MZB gepulste CW-Laserdiode

[SamLaser]

Hallo liebe Forummitglieder,

ich möchte eine CW-Laserdiode (maximal 5mW) mit einem entsprechenden Treiber gepulst betreiben.
Die Pulsdauer eines Impulses beträgt 1µs (Frequenz 1MHz).

Bei der Berechnung der MZB bin ich von den drei Kriterien für gepulste Laserstrahlung, die in der Unfallverhütungsvorschrift BGV B2 stehen ausgegangen. Die ersten beiden Kriterien habe ich hinbekommen. Bei dem dritten Kriterium ist mir das noch nicht ganz klar, weil es so viele Anmerkungen gibt, die beachtet werden müssen. Dabei geht es Konkret um folgendes Kriterium:
"Die mittlere Bestrahlung durch Impulse innerhalb einer Impulsfolge darf den MZB-Wert des Einzelimpulses multipliziert mit dem Korrekturfaktor C5 nicht übersteigen." Darunter sind mehret Anmerkungen, dabei verstehe ich vokalem Anmerkung 3 nicht:
"Treten während der Zeitdauer Ti (siehe Tabelle 4) Mehrfachimpulse auf, werden sie als ein einziger Impuls gezählt, um N zu bestimmen, und die Bestrahlungen der einzelnen Impulse werden zum Vergleich mit der für Ti geltenden MZB addiert, falls alle einzelnen Impulsdauern größer als 10-9 s sind."

Kann mir jemand sagen, wie ich das genau verstehen muss.

Darüber hinaus wollte ich noch wissen:
Muss ich überhaupt bei der Berechnung der MZB von einer gepulsten Laserstrahlung ausgehen oder kann ich von einer kontinuierlichen Strahlung ausgehen weil ich eine CW-Laserdiode benutze?

Viele Dank,
Sam

[ekkard]

ich möchte eine CW-Laserdiode (maximal 5mW) mit einem entsprechenden Treiber gepulst betreiben.
Die Pulsdauer eines Impulses beträgt 1µs (Frequenz 1MHz).

Hier stimmt etwas nicht. Bei einem Tastverhältnis von 1:1 und einer Frequenz von 1MHz betragen die Impulsperiode 1µs und die Impulsdauer 0,5µs.
Alternativ könntest du meinen, die Impulsdauer beträgt 1µs und die Frequenz 500kHz. Oder das Tastverhältnis Impuls/Pause ist ein anderes.

Bei der Berechnung der MZB bin ich von den drei Kriterien für gepulste Laserstrahlung, die in der Unfallverhütungsvorschrift BGV B2 stehen ausgegangen. Die ersten beiden Kriterien habe ich hinbekommen.

Yep, es handelt sich um das Einzelimpulskriterium und das Mittelwertkriterium. Das dritte Kriterium ist das "reduzierte Einzelimpuls-Kriterium". Hier wird berücksichtigt, dass sich der Augenhintergrund in den Impulspausen nicht vollständig abkühlen kann.

Wir können zunächst einmal davon ausgehen, dass alle Impulse gleiche Bestrahlungsstärken erzeugen, weil es sich um einen zerhackten (modulierten) Gleichstrom handelt. Eine Mittelung über die Impulshöhe ist also nicht erforderlich - zumindest in ausreichender Näherung. Alsdann gehen wir bei Lasern ohne optische Vorsätze immer von Punktquellen C6=1 aus. Da nicht daran gedacht ist, die Diode in der Augenheilkunde oder in der Messtechnik mit Dauerbeobachtung einzusetzen, beträgt die Zeitbasis aller Überlegungen 100 s.

1. Einzelimpulskriterium
Die Impulsenergie beträgt 0,5E-06 * 5E-03 = 2,5E-09, also 2,5 nJ. Der Grenzwert der Klasse 1 beträgt im Impulsdauer-Bereich zwischen 10E-09 bis 18E-06 s konstant 2E-07 J, ausgedrückt in nJ: 200 nJ.
Klar, das kommt locker hin.

