Klassifizierung einer Laserdiode Klasse1, GZS

[tinyL]

Hallo zusammen,

ich möchte einen Laser nach DIN EN 60825-1:2007 Klasse 1 klassifizieren, dies ist meine erste Laserklassifizierung und ich habe einige Verständnisprobleme u.a. bzgl. des GZS.

Mein Laser ist eine gepulste Laserdiode mit einer Wellenlänge 660nm, Pulsfrequenz 12,5 Hz, Pulsbreite 35ms, Winkelausdehnung α<= αmin = 1,5mrad. Meine Annahme: es handelt sich um eine Quelle mit divergentem Strahl -> Bedingung 2 trifft zu, d.h. die Verwendung von Vergrößerungsgläsern etc. erhöht die Gefährdung. Zeitbasis t = 100 s nach Abschnitt 8.3. e) 2.

Meine hypothetische Messung: Ich messe 100s lang die Laserleistung, die in 70mm Entfernung durch eine Blende mit einem Blendendurchmesser von 7mm auf meinen Sensor trifft.
P = 500 *10^-6 J / 100s = 5 *10^-6W daraus folgt Energie pro Puls Q= P / Pulsfrequenz = 0,4 *10^-6J

Nun berechne ich die Grenzwerte zugänglicher Strahlung mit folgenden Parametern: Zeitbasis t =100s, T2=10s, C6=1, innerhalb von Ti=18*10^-6s treten keine Einzelimpulse auf.
GZSEinzelpuls=7*10^-4*t^0,75J mit t= 35ms GZSEinzelpuls = 56,6*10^-6J
GZST=3,9*10^-4 W für t=100s daraus folgt GZSTEinzelpuls =GZST/Pulsfrequenz = 31,2*10^-6J
GZSEinzelpuls,Folge= GZSEinzelpuls*C5 und da t>T2 C5=(T2*f)^-0,25 GZSEinzelpuls,Folge=16,9*10^-6J

Nun das Problem: GZSEinzelpuls,Folge ist meiner Meinung nach der restriktivste der drei Werte, da er am kleinsten ist. So wie ich die Norm verstanden habe, muss ich jetzt meinen Wert Q mit dem GZSEinzelpuls,Folge vergleichen und wenn mein gemessener Wert kleiner ist, dann ist mein Laser Klasse 1. Aber vermutlich ist genau diese Annahme falsch…

Ich wollte dann mein Ergebnis mit dem Ergebnis des Excel-GZS-Berechnungstool von der Lasersafe.de-Seite gegenchecken und habe dort Zeitbasis 100s, Quellengröße 1,5mrad, Wellenlänge 660nm und Bestrahlungsdauer = 0,035s*12,5*100s =43,75s eingegeben. Die Tabelle sagt mir, dass der GZS 3,9*10^-4W bzw. 3,9*10^-4*43,75=17,063*10^-3J ist, aber ich verstehe nicht warum. 3,9*10^-4W ist ja der Wert aus der Lasernorm Tabelle 4 für meine Wellenlänge für t=10s bis 30000s. Desweiteren steht dort der Hinweis zur Prüfung: „Zählen Sie alle Impulsenergien in der Zeitbasis zusammen und vergleichen sie mit dem Wert in F14 (=GZS)“ Heißt dies in meinem Fall, da ich ja die Leistung in 100s wie oben erwähnt gemessen und auf 1s umgerechnet hab, dass meine 5*10^-6 W< 3,9*10^-4W sein müssen?

Frage 1: Wo ist mein Denkfehler, hab ich mich vielleicht schon bei der Berechnung irgendwo vertan oder ist meine hypothische Messung schwachsinnig?

Frage 2: Mit welchem Wert GZS muss ich meinen Messwert der Laserleistung vergleichen, GZSEinzelpuls,Folge oder GZS aus der Tabelle 4 der Lasernorm?

Frage 3: Und warum? Was muss ich mit diesem GZS Wert vergleichen? meinen Messwert oder muss ich den noch irgendwie umrechnen? Und wenn ja, wie und warum?

