Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

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Viggar
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Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » So 08 Dez, 2019 11:42 am

Hallo zusammen,

ich bin ganz neu hier und sage wohl am besten erstmal kurz etwas zu meinem "Projekt":

Im Rahmen einer universitären Arbeit im Bereich Maschinenbau möchte/muss ich ein Lasersystem incl. Optik zur Bearbeitung von Kohlenstoffnanoröhren (CNTs) aufbauen. Mit aufbauen meine ich: Das passende Lasersystem raussuchen, die Optik dafür auslegen, testen. Das Lasersystem an sich wurde nun schon festgelegt, es handelt sich um einen 6W Diodenlaser, der bei 446 nm arbeitet und an eine 400 um Faser angeschlossen ist. An die Faser soll nun ein (noch festzulegender) Kollimator angeschlossen werden, der den Strahl dann in zwei Linsen (schon gekauft, Daten kann ich gerne noch geben, falls interessant) schickt, die den Strahl dann auf einen möglichst kleinen Fokuspunkt bringen soll, da CNTs ja sehr geringe Abmessungen besitzen.

Nun sind schon einige Monate ins Land gegangen und der Abgabetermin rückt immer näher, ich habe mich in die Sache eingelesen und mir einen guten Grundstock an Wissen über Laser, geometrische Optik, Fasern usw. angeeignet, aber irgendwie komme ich bei der Berechnung der Verhältnisse ausserhalb des Lasers nicht weiter. Ich muss irgendwie herausfinden, wie mein Strahl nach dem Kollimator aussieht, wie ich meine Linsen zueinander ausrichten muss, damit ich einen möglichst schmalen Strahl bekomme und wie schmal mein Strahl am Ende ist.
Leider steht in all den Büchern, die ich bislang gewälzt habe, nur teilweise brauchbares drin, es werden Gaussstrahlen angenommen, von nicht-kollimierten Strahlen ausgegangen, oder es wird mit Informationen gearbeitet, die mir auf Grund fehlender Herstellerangaben nicht zur Verfügung stehen.

Was ich nun bräuchte, ist ein Buch/Leitfaden/Artikel, in dem dargestellt wird, wie solche Berechnungen am Laser bzw. Optik praktisch durchzuführen sind, so dass ich die Informationen vernünftig anwenden kann. Kennt ihr da gute Bücher?

Alternativ: gibt es hier irgendwo ein Tutorial, in dem dieses Thema schonmal behandelt wurde? Die "FAQ für Einsteiger" ist leider nicht das Richtige, jedenfalls habe ich nichts dazu gefunden...

Vielen Dank schonmal im Voraus!

hikke
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » So 08 Dez, 2019 1:42 pm

Hier sind ein paar Links zum Einlesen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlparameterprodukt
https://www.primes.de/de/strahldiagnose ... mlung.html
https://application.wiley-vch.de/berlin ... _63_66.pdf
http://laz.htwm.de/3_forschung/80_photo ... ng_end.pdf
https://de.wikipedia.org/wiki/Numerische_Apertur

Bestimmung von Laser SPP.
Also deine Faser hat einen Kerndurchmesser von 400µm. Aus der Faser NA kannst Du den Divergenzwinkel bestimmen.

SPPreal = Kernduchmesser * Voller_Divergenzwinkel/4
SPPideal = Wellenlänge(µm)/Zahl_PI = 0,142 mm*mrad
M² = SPPreal/SPPideal


Hier kannst Du die Fokusierbarkeit des Strahls berechnen.
https://www.ophiropt.com/laser--measure ... or?lang=de

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » So 08 Dez, 2019 2:43 pm

... hmmm ... evtl. solltest du die Faser weglassen und die Laserdiode direkt fokussieren - nach der Faser ist der 0.4mm Strahl praktisch kaum noch auf unter 0.2mm zu bekommen, außer, du hast eine Riesen-Optik dahinter :?

Viktor
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » So 08 Dez, 2019 9:38 pm

hikke hat geschrieben:
So 08 Dez, 2019 1:42 pm
Hier sind ein paar Links zum Einlesen:

https://de.wikipedia.org/wiki/Strahlparameterprodukt
https://www.primes.de/de/strahldiagnose ... mlung.html
https://application.wiley-vch.de/berlin ... _63_66.pdf
http://laz.htwm.de/3_forschung/80_photo ... ng_end.pdf
https://de.wikipedia.org/wiki/Numerische_Apertur

Bestimmung von Laser SPP.
Also deine Faser hat einen Kerndurchmesser von 400µm. Aus der Faser NA kannst Du den Divergenzwinkel bestimmen.

