Beam profiler DIY

[ggeorgiev]

Hallo zusammen,

da ich leider nicht wirklich eine Diskussion zum Thema "Beam Profiler selbstgemacht " finden konnte, habe ich ein neues Thema erstellt.

Ich möchte mir ein Beam Profiler machen und aus diesem Grund hätte ich drei Fragen.

The big picture is:
Also generell muss ich mir einen CCD Sensor kaufen. Dann brauche ich die zugehörige Elektronik, damit man den Sensor richtig auswerten kann und als letztes möchte ich die Daten mit Raspberry Pi lesen. Die Daten werde ich mit einer der freien zu finden Softwares plotten.

Hier die drei Fragen:

1. Gibt es Grundschaltungen für die Auswertung des CCD Sensors mit denen ich Anfangen kann? Z.b. die ganz einfache variante für die Auswertung einer Photodiode (wenn es um die Laserleistungmessung geht) ist einen Transimpedanzverstärker. Der Ausgang des CCD Sensors ist auch Strom aber der Transimpedanzverstärker wird in dem Fall nicht funktionieren denke ich.
Obwohl ich ein wenig Erfahrung mit Elektronik habe, bin ich mir nicht ganz sicher mit welcher Grundschaltung ich anfangen kann.

2. Gibt es schon vielleicht fertige Module mit denen man direkt einen CCD Sensor auswerten kann und ein Digitales Signal ausgibt, welches man dann an den Raspberry geben kann? Also fertiges Modul als Ersatz der Schaltung von Frage 1.

3. Gibt es vielleicht andere Lösungen an denen ich nicht gedacht habe? (Außer ein fertiges Beam Profiler).

Hier auch Information für den Laser:
Die Wellenlänge des Lasers ist 1064nm und der Durchmesser (1/e^2) ist 4mm.

Vielen Dank im Voraus!
LG

[VDX]

... sowas dürfte auch recht einfach mit einer Kamera zu lösen sein - wahlweise mit aufgeweitetem Strahl auf ein mattschwarzes Target leuchten, oder von Hinten auf eine dünn mit Keramikstaub o.Ä. beschichtete Glasscheibe und das dann jeweils mit der Kamera aufnehmen

Viktor

[ggeorgiev]

... sowas dürfte auch recht einfach mit einer Kamera zu lösen sein - wahlweise mit aufgeweitetem Strahl auf ein mattschwarzes Target leuchten, oder von Hinten auf eine dünn mit Keramikstaub o.Ä. beschichtete Glasscheibe und das dann jeweils mit der Kamera aufnehmen

Viktor

Vielen Dank für die Antwort Viktor.
Ich war mir nicht sicher, ob das tatsächlich so klappen wird aber ja, das ist wohl tatsächlich die einfachste Variante. Die werde ich dann auch bei Gelegenheit direkt ausprobieren.
Vielen Dank!
Georgi

[jojo]

Was Du noch schreiben solltest, ist für welche Art von Laser Du einen Beamprofiler machen willst.
Es macht schon einen Unterschied, ob es für Laser im sichtbaren Bereich, nahes Infrarot oder CO2-Laser sein soll.
Auch die Leistungsklasse ist nicht so ganz unwichtig.
Mit 300 Watt auf eine Kamera ballern, ist nicht ganz so einfach. Und CO2-Wellenlänge geht da schonmal gar nicht.

Also generell muss ich mir einen CCD Sensor kaufen.

Nö.

3. Gibt es vielleicht andere Lösungen an denen ich nicht gedacht habe? (Außer ein fertiges Beam Profiler).

Ja.

