Laser-Leistungsmesser

[heli_joe]

Hallo zusammen!

Die Strahl-Leistung von Lasern (z.B. DPSS) im Bereich 5...200 mW mittels thermischer Vergleichsmessung zu ermitteln ist sehr einfach:

Temperatursensor und Heizwiderstand thermisch gut gekoppelt auf einer schwarzen Fläche anbringen. Darauf achten, daß das Ganze möglichst kompakt aufgebaut ist (kleine Wärmekapazität) und thermisch einigermaßen isoliert ist. Laserstrahl auf die schwarze Fläche schießen und den Temperaturanstieg ermitteln. Nun statt des Lasers mit dem Heizwiderstand aufheizen. Heizstrom so einstellen, daß sich der gleiche Temperaturanstieg wie vorher ergibt. Heizleistung durch Messung von Strom und Spannung am Heizwiderstand ermitteln. Diese ist gleich der von der schwarzen Fläche absorbierten Strahlleistung.

Ich verwende dazu einen SMD-Temperatursensor "TC02VNB", an dessen Masseanschluß zum Heizen ein SMD-Widerstand 240 OHM (Bauform 0207) zwecks guter thermischer Kopplung angelötet ist. Die 4 Anschlußdrähte (Masse, +5V, Signalausgang, Heizwiderstand) sind sehr dünne Fädeldrähte (damit nicht zu viel Wärme abgeleitet wird). Das ganze klebt man auf eine etwas dickere Alufolie (z.B. ein Stück von einer Grillpfanne) von etwa 6 mm Durchmesser, welche zuvor an der dem Sensor abgewandten Seite über einer Kerzenflamme mit Ruß dick eingeschwärzt wurde.
Falls nötig kann man eine Isolierlage aus Wärmeleitfolie zwischenlegen. Die Anordnung wird thermisch isoliert befestigt (z.B. in Styropor eingebettet). Fertig ist die Laube.

Wenn man es noch besser machen möchte, kann man versuchen, um die geschwärzte Fläche noch einen Ring aus Alufolie zu legen (glänzende Seite nach innen), darüber dann einen Deckel aus Alufolie mit Loch für den Laserstrahl (glänzende Seite nach innen). Der Ruß, so schwarz er auch ist, absorbiert nämlich den Strahl nicht vollständig. Vermutlich wird diese "Lichtfalle" jedoch keinen signifikanten Unterschied im Meßergebnis bewirken. Man sollte aber tunlichst die Außenseite des Deckels ebenfalls schwärzen, damit beim Ausrichten keine Reflexionen ins Auge gehen!

Die Leistung eines bei "Laserversand.de" bestellten DPSS-Laser wurde von Herrn Meier mit 58 mW ausgemessen. Ich habe mit dieser Bastellösung exakt dieselbe Leistung ermittelt. Schon wenige mW Änderung machen sich thermisch deutlich bemerkbar. Bei 58 mW Strahlleistung beträgt der Temperaturanstieg etwa 20 Grad C.

Zwar kann die Strahlleistung auf diese Weise mit einfachen Mitteln recht genau gemessen werden, die Sache hat aber doch einen Haken:
Es wird nämlich die Leistung des gesamten emittierten Spektrums gemessen. Es gibt ja Gerüchte, daß es die Hersteller bei billigen DPSS-Lasern mit dem Infrarotfilter nicht so ernst nehmen. Wenn im Strahl noch ein nennenswerter Anteil der infraroten Pumpstrahlung enthalten ist, wird dieser mitgemessen. Diese Infrarotleistung nützt aber nur den Luftballon-Schützen und den Streichholz-Anzündern. Für die Lasershow kann man ihn vergessen. Die Lichtausbeute im sichtbaren Spektrum kann so trotz "gut" gemessenem Laser zu gering sein.
Ich kann mir gut vorstellen, daß auch professionelle Leistungsmeßgeräte nicht immer selektiv messen können. Oder kann man hier Filter vorsetzen? Vielleicht kann mal jemand was dazu posten.

Gruß
Johannes

PS: Versuche nach obiger Anleitung sind nur von Fachleuten durchzuführen und erfolgen auf eigene Gefahr. Die Laser-Schutzvorschriften sind zu beachten.

[Dr. Burne]

Hi,


Bauprinziep ist relativ simpel.
Justage sehr aufwendig.
Dauerbelastbarkeit mit 10W, wie bei Standart Messgeräten mit Justage, aua.

Aber zum Einstellen der maximalen leistung bei einem Gaslaser braucht man keine Justage.
Bei größeren Gaslasern muss sich das ganze nicht überhitzen können-->Wärmeabfuhr konstruktionsbedingt.


Gruß Stefan

[hubert]

Die Idee gefällt mir recht gut, vor allem fällt dann das Eichen und die Wellenlängenabhängigkeit weg, das ist bei meiner Konstruktion mit Fotoelement (TP61) und Transimpedanzwandler (Opamp) ein Problem.
Schreib uns mal, was dabei rausgekommen ist.
Apropos Filter, Pusch Elektronik bietet grad bei Ebucht günstige Filter für HT:grün und HT:blau an.
Gruß Hubert

[herkulase]

Könnte man nicht den dpss Strahl vorher durch ein Prisma schicken, und nur die grüne Linie in das Messgerät lassen? Man hätte dann halt natürlich den Verlust im Prisma mitzuberechnen, aber wenn man den kennt... Müsste man halt auch wieder sauber kalibrieren.

Gerald

[wler]

Diese Konstruktion ist auf jeden Fall besser als eine mit Photodioden etc.