SPPreal = Kernduchmesser * Voller_Divergenzwinkel/4
SPPideal = Wellenlänge(µm)/Zahl_PI = 0,142 mm*mrad
M² = SPPreal/SPPideal


Hier kannst Du die Fokusierbarkeit des Strahls berechnen.
https://www.ophiropt.com/laser--measure ... or?lang=de
Vielen Dank für die Antwort, einige der Quellen kannte ich schon, andere sind neu und recht hilfreich.

Mehrere Probleme jedoch:
  • Die Beugungsmaßzahl des Strahls aus der Faser berechne ich zu 624,05... Das erscheint mir recht hoch, zumal ein Gauß-Strahl ein M^2 von 1 hat. Was mache ich falsch?
    Kenndaten Faser: NA=0,22, Kerndurchmesser=400 um
  • In einem Lehrbuch habe ich die Formel für den kleinstmöglichen Fleck als w_0' = (Lambda*f)/(Zahl_Pi*w_0) gefunden, w_0 ist der Strahldurchmesser. Tippe ich das in den Taschenrechner, kommt ein Wert von 0,0039 mm heraus, der Rechner auf Ophiropt kommt jedoch auf 0,0156 mm. Ne Ahnung, woran das liegt?
Das spiegelt halt mein Problem ganz gut wieder: viele Quellen geben unterschiedliche Formeln zur Berechnung an und ich weiß nicht, was da nun Richtig ist...

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » So 08 Dez, 2019 9:41 pm

VDX hat geschrieben:
So 08 Dez, 2019 2:43 pm
... hmmm ... evtl. solltest du die Faser weglassen und die Laserdiode direkt fokussieren - nach der Faser ist der 0.4mm Strahl praktisch kaum noch auf unter 0.2mm zu bekommen, außer, du hast eine Riesen-Optik dahinter :?

Viktor
Danke für deine Antwort Viktor (schöner Name übrigens, so heiße ich auch. Ebenfalls mit "k" ;))

Ich habe keine riesen-Optik da, es sind zwei Linsen mit f1=1,45 mm und f2=11 mm, Aperturen von 1,6 und 6,59 mm.

Wie kommst du denn darauf, dass das nicht kleiner geht, hast du da irgendwelche Quellen für mich?

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » So 08 Dez, 2019 10:54 pm

Mehrere Probleme jedoch:
  • Die Beugungsmaßzahl des Strahls aus der Faser berechne ich zu 624,05... Das erscheint mir recht hoch, zumal ein Gauß-Strahl ein M^2 von 1 hat. Was mache ich falsch?
    Kenndaten Faser: NA=0,22, Kerndurchmesser=400 um
  • In einem Lehrbuch habe ich die Formel für den kleinstmöglichen Fleck als w_0' = (Lambda*f)/(Zahl_Pi*w_0) gefunden, w_0 ist der Strahldurchmesser. Tippe ich das in den Taschenrechner, kommt ein Wert von 0,0039 mm heraus, der Rechner auf Ophiropt kommt jedoch auf 0,0156 mm. Ne Ahnung, woran das liegt?
Das spiegelt halt mein Problem ganz gut wieder: viele Quellen geben unterschiedliche Formeln zur Berechnung an und ich weiß nicht, was da nun Richtig ist...
Ich komme auf folgende Werte
SPPlaser = 0,4mm*440mrad/4 = 44mm*mrad
M² = (0,4mm*440mrad/4)/(0,446µm/PI) = 310

sprich 310x größer als der Grundmode M²=1(Singlemode) bei der Wellenlänge möglich ist.

-------------------------
Du hast also Linsen mit der Brennweite 1,45mm und 11mm.
Vereinfachte Rechnung mit geometrischen Optik:
d0'=0,400mm*(1,45/11)=0,0527mm -> Abgebildeter minimaler Durchmesser.

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » So 08 Dez, 2019 11:29 pm

... die Berechnungen gehen von einem Gausschen Strahl aus - nach dem Durchgang durch eine Faser hast du den aber nicht mehr.