Wenn es Dir reicht, einen recht simplen Beamprofiler zu haben, der nur in einer Achse funktioniert, dann mach Dich mal über "knife edge profiler" schlau.
Dabei lässt man einen Schlitz bzw. eine Kante mit definierter Geschwindigkeit durch den Laserstrahl fahren. Das kann eine rotierende Scheibe sein, in der sich ein Schlitz befindet oder ein Ausschnitt in Form eines Kreissegments.
Die Intensität kann (bei VIS bzw. NIR Wellenlängen) über eine simple Fotodiode gemessen werden. Diese kann bei hoher Leistung auch z.B. nur die Helligkeit einer Reflektion messen.
Aus der Anstiegs- bzw. Abfallsform der Intensität kombiniert mit der Geschwindigkeit des Schlitzes (also dem Weg pro Zeit) kann man auf das Profil des Strahls und dessen Durchmesser schließen.
Bei einem Gaußstrahl erhält man eine S-förmige Flanke am Signal. Aus der Form lässt sich auf das Profil schließen und aus der Flankenbreite auf den Strahldurchmesser.
Da die Blende oder der Schlitz den Strahl in einer Richtung bzw. Lage durchfährt, erhält man natürlich das Profil in dieser Querschnittslage. Um andere Richtungen zu messen, kann man den Laser in der Strahlachse verdrehen oder die Messblende entsprechend so anordnen, dass die Blende den Strahl in einer anderen Ausrichtung durchläuft.
Der Vorteil einer solchen Anordnung ist, dass der Aufbau sehr einfach ist. Im einfachsten Fall reicht ein relativ gleichmäßig laufender Motor mit einer drehbaren Blende dran, eine Fotodiode mit Messverstärker und einem Oszilloskop. Wenn man die Drehzahl des Motors kennt bzw. die Zeit welche die Blende oder Kante für einen bestimmten Weg z.B. 1mm (1000µm) benötigt, kann man anhand der Flankendauer des Messsignals am Oszilloskops relativ exakt den Durchmesser des Strahls bestimmen. Und zwar vom Beginn der Flanke bis zu dem Punkt, wo sich nichts mehr ändert. Also das Signal auf Minimum oder Maximum verharrt. Je nachdem oder der Laserstrahl durch die Messkante gerade freigegeben oder abgedunkelt wird.
Es müssen dabei auch keine superschnellen Fotodioden verwendet werden. Im Gegenteil: Je langsamer und gleichmäßiger die Messblende dreht, desto genauer die Messung und desto weniger die Ansprüche an die Schaltung. Die gemessene Flanke wird dann eben nur viel breiter.
Wichtig ist dass die Blende des Strahl relativ gerade durchläuft. Also muss der Durchmesser einer drehenden Scheibe recht groß sein, damit die Kante den Laser nicht in einer Drehbewegung schneidet.

Die Kamera ist natürlich viel luxeriöser. Aber Kameras haben das Problem des relativ schmalen Belichtungsbereichs bzw. dass der Laser in den möglichen Belichtungsbereich der Kamera abgschwächt werden muss. Gerade bei sehr unterschiedlichen Laserleistungen ist das nicht so einfach.
Will man 1 Milliwatt und 10 Watt mit dem gleichen Aufbau messen muss die Intensität des Lasers im zweiten Fall auf 1/10000 abgeschwächt werden.

Gruß

Joachim

[ggeorgiev]

Hallo Joachim,

vielen Dank für Deine Nachricht!

Der Laser ist ein Faserlaser mit einer Wellenlänge von 1070nm und einer Leistung von 400W.

Über den "Knife edge" Verfahren habe ich mich schon schlau gemacht aber die Anordnung mit der Kamera wird in dem Fall bevorzugt.

Dass der Laser abgeschwächt werden muss ist klar. Ich wollte mich über den Faktor, um den die Kamera abgeschwächt werden muss, schlau machen. Kann man davon ausgehen, dass mW Bereich für eine Kamera/einen Chip in Ordnung ist oder ist immer noch zu viel?

Vielen Dank im Voraus!
Georgi

[jojo]

Kann man davon ausgehen, dass mW Bereich für eine Kamera/einen Chip in Ordnung ist oder ist immer noch zu viel?

Das hängt von der Fläche auf der Kamera ab. Bei einer Fokussierung auf die Kamera ist aber selbst 1mW noch grenzwertig und führt zur Überbelichtung und je nach Fokus auch zur Zerstörung.
Ein typischer Kamerachip hat eine Sättigungsschwelle (Überbelichtung) von 10W/Quadratzentimeter bei 1064nm. Auf einen 5µm Pixel bezogen bedeutet das ca. 2,5 Mikrowatt. Verteilt sich der Laser auf 500 Pixel, dann wäre das Bild mit 1,2 Milliwatt überbelichtet.

Die Wirkung beim gepulsten Laser ist wieder etwas ganz anderes. Hier kann nicht einfach der mittlere Wert in Watt genommen werden.
Die Hersteller von Beamprofilern geben die Zerstörschwellen auch für Pulslaser in Joules an.

Gruß

Joachim