Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Physikalische Grundlagen, Information und Fragen zu Lasern.

Moderator: ekkard

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R3N3
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Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von R3N3 » Sa 06 Jan, 2018 8:37 am

Hallo alle zusammen :D

Ich habe eine, vielleicht etwas naive, vermutlich auch nicht praxisrelevante, aber mich seit Tagen beschäftigende Verständnisfrage...

Es wurde und wird ja im Forum viel über Leistung, Strahldurchmesser, Divergenz im Halb- oder Vollwinkel, Single- oder Multimode diskutiert. Und manche Hersteller werben ja ausdrücklich mit Sätzen wie "Leistung verdoppelt = 1,5 fache Helligkeit / Strahldurchmesser halbiert = 4 fache Helligkeit" und ähnlichem.

Jetzt frage ich mich seit geraumer Zeit, wie der Strahldurchmesser von den Herstellern denn definiert ist und ob er berechnet oder gemessen oder geraten oder ausgelost wird.

Natürlich kann ich den Mitarbeiter mit den besten Augen und dem schärfsten Blick mit einem Maßband hinstellen und den Strahl ausmessen lassen. Aber das wird ja keine exakten Ergebnisse bringen.

Im Fall von Dioden-Lasern kann ich aber auch nicht die Emitter-Breite nehmen, da der Strahl ja im Nachhinein noch kollimiert wird.

Wenn ich jetzt einen "idealen" Laserstrahl mit klassischen Gaußeigenschaften und TEM00 zu Grunde lege, so frage ich mich, wieviel Prozent des ausgesandten Strahls und/oder des an der Wand auftreffenden Lichtflecks nun als "Strahldurchmesser" für die Herstellerangabe und deren Divergenzberechnung gelten? Denn kein Mensch wird die 99.99% der Gauss-Verteilung mit seinen Augen sehen und messen können. Aber letztlich bestimmt ja die Intensität im Rahmen der Gauß-Eigenschaften irgendwie die Definition des Strahldurchmessers.

Ich habe mich hier durch Berge an Posts von Undine durchgeschlagen (Puh das ist hartes Brot) und bin im Thread Modenvolumen berechnen nachdem ich manche Rechnung nachvollziehen konnte auf die Aussage
Der Strahldurchmesser eines beliebigen TEM-ql ist dabei nach verschiedenen Kriterien bestimmt - der wichtigste ist der Durchmesser als der Bereich in dem sich 86,4% der Gesamtstrahlungsleistung befinden... 100% sind ja in´s "Unendliche" verteilt...
gestossen.

Ich weiß aber nun nicht, ob das 1.) eine offizielle allgemeingültige Festlegung ist oder nur auf die im Thread diskutierte spezielle Fragestellung zutrifft oder ob das 2.) tatsächliche Relevanz für die physikalisch-technischen Angaben der Hersteller hat. Zumal sich mir dann die Frage stellt, wenn ich 100% nicht messen kann, wie messe ich dann 86,4%?

Wie funktioniert die Angabe und Festlegung des "Strahldurchmesser" in der Praxis? Vor allem bei Dioden, deren kollimierten Strahl-Durchmesser ich ja nicht wie bei Gas- oder DPSS durch die reine Austrittsfensterbreite näherungsweise festlegen kann?

(Ich werde das Gefühl nicht los, dass die Antwort so einfach ist, dass ich hinterher im Boden versinke...)

Viele liebe Grüße und allen ein schönes Wochenende, Rainer :D

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von mikesupi » Sa 06 Jan, 2018 9:21 am

Hi Rainer,

man misst das entweder mit einem entsprechenden Leistungsmessgerät (Coherent, etc.), das auch das Strahlprofil und die Leistungsverteilung ausgibt. Das macht man dann in verschiedenen Entfernungen.
Die Einen arbeiten mit Thermosensoren, die Anderen mit CCD Kameras und entsprechenden Filtern.

LG
Mike


...

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von Hatschi » Sa 06 Jan, 2018 12:08 pm

Halli Hallo

Der Einfachheit halber nimmt mann 80 oder 85% der Gaussverteilung an.

Bei Showprojektorherstellern wirst du dazu allerdings nichts finden. Ist ja auch fast Wurst ob das Rund oder wie auch immer ist, da zählt nur die Gesamtleistung.
Anders bei Applikationen in denen das Strahlprofil Vorrang hat.

Kleinste Divergenz ist nicht immer das sinnvollste bei Showprojektoren (Publikumsabstand), trotzdem kann man mit geringerer Divergenz an der Gesamtleistung sparen. Geringere Divergenz = größerer Strahldurchmesser und der passt dann oft nicht mehr auf die Scannerspiegel.