Möglicherweise liegt das Problem darin, dass ich folgenden Absatz aus der Norm (Abschnitt 8.3.f) nicht oder nicht richtig verstehe: „…Für alle Wellenlänge sind die Anforderungen 1) und 2) zu untersuchen. Zusätzlich ist für Wellenlängen von 400nm bis 10^6nm die Anforderung 3) durch Vergleich mit den thermischen Grenzwerten zu untersuchen. Die Anforderung 3) braucht für den Vergleich mit den photochemischen Grenzwerten nicht bewertet werden. Die Klasse (siehe die Tabelle 4 bis 9) wird durch Anwendung des restriktivsten Kriterium 1), 2) und, wo anwendbar, 3) festgelegt.“

Frage 4: Welcher Wert, welche Werte (der Tabelle 4?) sind mit thermische Grenzwerte gemeint, bezieht sich das überhaupt auf die Tabelle 4? Bislang dachte ich, alle Grenzwerte für Wellenlänge 660nm sind thermische Grenzwerte…

Meine Verwirrung ist nun komplett , ich hoffe, dass mir hier jemand helfen kann!

Liebe Grüße aus Berlin

Steffi

[ekkard]

Sorry, warum das System mal wieder keine Mail geschickt hat, ist mir schleierhaft.
Ich sehe mir Deine Berechnung an und melde mich wieder. Das kann noch etwas dauern.

[ekkard]

ich möchte einen Laser nach DIN EN 60825-1:2007 Klasse 1 klassifizieren, …

Hier die Parameter aus deinem Text:
Wellenlänge = 660 nm, (keine fotochemische Gefahr)
Impulsdauer = 35 ms
Wiederholfrequenz = 12,5 Hz
C6 = 1
Angestrebt wird eine Klassifizierung nach Laserklasse 1M.
Messabstand = 70 mm mit 7 mm Messblende
Zeitbasis = 100 s
Messwert, Mittelwert = 5 µW (5*10^-6 W)

Berechnungen:
Impulsenergie = Mittelwert * Periode = 5 µW/12,5Hz = 4*10^-7 J
oder = 0,4 *10^-6J (korrekt)
Periode = 1 / Wiederholfrequenz

GZS(35 ms) = 7*10^-4*(0,035)^0,75 = 5,66*10^-5 J
oder 56,64 * 10^-6 J (korrekt)
Dieser Wert wird gut eingehalten, muss aber wegen der Wiederholung reduziert werden.

Zur Reduzierung gibt es mehrere Verfahren. Im vorliegenden Fall ist die einfachste Lösung die Reduzierung mit dem Faktor C5 = N^-0,25, wobei N die Zahl der Impulse während T2=10s ist, also N=125 und C5 = 0,299. Ti ist mit 18µs und einer Impulsdauer von 35 ms nicht relevant. Also beträgt der reduzierte GZS = 0,299 * 56,64*10^-6 J = 16,94*10^-6 J
Auch dieser Wert würde eingehalten. (Deine Berechnung war korrekt.)

Jetzt wäre formal noch das Mittelwertkriterium zu prüfen. Der Mittelwert wurde direkt gemessen und beträgt 5µW. Der Grenzwert dafür beträgt 0,39 mW. Dieser wird ebenfalls eingehalten.

Das IGED-Verfahren wäre eine Alternative. Hierzu ist innerhalb T2 die Einschaltdauer zu ermitteln. Diese beträgt 35 ms * 12,5 Hz * 10s = 4,375 s. Hierfür ist der GZS zu bilden. Dieser beträgt 7E-04*(4,38)^0,75 J = 0,0212J.
Die zugehörige Impulsenergie beträgt 125*4*10^-7 J = 5*10^-5J. Dieser Wert hält den v.g. GZS ein.

GZST=3,9*10^-4 W für t=100s daraus folgt GZSTEinzelpuls =GZST/Pulsfrequenz = 31,2*10^-6J

Nein, sondern direkter Vergleich mit dem Mittelwert, siehe meine Angabe "Mittelwertkriterium".
Die C5-Berechnung war hingegen korrekt.
Das Rechenblatt "GZSvis.xls" gilt nur für 1 Impuls und kann hier nicht angewendet werden bzw. funktioniert nicht, wie vorgesehen. Ich muss dazu eine Erweiterung basteln.

Da deine Klassifizierung erfolgreich ist, sollte das Problem vorläufig beseitigt sein. Ich melde mich wieder in dieser Angelegenheit und entschuldige mich für die Verwirrung, die ich wohl gestiftet habe.