Das könnte irgendwas in der Richtung sein, daß du statt einem Gausschen Strahl mit 0.4mm Außendurchmesser eher ein "Strahlenbündel" hast, das sich als Summe auf 0.4mm überlagert ... die Frage ist dann, was du als "Kernbündel-Durchmesser" ansetzen kannst?

Ich habe das normal mit meinen fasergekoppelten IR-Laserdioden mit 105µm Faserdurchmesser - den Fokus bekomme ich nur mit einer größeren Linse mit kurzer Brennweite (und Faser möglichst weit weg) auf knapp unter 0.1mm -- normal wird das eher größer :?

Viktor
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Hatschi » Mo 09 Dez, 2019 5:03 am

Halli Hallo

Wenn du die LD direkt ohne Faser verwendest empfehlen sich noch zwei Prismen zur Strahlkorrektur.

Hatschi

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Mo 09 Dez, 2019 8:33 am

... ich habe am Freitag ausprobiert, was mit einer 6Watt-Diode mit Prismen-Korrektur (ohne ist der Spot extrem unsymmetrisch!), auf etwa 4mm kollimiert, durch eine f-theta-Optik mit 178mm Fokusabstand noch geht -- ich komme damit auf knapp 0.2mm.
1a.jpg
1b.jpg
Direkt nach den Prismen mit einer Linse mit 30mm Fokusabtsand komme ich auf knapp 0.1mm ...

Viktor
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » Mo 09 Dez, 2019 9:33 am

hikke hat geschrieben:
So 08 Dez, 2019 10:54 pm
Mehrere Probleme jedoch:
  • Die Beugungsmaßzahl des Strahls aus der Faser berechne ich zu 624,05... Das erscheint mir recht hoch, zumal ein Gauß-Strahl ein M^2 von 1 hat. Was mache ich falsch?
    Kenndaten Faser: NA=0,22, Kerndurchmesser=400 um
  • In einem Lehrbuch habe ich die Formel für den kleinstmöglichen Fleck als w_0' = (Lambda*f)/(Zahl_Pi*w_0) gefunden, w_0 ist der Strahldurchmesser. Tippe ich das in den Taschenrechner, kommt ein Wert von 0,0039 mm heraus, der Rechner auf Ophiropt kommt jedoch auf 0,0156 mm. Ne Ahnung, woran das liegt?
Das spiegelt halt mein Problem ganz gut wieder: viele Quellen geben unterschiedliche Formeln zur Berechnung an und ich weiß nicht, was da nun Richtig ist...
Ich komme auf folgende Werte
SPPlaser = 0,4mm*440mrad/4 = 44mm*mrad
M² = (0,4mm*440mrad/4)/(0,446µm/PI) = 310

sprich 310x größer als der Grundmode M²=1(Singlemode) bei der Wellenlänge möglich ist.

-------------------------
Du hast also Linsen mit der Brennweite 1,45mm und 11mm.
Vereinfachte Rechnung mit geometrischen Optik:
d0'=0,400mm*(1,45/11)=0,0527mm -> Abgebildeter minimaler Durchmesser.
Ich komme nach nochmaligem Rechnen tatsächlich auch auf M²=312. Hatte für theta den Halbwinkel eingesetzt, aber das ist halt auch wieder teil meines Problems, manchmal wird mit dem vollen Winkel, manchmal nur mit dem halben Winkel gerechnet...

Okay, also du hast d0' also mit der Formel für das Kepler-Fernrohr berechnet (d0'/d0 = f2/f1), das ist nachvollziehbar. An anderer Stelle stellt sich mir nun jedoch die Frage, warum ich nach meiner zweiten Linse einen kollimierten Strahl haben will (soweit ich gelesen habe, ist das bei dieser Art von Linsensystem der Standard)?! Wäre es für einen möglichst kleinen Spotdurchmesser nicht schlauer, den Strahl konvergent auf einen Fokuspunkt hinlaufen zu lassen?

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » Mo 09 Dez, 2019 9:36 am

VDX hat geschrieben:
So 08 Dez, 2019 11:29 pm
... die Berechnungen gehen von einem Gausschen Strahl aus - nach dem Durchgang durch eine Faser hast du den aber nicht mehr.