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von ekkard » Sa 06 Jan, 2018 1:47 pm

Jener Durchmesser, der 86,4% ~(1-1/e²)*100 der Gesamtleistung umfasst, ist die übliche (Physikbuch-) Definition. Das ist zugleich jener Durchmesser, bei dem die Strahldichte auf das 1/e²-fache abgefallen ist (immer Gaußprofil voraus gesetzt).

Für sicherheitsrelevante Betrachtungen wird aber der kleinere Durchmesser verwendet, der nur ~(1-1/e)*100 = 63,2% der Leistung umfasst. Das ist auch ungefähr das, was man auf einer Projektionsfläche sieht, weil man dabei geblendet wird.

Hersteller geben vielfach jenen Durchmesser an, bei dem die Strahldichte (nicht Strahlleistung!) auf den halben Wert abgesunken ist. Wie man das nun in einen der anderen Werte umrechnet, muss ich erst einmal nachforschen.
Wenn es wichtig wird oder ist, kann ich das gerne tun.
Erst mal so viel!
Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von R3N3 » Sa 06 Jan, 2018 5:52 pm

Hallo

Danke für die Antworten. Da habt ihr mir echt weitergeholfen.
immer Gaußprofil voraus gesetzt
Ein Gaußprofil kann ja bei der Intensität dann aber tatsächlich nur für TEM00 gelten oder? Denn bei anderen Moden habe ich ja mehrere "Maxima" auf den Thermosensoren oder CCD Kameras, vermute ich? Wobei auch die selbst ja wiederum einer Gaußverteilung unterliegen, oder?
Wie man das nun in einen der anderen Werte umrechnet, muss ich erst einmal nachforschen.
Wenn es wichtig wird oder ist, kann ich das gerne tun
Danke Ekkard, aber das ist nicht nötig. Es ging mir tatsächlich nur um mein eigenes Grundlagen-Verständnis, und nicht um eine konkrete spezielle Berechnung oder Anwendung.

Viele liebe Grüße, Rainer

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von ekkard » Sa 06 Jan, 2018 7:25 pm

Hallo Reiner!
R3N3 hat geschrieben:
Sa 06 Jan, 2018 5:52 pm
Ein Gaußprofil kann ja bei der Intensität dann aber tatsächlich nur für TEM00 gelten oder? Denn bei anderen Moden habe ich ja mehrere "Maxima" auf den Thermosensoren oder CCD Kameras, vermute ich? Wobei auch die selbst ja wiederum einer Gaußverteilung unterliegen, oder?
In der Praxis reicht meistens die Näherung, der Strahl habe Gauß-Profil. Meine Abschätzungen ergeben, dass man ohnehin besser mit einem Faktor 1/2 rechnet (oder die Strahldichte, volkstümlich Intensität, vor dem Vergleich mit der MZB verdoppelt). Erst, wenn's "Spitz auf Knopf" kommt, muss man halt nachmessen oder -rechnen. Aber dann wird die Sache ohnehin "grenzwertig", und man ergreift besser andere Maßnahmen als genauer zu prüfen.

Es ist korrekt, dass bei mehreren Moden jede einzelne ihrerseits ein quasi-Gauß-Profil aufweist. Dies ist aber nicht immer so. Man denke an Modenkopplung und "Hotspots". Es ist daher immer eine gute Idee, sich die Strahlprofile genauer darzustellen und "anzusehen" (möglichst mit einem Instrument!).
Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von vakuum » So 07 Jan, 2018 5:42 pm

Bei Laserdiode wird die Divergenz meistens in FWHM angegeben.
Näheres Dazu: https://de.wikipedia.org/wiki/Halbwertsbreite

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von tschosef » Mo 08 Jan, 2018 8:11 am

Halli hallo...
In der Praxis reicht meistens die Näherung, der Strahl habe Gauß-Profil.
wobei dieses Profiel eben in der Praxis/Realität so gut wie nie vorkommt... erst recht nicht bei MultiMode Dioden und Spiegelschnitt Modulen...


viele Grüße
Erich
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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von jojo » Mo 08 Jan, 2018 12:09 pm

Also ich tendiere auch zur Angabe des FWHM.
Die meisten Laserhersteller geben die Strahldaten so an. Damit meine ich nun "echte" Laserhersteller oder Diodenhersteller und keine Projektorhersteller.

Bei einem Multimodestrahl nimmt man dann einfach den Randbereich, an dem die Leistung auf die Hälfte abgefallen ist.
Jetzt frage ich mich seit geraumer Zeit, wie der Strahldurchmesser von den Herstellern denn definiert ist und ob er berechnet oder gemessen oder geraten oder ausgelost wird.
Es wird der Wert angegeben, der sich am besten verkauft. :D
In der Showbranche wird eigentlich nur noch bei der Scanspeed von Galvos noch mehr betrogen, als bei den Strahldaten der Laser. :lol:
Das ist auch bei Lasern wie bei den Galvos ganz einfach: Indem man die Messbedingung einfach weglässt, kann man sich jeden gewünschten Wert zurechtlügen.
Also so wie ich z.B. bei Galvos "50K" einfach den Anhang "bei 8 Grad ILDA-Testbild" einfach weglasse, kann ich auch beim Laser "3 Millimeter" einfach den Anhang "FWHM" oder "86,4% der Gesamtleistung"
weglassen und somit mir jeden gewünschten Strahldurchmesser von 2 bis 5 Millimeter hinbiegen...


