich von 10 nm – 400 nm erschlossen. Diese Konverter sind als Vorsatzoptiken mit C-Mount Anschluss und verschiedenen Aperturgrößen verfügbar.

Jede Software und jede zur Strahlanalyse verwendete Hardware muss, um eine Vergleichbarkeit der Ergebnisse gewährleisten zu können, den Richtlinien der internationalen Norm ISO 111146 folgen. Das bedeutet zum Beispiel, dass es möglich sein muss, die Berechnungen des Strahldurchmessers bzw. daraus abgeleiteter Größen wie z.B. des M²-Faktors, auch auf Basis der zweiten Momente mit entsprechender Mittelwertbildung durchzuführen.

Bei der Darstellung der Ergebnisse kamerabasierter Strahlanalysesysteme liegt der Schwerpunkt auf dem 2D/3D Bild oder den daraus abgeleitete Profilschnitten. Dadurch, dass die Kamera ein komplettes Bild der Intensitätsverteilung aufzeichnet, kann die Verteilung automatisch bzgl. Elliptizität, Lage des Strahlschwerpunkts, des Punktes der höchsten Intensität bewertet werden. Außerdem muss es möglich sein Schnitte durch beliebige Achsen zu legen und die errechnete 3D-Darstellung frei in allen Achsen zu drehen um einen vollständigen visuellen Eindruck zu erhalten.

Darüber hinaus enthalten die meisten Softwarepakete eine Reihe weiterer Funktionen, die zusätzliche Aussagen zu den optischen Eigenschaften ermöglichen. So werden oft standardmäßig verschiedene Funktionen, wie Gauß- oder Top-Hat-Fit, Mittelwertbildung, Hintergrundsubtraktion, Berechnung z.B. der Flussdichte und der Strahllagestabilität durchgeführt und dargestellt.

Gleichzeitig müssen aber auch die unterschiedlichen Parameter zur Einstellung des jeweiligen Sensors einfach und schnell zugänglich sein. In Verbindung mit Kamerasystemen, wären das z.B. die Parameter für die Belichtungszeit, die Verstärkung, den aktiven Bildausschnitt und die Auswahlmöglichkeiten zur Einstellung des Triggerverhaltens bei gepulsten Quellen.

Viele Kamerasysteme werden zunehmend auch in andere Umgebungen oder Prozesse integriert. Damit bekommt auch die Kompatibilität bzw. die Übergabemöglichkeit der gemessenen Daten zu anderen Rechnersystemen einen hohen Stellenwert. Für eine schnelle Dokumentation sind integrierte Funktionen zum Druck genauso wünschenswert, wie die Möglichkeit der Speicherung der Daten in verschiedenen Formaten.

Kamerabasierte Strahlanalysesysteme stellen einen guten Start zum Verständnis der Laserprozesse, zur Optimierung und Verbesserung optischer Systeme im Labor, Service und Produktionseinsatz dar.

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. Strahlanalysesysteme mit Kameras sind jedoch auf Grund ihrer Flexibilität, der einfachen Bedienung und der Vielzahl von an Optionen und Zubehör in keinem Fall eine Fehlinvestition sondern immer ein nützliches Werkzeug für eine Vielzahl optischer Messaufgaben.

LASER 2000, Wessling

QE 513