Das könnte irgendwas in der Richtung sein, daß du statt einem Gausschen Strahl mit 0.4mm Außendurchmesser eher ein "Strahlenbündel" hast, das sich als Summe auf 0.4mm überlagert ... die Frage ist dann, was du als "Kernbündel-Durchmesser" ansetzen kannst?

Ich habe das normal mit meinen fasergekoppelten IR-Laserdioden mit 105µm Faserdurchmesser - den Fokus bekomme ich nur mit einer größeren Linse mit kurzer Brennweite (und Faser möglichst weit weg) auf knapp unter 0.1mm -- normal wird das eher größer :?

Viktor
Bezüglich der Faser gibt es bei mir auch noch einige Fragezeichen, der Hersteller des Lasersystems (FRLaserco) hält sich mit Informationen zur Faser bedeckt. Ich weiß weder, ob es eine Multi- oder Singlemode Faser ist, wie die Intensitätsverteilung und die Form des Laserstrahls nach der Faser beschaffen sind. Ich muss da dringend anrufen und nachhaken glaube ich...

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » Mo 09 Dez, 2019 9:38 am

Hatschi hat geschrieben:
Mo 09 Dez, 2019 5:03 am
Halli Hallo

Wenn du die LD direkt ohne Faser verwendest empfehlen sich noch zwei Prismen zur Strahlkorrektur.

Hatschi
Ohne Faser ist leider anwendungsbedingt nicht möglich, wir möchten einen 3-Achsen-Tisch verwenden und der kann nicht das gesamte Lasermodul aufnehmen. Deswegen soll der Strahl per Faser in die z-Achse des Tisches gelegt werden, um dann in x- und y-Richtung verfahrbar zu sein.

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Viggar » Mo 09 Dez, 2019 9:42 am

VDX hat geschrieben:
Mo 09 Dez, 2019 8:33 am
... ich habe am Freitag ausprobiert, was mit einer 6Watt-Diode mit Prismen-Korrektur (ohne ist der Spot extrem unsymmetrisch!), auf etwa 4mm kollimiert, durch eine f-theta-Optik mit 178mm Fokusabstand noch geht -- ich komme damit auf knapp 0.2mm.

1a.jpg 1b.jpg

Direkt nach den Prismen mit einer Linse mit 30mm Fokusabtsand komme ich auf knapp 0.1mm ...

Viktor
Müsste die Faser nicht eigentlich der Symmetrie des Strahls zuträglich sein? Ich meine mich daran erinnern zu können, in einem Artikel gelesen zu haben, dass durch die Faser die Fast- und die Slow-Axis wenn nicht komplett gleichgemacht, dann doch zumindest einander angenähert werden?!

Wenn ich meinem Betreuer jetzt mit ner f-Theta-Optik um die Ecke komme, tötet der mich :D Ist für unsere Anwendung aber glaub auch nicht relevant, wir verfahren den Strahl über die y- und x-Achse des Tisches...

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von Death » Mo 09 Dez, 2019 11:59 am

Ich hab da mal eine Frage...

wenn ich dich jetzt richtig verstehe, willst du doch in dieses CNT Lasertechnisch reinleuchten ... ich nenn das jetzt mal "vermessen"

Vielleicht denke ich da jetzt auch falsch, aber mir ist es im Moment schleierhaft, was du da mit einem Fokuspunkt auf der Eingangsseite des CNT möchtest ?

Wenn mein Gedanke jetzt richtig ist, brauchst du doch einen Strahl, möglichst dünn, der geradlinig von oben in dein CNT leuchtet , was wiederum eine Optik benötigt, die dafür sorgt, daß dein Laserstrahl nicht Sanduhrförmig wegdriftet, sondern geradlinig.

Also benötigst du doch eine Bündelung ab Faserende mit BeamExpander zur parallelisierung und wenn nötig sogar mit Lochmaske zum durchlaß eines extrem dünnen Laserstrahles in der Größe deines Eingangsloches des CNT´s.

Schlag mich nicht gleich, falls ich falsch liege, hab nur Hauptschule :mrgreen:

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Mo 09 Dez, 2019 4:10 pm

... der Laseremitter der 6W-Diode gibt den Strahl aus einem "Austrittsfenster" von etwa 2x200µm aus (bei einer 2W-Diode ist das etwa 1x150µm! ... bei den alten 1W-Typen war das etwa 1x100µm) - das sind dann die "fast" und "slow"-axis, welche über Zylinder-Linsen- oder Prismen-Strahlformung passend "zusammengestaucht" werden, so daß es nach dem Fokussieren einen etwa quadratischen Spot gibt ... ohne "Strahlformung" nur mit Linsen gibt das eben diese Unsymmetrie bzw. eine lange Ellipse.