Gruß

Joachim
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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von JETS » Mo 08 Jan, 2018 3:44 pm

Ich persönlich fände es ja fair, wenn die Leistung einfach am paralell kollimierten Strahl nach einer Blende mit dem angegebenen Strahldurchmesser gemessen wird.
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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von VDX » Mo 08 Jan, 2018 4:07 pm

... ich habe mir gerade ein anderen "Problem" aufgehalst - wie messe ich den Unterschied zwischen 975nm und 1070nm mit "Hausmitteln"?

Die Leistung zu messen ist kein Problem, hab' ein Leistungsmeßgerät mit Siliziumsensor, das kurzzeitig bis 50Watt CW messen kann.

Bei den 975nm-IR-Laserdioden mit Faser dran habe ich ein relativ gutes "top hat"-Profil und bei den Faserlasern eine perfekte gaussche Verteilung.

Jetzt habe ich es bei einem defekten Faserlaser, bei dem die Pump-Dioden-Einkopplung noch intakt ist, nur durch Strom auf die 975nm-Dioden geschafft, einen "perfekt gausschen" Strahl aus dem Faserkopf rauszubekommen.

Die Ausgangsleistung entspricht auch in etwa den Angaben für den Faserlaser mit 1070nm.

Wie kriege ich nun die Ausgangs-Wellenlänge raus :?

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von ekkard » Mo 08 Jan, 2018 6:08 pm

Ich werde nicht ganz schlau aus deiner Problemschilderung.
Entweder eine Spektralkomponente ist ausgefallen, dann misst dein Leistungsmessgerät die andere.
Oder beide strahlen, dann brauchst du ein Filter für eine der beiden Komponenten, beispielsweis ein Sperrfilter für 1070nm. Mit Filter misst du nur die 975nm-Komponente, ohne Filter beide. Die Differenz ist der 1070-er Anteil. (Bei Differenzbildung bitte den vergrößerten relativen Messfehler beachten!)
Wenn dein Messgerät unterschiedliche spektrale Empfindlichkeiten aufweist, musst du "gewichtete" Differenzen aus den Herstellerangaben zur spektralen Empfindlichkeit des Messgerätes ermitteln. Das kann bei großen Unterschieden der spektralen Empfindlichkeit das oben beschriebene Verfahren ad absurdum führen. Kurz: Es geht so nicht!
Mit freundlichen Grüßen
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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von VDX » Mo 08 Jan, 2018 6:23 pm

Hi Ekkard,

hab' mal nachgeschaut - die rein über den Dioden-Strom (ohne seed-Diode und MO) ansteuerbaren Faserlaser sollen ein Filter gegen die 975nm vorne drin haben -- da sollten also nur noch 1070nm rauskommen ... das entspricht auch dem "perfekten gausschen Strahlprofil", was ich auf dem Indikatorplättchen sehe - sonst würde ich über die zusätzliche Abstrahlung der Pumpleistung aus dem Cladding heraus auch nur wieder ein top-hat Profil sehen.

Aso gehe ich mal davon aus, daß ich diesen Faserlaser mit einer Leistung bis knapp 160Watt mit PWM oder bis 140Watt CW laufen lassen kann ... muß mal schauen, ob ich noch ein paar von diesen alten Teilen finde - bei den neueren geht das scheints nicht mehr so einfach ;)

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von ekkard » Mo 08 Jan, 2018 9:45 pm

Ich nehm's zur Kenntnis, obwohl mir dein Problem nicht klar geworden ist.
Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von VDX » Mo 08 Jan, 2018 11:58 pm

Hi Ekkard,

mein Frage ging darum, ob/wie ich möglichst einfach, ohne die Möglichkeit eine Wellenlänge zu messen, rausbekommen kann, ob vorne 975nm rauskommen oder 1070nm ... hab' inzwischen durch eine ausführlichere Beschreibung des Aufbaus rausbekommen, daß die 975nm kompett geblockt/reflekiert werden, so daß es eigentlich nur die 1070nm sein können ... und das Strahlprofil und sehr gute Fokussierbarkeit paßt auch dazu ;)

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Re: Strahldurchmesser + Divergenz + Moden = ???

Beitrag von ekkard » Di 09 Jan, 2018 11:23 am

Ok!
Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

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