[ekkard]

So, das Rechenblatt habe ich geändert.

Nun das Problem: GZSEinzelpuls,Folge ist meiner Meinung nach der restriktivste der drei Werte, da er am kleinsten ist. So wie ich die Norm verstanden habe, muss ich jetzt meinen Wert Q mit dem GZSEinzelpuls,Folge vergleichen und wenn mein gemessener Wert kleiner ist, dann ist mein Laser Klasse 1. Aber vermutlich ist genau diese Annahme falsch…

Nö, die Überlegung ist richtig. Der Einzelimpuls hat eine Energie von 0,4µJ und der (reduzierte) Grenzwert der Folge beträgt 16,94 µJ. Ich habe GZSvis.xls revidiert. Die drei Fälle müssten jetzt korrekt berechnet werden.

Ich wollte dann mein Ergebnis mit dem Ergebnis des Excel-GZS-Berechnungstool von der Lasersafe.de-Seite gegenchecken und habe dort Zeitbasis 100s, Quellengröße 1,5mrad, Wellenlänge 660nm und Bestrahlungsdauer = 0,035s*12,5*100s =43,75s eingegeben. Die Tabelle sagt mir, dass der GZS 3,9*10^-4W
bzw. 3,9*10^-4*43,75=17,063*10^-3J ist, aber ich verstehe nicht warum.

Frage 1: Wo ist mein Denkfehler, hab ich mich vielleicht schon bei der Berechnung irgendwo vertan oder ist meine hypothische Messung schwachsinnig?

Nein, die Verwirrung habe ich verursacht mit dem Wort "Zeitbasis". Für Impulsfolgen ist dort der Wert von T2 einzusetzen. Für das IGED-Verfahren werden alle Impulsdauern währen T2 zusammen gezählt t = 12,5 * 10s * 0,035 = 4,375s, und mit dieser Zeit der GZS berechnet, wenn man einmal von der Komplikation mit Ti absieht. Zur Prüfung werden – ebenfalls über T2 die Energien zusammen gezählt und mit dem zuvor ermittelten GZS(IGED) verglichen. In deinem Fall beträgt der
GZS(IGED) = 2,12 mJ und deine Energie(T2) = 125*(0,035s*5µW) = 0,0219 mJ.
(kommt also hin).

Frage 2: Mit welchem Wert GZS muss ich meinen Messwert der Laserleistung vergleichen, GZSEinzelpuls,Folge oder GZS aus der Tabelle 4 der Lasernorm?

… mit allen drei Kriterien, wie im nunmehr revidierten Rechenblatt angegeben. Das ungünstigste Verhältnis von Leistung oder Energie zum zugehörigen GSZ ist maßgebend, bei Impulsgruppen in der Regel das reduzierte Einzelimpulskriterium. Diese Überlegung war auch korrekt.

Frage 3: Und warum? Was muss ich mit diesem GZS Wert vergleichen? meinen Messwert oder muss ich den noch irgendwie umrechnen? Und wenn ja, wie und warum?

Du musst zunächst die Impulsenergie – wie auch immer ermittelt - einzeln mit dem jeweiligen GZS vergleichen, falls du es mit Impulsen zu tun hast.
Das Mittelwertkriterium bezieht sich auf die Zeitbasis. Wenn du also im Mittel 5µW misst, dann musst du diese 5 µW mit 3,0*10^-4 W (oder rund 0,4 mW) vergleichen. Dasselbe gilt für Dauerstrich-Laser. Du hast also einen Wechsel zwischen den Einheiten: einmal Energien zum anderen Leistung.

Möglicherweise liegt das Problem darin, dass ich folgenden Absatz aus der Norm (Abschnitt 8.3.f) nicht oder nicht richtig verstehe:

Doch, das war alles soweit richtig wiedergegeben. Wie gesagt, der Bezug auf T2 war in meinem Rechenblatt verloren gegangen. Du kannst nichts dafür.