2. Mittelwertkriterium
Der Mittelwert ergibt sich aus dem Tastverhältnis. 0,5µs "an", bezogen auf die Impulsperiode. Wir haben mithin den halben Spitzenwert als Mittelwert, der über 100s (Zeitbasis) zu betrachten ist. Ich gehe einmal von einer roten, mindestens grünen Diode aus, dann gilt ein Grenzwert (der Klasse 1) von 0,39 mW. Du hast einen Mittelwert von 2,5 mW. Das Kriterium wird also nicht eingehalten (auch nicht bei Laserklasse 2 mit max. 1 mW).

3. Reduziertes Einzelimpulskriterium
Es ist richtig, dass unter Ti = 18µs (im sichtbaren Spektralbereich bis ins NIR) die Impulse zusammen zu fassen sind, weil unter 18 µs ein konstanter Grenzwert gilt. Diese zusammen gefassten Impulse sind über die Zeitdauer T2~10s abzuzählen. Die Zahl der Impulse in Ti: N = 18µs*f = 18. Mithin hat jeder zusammen gefasste Impuls eine Energie von 18 * 2,5E-09J = 45E-09J oder 45nJ gemessen an 2E-7J (200 nJ). Und eine Zeitdauer von (zusammengeschoben) 9µs. Von diesen zusammen gefassten Impulsen gibt es in T2(~10s) N2 = 10s/18µs = 555555 Stück. C5 = N2^-0,25 = 0,0366. Wir müssen also den Grenzwert für einen zusammen gefassten Impuls (200 nJ) noch mit C5 = 0,0366 multiplizieren, ergibt 7,32nJ. Man sieht, dass die 45 nJ des zusammen gefassten Impulses dieses Kriterium erheblich überschreitet (ca. Faktor 6).

Kann mir jemand sagen, wie ich das genau verstehen muss.

Ich hoffe, das Beispiel macht deutlich, wie man vorgehen muss.

Darüber hinaus wollte ich noch wissen:
Muss ich überhaupt bei der Berechnung der MZB von einer gepulsten Laserstrahlung ausgehen oder kann ich von einer kontinuierlichen Strahlung ausgehen weil ich eine CW-Laserdiode benutze?

Nun, man muss das im Einzelfall genau überlegen. Im vorliegenden Fall hätte ich sofort darauf getippt, dass das reduzierte Einzelimpuls-Kriterium das kritische sein wird - und hätte nur daran weiter gerechnet.

Noch ein Warnhinweis:
1. Irrtum auch Rechenfehler vorbehalten. Bitte selbst nachrechnen und nachvollziehen!
2. Dies ist k e i n e allgemein gültige Klassifizierungsrechnung! Es kommt auf die Impulsdauer, die Wellenlänge und die Strahlaufweitung an.
3. Ich habe nur mit den Grenzwerten zugänglicher Strahlung der Klasse 1 gerechnet. Für die maximal zulässige Bestrahlung läuft die Berechnung genauso. Nur wird die Bestrahlungsstärke abstandsabhängig. Man bekommt also noch den Bezug auf die Messapertur (Norm-Pupille, 7 mm Durchmesser). Und die Bestrahlungsstärke nimmt mit dem Quadrat des Abstands ab, so dass man genauer wissen müsste, welcher Betrachtungsabstand bei welcher Aufweitung zu beachten ist.

[SamLaser]

Hallo Ekkard,

vielen Dank du hast mir schon sehr viel weiter geholfen.

Eine frage hätte ich noch. Die Einwirkungsdauer für Kriterium Nummer 3 (Reduziertes Einzelimpulskriterium) ist maximal durch den Parameter T2 gegeben.
Da die Einwirkungsdauer (auf die Haut) bei meiner Anwendung diesen Wert übersteigt nehme ich also T2.
Für die Berechnung von T2 = 10 · 10[(alpha - 1,5mrad)/98,5] s gibt es eine extra Formel.
Für diese Formel ist die Winkelausdehnung alpha erforderlich. Kann ich diesen Wert aus dem Datenblatt der Lasrdiode ablesen oder muss ich diesen Wert selber messen.

Oder reicht es als Näherung einfach als ungünstigsten Fall den Wert 100s anzunehmen?

Vielen Dank
Sam

[ekkard]

Die Einwirkungsdauer für Kriterium Nummer 3 (Reduziertes Einzelimpulskriterium) ist maximal durch den Parameter T2 gegeben.