Beim Einkoppeln in eine Faser werden die beiden "Achsen" durch Mehrfachbrechung innerhalb der Faser "durchmischt", so daß am Faser-Ausgang ein "homogenisierter" Strahl herauskommt.

Das dumme daran ist einfach nur, daß (trotz Unsymmetrie) der 2x200µm große Emitter der Diode (bzw. etwa 50x100µm nach den Prismen) viel kleiner fokussiert werden kann, als ein 400µm großer Faser-Austritt :roll:

Ich weiß nicht, ob es die 50µm-fasergekoppelten Dioden als Single-Mode gibt -- ab 100µm sind das alles Multimode :?


---
Und warum die Diode nicht direkt über XYZ verfahren? - ich mache das bei meinen Laserdiodenmodulen mit bis zu 2kg Gewicht (bei den 200Watt-Dioden mit Kühler) auch so :freak:

Viktor
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » Mo 09 Dez, 2019 10:50 pm

Okay, also du hast d0' also mit der Formel für das Kepler-Fernrohr berechnet (d0'/d0 = f2/f1), das ist nachvollziehbar. An anderer Stelle stellt sich mir nun jedoch die Frage, warum ich nach meiner zweiten Linse einen kollimierten Strahl haben will (soweit ich gelesen habe, ist das bei dieser Art von Linsensystem der Standard)?! Wäre es für einen möglichst kleinen Spotdurchmesser nicht schlauer, den Strahl konvergent auf einen Fokuspunkt hinlaufen zu lassen?
Nein. Hier geht es um ein abbildendes Zweilinsensystem. In deinem Fall wird das Faserende im Fokus der zweiten Linse verkleinert abgebildet.

http://www.physik.fh-aachen.de/startsei ... /linsen/6/

http://www.chemgapedia.de/vsengine/vlu/ ... vscml.html

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » Mo 09 Dez, 2019 10:55 pm

Bezüglich der Faser gibt es bei mir auch noch einige Fragezeichen, der Hersteller des Lasersystems (FRLaserco) hält sich mit Informationen zur Faser bedeckt. Ich weiß weder, ob es eine Multi- oder Singlemode Faser ist, wie die Intensitätsverteilung und die Form des Laserstrahls nach der Faser beschaffen sind. Ich muss da dringend anrufen und nachhaken glaube ich...
Laser mit einer 400µm Faser ist auf jeden Fall ein Multimodesystem. Für ein Singlemodelaser muss ca. M²<1,2 sein.

Siehe Seiten 704,705
https://bilder.buecher.de/zusatz/09/090 ... lese_1.pdf

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » Mo 09 Dez, 2019 11:06 pm

Müsste die Faser nicht eigentlich der Symmetrie des Strahls zuträglich sein? Ich meine mich daran erinnern zu können, in einem Artikel gelesen zu haben, dass durch die Faser die Fast- und die Slow-Axis wenn nicht komplett gleichgemacht, dann doch zumindest einander angenähert werden?!
Sehe ich genau so. Die Faser muss nur lang genug sein, damit sich die Moden durchmischen. Am Ende hast Du dann rund ausgeleuchtetes Top hat Strahlprofil.

So wie in diesem Beispiel: Figure3, Figure4
https://www.ophiropt.com/laser--measure ... ticle/8067

https://www.researchgate.net/figure/a-C ... _286996639

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Mo 09 Dez, 2019 11:33 pm

... nur wird durch diese "Vermischung" die zugrundeliegende "Strahlqualität" des aus der Diode austretenden Strahls um ein paar Größenordnungen reduziert!!

Beim Faserlaser geben sie nach der "delivery fiber" ein M2 von immerhin noch 1.5 bis 2 an -- wie groß ist das M2 nach der 0.4mm-Faser?

Da sehe ich etwa Faktor 100x schlechtere Refokussier-Bedingungen bei der Laserdioden-Faserkopplung mit so einer dicken Faser :roll:

Viktor


*** EDIT *** -- bei einem 400µm "tophat"-Profil kannst du, um es von der Fokussierbarkeit her zu vergleichen, in etwa von einem Bündel von vielen 100µm-Fasern ausgehen, statt von einem Gausschen Strahl, wie er noch in etwa von der Diode emittiert wird.