Frage 4: Welcher Wert, welche Werte (der Tabelle 4?) sind mit thermische Grenzwerte gemeint, bezieht sich das überhaupt auf die Tabelle 4? Bislang dachte ich, alle Grenzwerte für Wellenlänge 660nm sind thermische Grenzwerte…

Wenn man genau guckt, dann sieht man bei 400 bis 500 nm und bei Bestrahlungsdauern über 10 s eine wellenlängenabhängige Funktion C3, die den fotochemischen Grenzwert dominieren kann. Über 500 nm gilt dort 3,9E-4 W. Salopp gesagt: Thermisch ist alles, was diese C3-Funktion nicht enthält außer zwischen 400 und 450 nm und t>10s. Zwischen 10 und 100 s sind beide Grenzwertfunktionen parallel zu betrachten. Das Minimum bestimmt u. U. die Laserklasse. Diese Minimum-Bildung steckt aber in "GZSvis.xls".

[tinyL]

Hallo Ekkard,

erstmal vielen, vielen Dank für deine Hilfe!
Bislang habe ich noch keine Messung meiner Laserleistung durchgeführt, ich wollte zunächst sicher gehen, dass meine Berechnungen prinzipiell stimmen. Nun habe ich einmal "rückwärts gerechnet" und aus dem GZS des reduzierten Einzelpuls die maximal zulässige mittlere Laserleistung bestimmt. GZSEinzelpuls,Folge*12,5Hz=0,211mW. Wenn ich jetzt also eine Messung durchführe, darf meine gemessene mittlere Laserleistung nicht größer sein als 211µW, sonst kann ich den Laser nicht mehr als Klasse 1 Laser klassifizieren. 211µW kommen mir sehr wenig vor ??!
Ich habe mich nach einem geeigneten Sensor umgeschaut und habe verschiedene Sensoren mit Photodioden gefunden, die meinen Wellenlängen und Leistungsbereich abdecken, allerdings bin ich mir nicht sicher, ob Photodioden zur Messung der mittleren Leistung von gepulsten Lasern geeignet sind. Weiterhin habe ich verschiedene thermische und pyroelektrische Sensoren gesehen, deren Messbereich oftmals aber erst bei 100µW beginnt und dann bis in den einstelligen Wattbereich geht. Welche Sensorart eignet sich denn erfahrungsgemäß am besten für gepulste Laser mit niedriger Frequenz (12,5 Hz, Pulsbreite 35ms)?

[ekkard]

Das kommt hin, weil die Spitzenleistung deutlich höher ist. Hier kommt der C5-Faktor ins Spiel, der diese gemäß Wiederholrate berücksichtigt. Ich werd's im Laufe des Abends mal nachrechnen.

Zur Messung: Wie willst du deine Messeinrichtung kalibrieren. Photodioden haben nichtlineares (Mess-) Verhalten. Du müsstest einen weiten Bereich von Punkten "aufhängen". Es gibt eine Reihe kleiner Laserleistungsmesser z. B. von Coherent. Da hast du alles kompakt beieinander (7mm-Blende, kalibrierte Messkurve).

[tinyL]

Ich hatte mir überlegt einen kleinen Teststand zu bauen, wo ich den Laser fest einspanne und den Sensor mit 7mm Blende in 70mm Abstand auf zwei gekreuzten Lineartischen positioniere, sodass ich den Sensor so positionieren kann, dass der Laserstrahl möglichst genau in der Sensormitte auftrifft. Dann wollte ich das ganze mit einem Laserpointer gleicher Wellenlänge und bekannter Leistung kalibrieren und dann meine Laserleistung messen. Einen Sensor mit einer Photodiode drin und passendem Messgerät könnte ich mir ausleihen, allerdings hab ich im Internet gelesen, dass Sensoren mit Photodioden nur für die Leistungsmessung kontinuierlich betriebener Laser verwendet werden. Ich habe jedoch nicht verstanden, warum man damit keine Laserleistung von gepulsten Laser messen kann. Diese "Lasercheck" Handgeräte, die es von einigen Firmen gibt, sind auch immer für cw-Laser.
Mein Laser ist im Normalbetrieb gepulst, deshalb denke ich , dass ich ihn auch im Normalbetrieb vermessen muss. Die Wahl wird dann vermutlich auf einen thermischen Sensor fallen...