Was es aber zu bedenken gilt: die eingespeiste Waerme muss irgendwo hin, sonst wuerde sich das ganze immer weiter aufheizen. Die absolute Endtemperatur ist daher auch ein Mass fuer den Waermeabfluss, und der kann via Strahlung, Konvektion und durch die Draehte gehen. Und es ist nicht gesagt, dass sich der Heizwiderstand in dieser Beziehung genau so verhaelt wie eine Beleuchtung der Absorberschicht.

Deswegen haben kommerzielle thermische Sensoren eine wohldefinierte Waermesenke, und messen die Temperatur_differenz_ zwischen der Senke und der Absorberflaeche. zB durch ein Thermopile oder Peltierelement; letzteres kommt zB in den Scientech-Messkoepfen vor und wurde auch schon von Amateuren bei Selbstbaukonstruktionen mit Erfolg verwendet.

[random]

Hi Leutz,

zum Einstellen eines Maximums reicht bereits ein KTY26, den man in den Strahl hält und den Widerstand misst.
Ob man dies bedingt abgleichen kann, weiss ich nicht, Problem ist die Umbgebungstemperatur... vielleicht mit nem Offset.
Gute Ergebnisse mit ca. 80...120mW grün.

Mit einem Peltier bin ich im Moment auch am experimentieren, leider sind meine viel zu gross und ich brauche auch noch ein dünnes schwarzes aluplättchen zum aufheizen.
Vorteil: Differenzmessung, recht empfindlich. Schon ein antippen mit dem Finger reicht, um an den Kontakten des Peltiers eine Spannung zu erzeugen. Auch recht rauscharm, d.h. mit kleiner Filterung steht ein recht brauchbares Signal zur Verfügung.

Nachteil: bei ca. 15mW sagte der noch gar nix, kann aber auch daran liegen, dass mein Peltier halt zu gross ist. Mal bei ebay nach nem kleinen schauen ...


Wie wärs damit, wenn man 2 Peltiers aufeinanderklebt und mit dem einen das andere auf eine definierte Temperatur von meinenthalber 5...20 Grad bringt? Absolute Temperaturmessung ist ja kein Thema... Dann sollte ja auch eine recht geringe Laserleistung erfasst werden können (Die Differenz wird dann ja grösser) ...

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Im Moment ist eh meine DArbeit am wichtigsten, so dass ich lediglich mal kurz was ausprobiere

Greetz!

[wler]

Wenn man unter einigen zehn mW messen will, muss man den Peltier thermisch gut abschirmen, sonst sieht man nichts. Ich habe so einen 50mm Durchmesser Scientech-head, welcher im wesentlichen einen grossen Peltier enthaelt mit Beschichtung, alles mit einem Rohr abgeschirmt. Wenn man da mit der Hand 20cm davorgeht, bekommt man schon eine Anzeige von einigem mW. Also die Empfindlichkeit ist nicht das Problem. Mit einem rauscharmen zero-drift opamp keine grosse Sache.

Ich fand folgendes mal ganz aufschlussreich:
http://argonholo.webhop.net/pub/PM.pdf
Leider sind solche Platinflaechensensoren scheinbar nur in zu kleinen Ausfuehrungen leicht erhaeltlich, ich hatte mal vergeblich nach groesseren gesucht. Aber heutzutage sind wohl Peltiers eh die bessere (billigere) Wahl.

[heli_joe]

Bauprinziep ist relativ simpel.
Justage sehr aufwendig.

Welche Justage???

Müsste man halt auch wieder sauber kalibrieren.

Beim Kalibrieren liegt ja gerade das Problem. Meine Absicht war, jenen Leuten, die keinen Zugang zu teuren Referenz-Meßgeräten haben eine Möglichkeit zur Leistungsmessung mit einfachen Mitteln ohne Kalibrierung aufzuzeigen.

Was es aber zu bedenken gilt: die eingespeiste Waerme muss irgendwo hin, sonst wuerde sich das ganze immer weiter aufheizen. Die absolute Endtemperatur ist daher auch ein Mass fuer den Waermeabfluss, und der kann via Strahlung, Konvektion und durch die Draehte gehen. Und es ist nicht gesagt, dass sich der Heizwiderstand in dieser Beziehung genau so verhaelt wie eine Beleuchtung der Absorberschicht.

Die absolute Endtemperatur ist ein Maß für die zugeführte Leistung und den Wärmeabfluß, das ist richtig. Deshalb muß man den Wärmeabfluß bei kleinen Laserleistungen klein halten, um einen meßbaren Temperaturanstieg zu erhalten.
Aber wir messen ja nicht die absolute Endtemperatur, sondern vergleichen den Temperaturanstieg durch Laserheizung mit dem Temperaturanstieg durch Widerstandsheizung. Bei guter thermischer Kopplung von Heizwiderstand, Absorberschicht und Temperatursensor dürfte es keine wesentlichen thermisch bedingten Meßfehler geben. Voraussetzung ist natürlich, daß der Wärmeabfluß bei beiden Messungen gleich ist (man darf vor bei der zweiten Messung nicht das Fenster aufmachen und für Zugluft sorgen).

Die Kopplung zwischen den elektrischen Komponenten und der Absorberschicht kann man noch verbessern, indem man alles mit Wärmeleitpaste thermisch gut verbindet.

Gruß
Johannes

[lasergarfield]

Hi
DIe idee hört sich ja mal ziemlich simpel an.

Wie machst du das mit dem Temperaturanstieg auswerten ??
Hast du da nen uC dranhängen der den ausgang des Tempsens auswertet... ?

Würd hier nämlich mal gern meine Roten Dioden messen.

Hast du vielleicht ein Bild von deinem Aufbau ?


gruß

[doctoritchy]

hello

i am very interesing whit you powermeter


but you have a good link for good diy powermeter based to calorimeter head ? and proçedure for calibrating this !

thank's

sorry for my bad english