Egal, wie gut du es fokussierst, bei der Diode direkt fokussiert wirs du das direkte Abbild des Emitters im Fokus sehen -- bei dem "tophat-Faser-Bündel" wirst du immer nur ein Bild des Bündels abbilden, statt eines Punktes ... und bei der "Bündel-Größe" von 400µm wirst du schon rein über die Abbildungsgeometrie ziemlichen Aufwand treiben müssen, um das auf unter 200µm zu bekommen!

Was stellst du dir überhaupt als "optimalen Fokusdurchmesser" vor? -- mit den 2W-Dioden und nur Fokussierung über den Kollimator bekomme ich etwa 70-90µm hin, wenn ich einen Fokusabstand um die 20mm habe ... bei den 1W-Dioden waren das noch etwa 50µm ...
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von jojo » Di 10 Dez, 2019 10:22 am

VDX hat geschrieben:
Mo 09 Dez, 2019 8:33 am
... ich habe am Freitag ausprobiert, was mit einer 6Watt-Diode mit Prismen-Korrektur (ohne ist der Spot extrem unsymmetrisch!), auf etwa 4mm kollimiert, durch eine f-theta-Optik mit 178mm Fokusabstand noch geht -- ich komme damit auf knapp 0.2mm.

Direkt nach den Prismen mit einer Linse mit 30mm Fokusabtsand komme ich auf knapp 0.1mm ...
Komisch, diese Werte lassen sich rein rechnerisch überhaupt nicht nachvollziehen.
Bei einer 178mm Linse müsste der Spot auch um 178 /30 = ca.6 fach größer sein als bei der 30mm Linse.
Eine Vergrößerung um "nur" das Doppelte bei einer 6fach größeren Brennweite wäre ja geradzu ein Traum.

Gruß

Joachim
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http://www.jmlaser.com
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Di 10 Dez, 2019 11:09 pm

Hi Joachim,

ich müßte bei Gelegenheit mal ausprobieren, ob ich die mit den Prisen "korrigierte" 6W-Diode mit nur einer 30mm-Linse evtl. auch auf deutlich unter 0.1mm bekomme -- ja, das wäre auf jeden Fall "traumhaft" und erlaubt weitere Möglichkeiten! :freak:

So habe ich das Teil aber aktuell mit dem Galvokopf und der f-theta-Linse als "Fokussierung" aufgebaut und ausprobiert (der Kunde wollte wissen, ob ich damit "sicher" auf unter 0.3mm komme).

Viktor
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jojo
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von jojo » Mi 11 Dez, 2019 10:58 am

Hmm, also ich denke gemäß dem Motto "wer misst misst Mist" liegen diese seltsamen Messunterschiede im Testverfahren selbst begründet.
Du ziehst eine "Brennspur" auf irgendeinem Material und vergleichst die Breite.
Je nach Empfindlichkeit des Materials und der eingestellten Leistung und Verfahrgeschwindigkeit wird die Spur aber auch bei gleicher Optik und gleichem Laser unterschiedlich breit.
Weil die Intensitätsverteilung im Strahl ja nicht gleichmäßig ist. Wenn das Material gerade so eben auf das Leistungsmaximum im Strahlprofil reagiert, erhält man eine schmale Linie.
Wenn das Material bereits bei kleiner Leistung reagiert (und somit an den Randbereichen des Strahls), erhält man eine fette Linie.
Wenn man einen Multimodestrahl hat, können sogar zwei oder mehrere sehr dünne Linien auftreten, wenn mehrere Leistungsspitzen da sind und das Material sehr empfindlich ist.
Ich kann das mit ein und demselben Laser ganz einfach nachstellen.
Fahre ich langsam mit voller Leistung über Pappe, bekomme ich eine breite Brennspur.
Fahre ich schnell, so dass die Pappe gerade eben so geschwärzt wird, bekomme ich eine sehr feine Brennspur. Diese sagt mir aber nichts über den Spotdurchmesser, sondern nur über die "Spitze des Leistungsberges". Die Randbereiche des Strahls reichen nicht mehr für eine Schwärzung aus.
Ob die Mitte der dicken Brennspur nun "mehr verkokelt" ist als die der dünnen Brennspur ist nur ganz schwer zu bestimmen. Denn mehr als komplett verkokelt geht nicht.