Nur für die Zählung der Impulse und Berechnung von C5. Die Wahl des zuständigen Grenzwertes erfolgt aufgrund der Zeitbasis. (Es kann für deinen Fall natürlich bereits ab T2 der "Dauer-Grenzwert" z. B. 0,39 mW gelten. Aber das ist die Eigenart dieses von mir so angenommenen Falles.)

Da die Einwirkungsdauer (auf die Haut) bei meiner Anwendung diesen Wert übersteigt nehme ich also T2.

Öhm - bisher war von "Haut" keine Rede, sondern nur von dem sehr viel empfindlicheren System "Auge".
Für "Haut" gelten ganz andere Methoden!

Zurück zu "Auge":

Für die Berechnung von T2 = 10 · 10[(alpha - 1,5mrad)/98,5] s gibt es eine extra Formel.
Für diese Formel ist die Winkelausdehnung alpha erforderlich. Kann ich diesen Wert aus dem Datenblatt der Lasrdiode ablesen oder muss ich diesen Wert selber messen.

Bei Lasern führt das fast immer auf Werte um C6=1, so dass man auf diese Überlegungen keine Rücksicht nehmen muss. Es sei denn, du hast optische Komponenten, die den Sichtwinkel auf die Quelle stark (und unter allen denkbaren Bedingungen) deutlich über 1,5 mrad vergrößern.
Aber, wie schon gesagt, T2 hat Bedeutung nur für die Augensicherheit und nur für die Berechnung von C5 (nicht C6).

Zurück zu deiner Frage nach dem Sichtwinkel. Den kannst du gar nicht im Datenblatt finden, weil er vom Betrachtungsabstand zur scheinbaren*) Quelle abhängt. Je weiter du weg gehst, umso kleiner ist er. Eine gewisse Bedeutung hat er nur im Falle der Klassifizierung, bei der ja auch kleine Messabstände eine Rolle spielen (70 - 100 mm). (GZS - Betrachtungen). Bei MZB-Betrachtungen bist du i. d. R. weiter weg, und der Sichtwinkel ist sehr klein.

Das Einzige, was du vielleicht findest, ist die Angabe der Strahltaille (Größenordnung Zehntel-mm). Deren Durchmesser musst du durch deinen ungünstigsten Abstand (70 mm und mehr) dividieren und in mm/m = mrad ausdrücken. Beispiel: Die Strahltaille betrage 0,2 mm und der Mindestabstand besten Sehens bei Erwachsenen 0,2 m, dann hast du 1mrad < 1,5 mrad, also C6 = 1 und T2 ca. 10 s.

Oder reicht es als Näherung einfach als ungünstigsten Fall den Wert 100s anzunehmen?

Die Zeitbasis hängt von der Anwendung ab. Wenn du nicht in den Laser schauen musst, sondern die Treffer zufällig erfolgen, gelten 100 s als Zeitbasis. Bei Betrachtung von durch Laser beleuchteten Dias gelten beispielsweise 30000s (1 Arbeitsschicht).

Für Anwendungen vor eingewiesenen Personen, die nur zufällig getroffen werden und wissen, dass man nicht in die Strahlung starren soll, gilt eine Zeitbasis von 0,25 s (Laserklasse 2).

Wenn du etwas über Grenzbetrachtungen bei Bestrahlung der Haut wissen willst, mach ein neues Thema auf. Ich kann auch dazu einiges sagen. Die Haut ist im Allgemeinen sehr viel weniger empfindlich und reaktionsträger als die Retina mit ihrer Sammeloptik "Linse". Du müsstest vor allem mal die Anwendung, die Wellenlänge und die näheren Umstände beschreiben. Mit einigen Angaben hab ich einfach mal ein Bisschen im Nebel gestochert und mich vor allem auf das Auge konzentriert.

Mit freundlichen Grüßen
Ekkard

*) "scheinbare Quelle" ist entweder die physikalische Quelle oder bei Linsenvorsätzen die reale oder virtuelle Abbildung der Quelle. (real: im Strahlweg jenseits der Linse, virtuell auf derselben Seite der physikalischen Quelle).

[SamLaser]

vielen Dank du bist mir wirklich eine große Hilfe.
für die Bestrahlung der Haut werde ich ein neues Thema aufmachen.

Vielen Dank
Sam