[ekkard]

Ich bin leider nicht mehr zur Nachrechnung gekommen, das später! Impulse richtig zu mitteln, ist nicht so einfach, wie es scheint. Mindestens eins unserer Labor(!)-Messgeräte ist daran kläglich gescheitert. Das kann an allem Möglichen liegen: nicht linearer Eingang oder nicht lineare Weiterverarbeitung, Übersteuerung in den Leistungsspitzen, Untersteuerung in den Leistungstälern, Interferenz mit der (internen) Chopperfrequenz, nur Spannungsintegration statt Leistungsintegration und anderes.

Ja, eine Art Bolometer oder thermisch wirkender Messkopf macht es richtig. Die Messungen benötigen aber Zeit. Bei Wiederholung muss man die Abkühlzeit berücksichtigen. Wichtig ist, dass das Thermopile oder die Empfangsfläche im Wellenlängenbereich um 400 bis 800 nm gleichmäßig "schwarz" ist, das heißt, wellenlängenunabhängig möglichst alle Strahlung schluckt. Darüber sollte der Hersteller ein Zertifikat vorgelegen.
Die Idee mit dem Laserpointer gleicher Wellenlänge ist nur dann eine gute Idee, wenn man die Leistung im Strahl aus einer Labormessung kennt - und der Vergleichsstrahl komplett in die Pupille fällt. Wenn nicht, hat man in jedem Fall ein Problem! Denn die Divergenz zweier Laser ist eher verschieden, womit die Referenzmessung unsinnig wird.

[floh]

Laserpointer sehe ich als eher ungeeignet für eine Referenz. Die Leistung ist sehr stark von der Temperatur und dem Zustand der Batterie abhängig und kann extrem schwanken. Bei reinen Dioden hauptsächlich aufgrund der Batterie, bei DPSS auf jeden Fall mächtig mit der Temperatur. Man müsste das Teil also zumindest thermisch stabilisieren und mit einem guten Netzteil versorgen wobei man hier besser gleich auf ein anständiges Modul zurückgreifen sollte das die passenden Voraussetzungen bietet.

[ekkard]

Nun habe ich einmal "rückwärts gerechnet" und aus dem GZS des reduzierten Einzelpuls die maximal zulässige mittlere Laserleistung bestimmt. GZSEinzelpuls,Folge*12,5Hz=0,211mW. Wenn ich jetzt also eine Messung durchführe, darf meine gemessene mittlere Laserleistung nicht größer sein als 211µW, sonst kann ich den Laser nicht mehr als Klasse 1 Laser klassifizieren. 211µW kommen mir sehr wenig vor ??!

Schaun wir mal: Die Formel für den GZS lautet = 0,0007*t^0,75*N^-0,25
Diese kann man auf die mögliche Spitzenleistung bei einem Rechteckimpuls umrechnen, indem man durch die Impulsdauer teilt.
WZS = 0,0007*t^-0,25*N^-0,25
N = T2*12,5Hz ~ 125; C5 = N^-0,25 = 0,299
t = 0,035s; t^0,75 = 0,0809; WZS(red.) = 0,484 mW
Verschmiert man diese Leistung auf die Impulsperiode, so ergibt sich der Mittelwert
pm = WZS*t/Periode = 0,484mW*0,035s*12,5Hz = 0,2118 mW
Wie du siehst, stimmt deine Rechnung (na gut, bis auf die 4. Stelle; man kann's auch noch anders rechnen).

Weiterhin habe ich verschiedene thermische und pyroelektrische Sensoren gesehen, deren Messbereich oftmals aber erst bei 100µW beginnt und dann bis in den einstelligen Wattbereich geht. Welche Sensorart eignet sich denn erfahrungsgemäß am besten für gepulste Laser mit niedriger Frequenz (12,5 Hz, Pulsbreite 35ms)?

Am besten und genauesten sind Thermopiles (Thermoelemente). Nur dauern die Messungen mehr als eine Minute und brauchen 3 Minuten, bis man die nächste Messung starten kann, siehe den voran gegangenen Beitrag. Ferner sind sie empfindlich gegen Zugluft. Geeignet sind ferner (teurere) Impulsmessgeräte, mit denen man die Imulsenergie direkt messen kann. Man misst dann eben einige Impulse, die man mittelt. Die mittlere Spitzenenergie ist dann mit dem GZS(red.) zu vergleichen.