Und weil man beim Ändern der Optik auch die Spotfläche und damit die Leistung pro Fläche massiv verändert, kann man nicht mit den gleichen Leistungs- und Verfahreinstellungen einen Vergleichstest mit unterschiedlichen Optiken machen.

Natürlich kann man praktisch wie gesagt eine dünne Linie erzeugen. Diese repräsentiert aber meiner Meinung in keinster Weise die wahre Spotgröße FWHM oder 1/e2.
Eine korrekte Messung der Spotgröße kann daher nur mit einem Beamprofiler durchgeführt werden.

Ich habe nur deshalb darüber nachgedacht, weil mir die 0,2mm Spotdurchmesser bei einer 178er Brennweite und der grottigen 6W-Diode selbst mit Prismen unmöglich erscheinen.
Damit hättest Du einen M2 von 8,2. Für eine solche Laserdiode undenkbar.
Der 0,1mm Spot bei 30er Brennweite erscheint eher plausibel. Mit einem M2 von 23.


Gruß

Joachim
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Mi 11 Dez, 2019 11:28 am

Hi Joachim,

wie schon geschrieben, sind das bisher eher "Praxis-Werte" mit den verfügbaren Laserdioden und Optiken - dem Kunden kommt es weniger auf den exakten M²-Wert an, als auf das sichtbare Ergebnis -- "zur Not" hätte ich noch einen Beam-Expander für 455nm da, wenn die "Brennspur" zu breit gewesen wäre 8)

Die "dünne 0.1mm-Brennspur" untendrunter ist mit weniger Leistung gebrannt -- das dürfe dann die "unterste Grenze" sein -- wenn ich auf volle Leistung gehe und komplett durchbrenne, ist die "Brennspur" oben deutlich stärker verkokelt, aber auch nicht viel dicker als 0.3mm mit einem leicht konischen "Schnittspalt", der am Boden auf etwa 0.1mm zusammengeht.

Früher, mit Nd-YAG-Lasern haben wir die "Spot-Größe" gemessen, indem wir Rasierklingen durchschossen haben :freak:

Viktor
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von hikke » Mi 11 Dez, 2019 8:28 pm

Hier ist noch ein Link zur Fokussierbarkeit eines Laserstrahls:

https://www.researchgate.net/post/The_m ... be_focused

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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von jojo » Do 12 Dez, 2019 9:52 am

Ja die Formeln sind alle hübsch und nett.
2w0 = 4 lambda / pi * f/d kann man auch vereinfacht 4/pi = 1,27 setzen und somit
2w0 = 1,27 * lambda * f / d

Würde in Viktors Beispiel mit der 30mm Linse und dem 4mm Strahl bedeuten: 1,27 * 0,00045 * 30 / 4 = 0,00428 = 4,2µm

Aber da er praktisch einen Spot von 100µm bekommt, liegen die Ergebnisse um das 23fache auseinander.
Weil eben kein idealer Gausstrahl vorliegt (M2 = 1,0).

Die korrekte Formel für den Fall eine NICHT idealen Strahls lautet nämlich

2w0 = 1,27 * lambda * f * M2 / d

Und M2 wäre in diesem Falle 23. Und dabei war Viktors Laserdiode noch strahlkorrigiert.

Gruß

Joachim
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Re: Literatur zur Auslegung eines Laser-Optik-Systems

Beitrag von VDX » Do 12 Dez, 2019 10:43 am

... wie ich schon vorher geschrieben hatte - nach demDurchgang durch eine Faser hat's eben keinen Gauß-Profil mehr, sondern ein "top-hat", was man mit einem "Bündel" von vielen dünneren Lichtquellen, über die Fläche des Faseraustritts verteilt, vergleichen kann.

Ich war aber auch eher positiv überrascht, daß ich nach dem Duchgang durch die f-theta-Linse in 178mm Fokusabstand überhaupt noch einen "Brennfleck" von 0.1 bis 0.2mm erreichen konnte! - normal, mit den 975nm-Dioden durch 105µm-Fasern mit einer einfachen Fokussierlinse mit 180mm Fokusabstand, wäre das >1mm gewesen!!

Viktor
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