Charakterisierung von Laserstrahlen mittels SWIR-Kameras
Laser-Gesundheitscheck
Die Einsatzmöglichkeiten von Laserstrahlen sind vielfältig. Einige Beispiele sind das Schweißen und Schneiden von Materialien, medizinische Anwendungen, Spektroskopie und Vermessung. Im Laufe der Zeit führt der umfangreiche Einsatz eines Lasers allerdings zu dessen Verschlechterung und Effizienzverlusten. Dann wird es für die Anwender unerlässlich, die Lasereigenschaften zu analysieren.
Mit dem CinCam-InGaAs-SWIR-Beam-Profiler ist die Charakterisierung von Laserstrahlen möglich, die in detaillierten Abbildungen festgehalten wird und eine optimale Visualisierung der Messergebnisse gewährleistet. Mit dabei sind drei verschiedene Modelle der SWIR-Kamera Goldeye. (Bild: Cinogy Technologies GmbH)
In der Vergangenheit wurde hierfür die Verbrennung verschiedener Materialien wie Papier, Holzblöcke oder Trockenbauplatten analysiert. Diese Tests lieferten zwar analytische Ergebnisse, ergaben aber nicht genügend Informationen, um den genauen Zustand des Lasers richtig einzuschätzen. Darüber hinaus ermöglichten die Tests keine Echtzeitbeurteilung des Lasers. Hier kommt der Laserstrahl-Profiler zum Zuge. Dieser ermöglicht die Messung der räumlichen Intensität eines Laserstrahls. Folgende Merkmale werden dabei gemessen:
- Strahlprofil oder 2D-Leistungsverteilung (2D-Intensitätsdiagramm eines Strahls)
- 2D-Strahlgrößenmessung
- Strahldivergenz (Messung der Strahlverbreitung inkl. Abstand)
- Strahlqualität mit M2 (Beugungsmaßzahl als Maß für die Fokussierbarkeit des Lasers)
- Strahllagestabilität
Es gibt viele Arten von Lasern, die das elektromagnetische Spektrum abdecken, vom UV bis zu Fern-Infrarot. Die Echtzeitbewertung ist besonders für Laser im kurzwelligen Infrarotspektrum (SWIR) vorteilhaft. Für Laser im SWIR-Bereich von 900 bis 1.800nm ist ein SWIR-Strahlprofiler erforderlich. Axiom Optics hat hierfür den CinCam-InGaAs-SWIR-Beam-Profiler entwickelt.
Die Goldeye-Kamera verfügt über eine TEC1-Kühlung, die für quantitative Messungen bei der Laserstrahlprofilierung vorgeschrieben ist. (Bild: Allied Vision Technologies GmbH)
SWIR-Kamera Goldeye
Das System ist eine schlüsselfertige Lösung zur Charakterisierung von Laserstrahlen im SWIR-Bereich. Es gibt drei Modelle: CinCam InGaAs 320, 640 und 636. Mit diesen können (fast) alle Strahlgrößen analysiert werden. Darüber hinaus kann die Software für Laserstrahlcharakterisierung RayCi von Cinogy je nach Anwender konfiguriert werden. In allen drei Modellen kommt eine Goldeye-GigE-SWIR-Kamera von Allied Vision zum Einsatz. „Die drei verwendeten Goldeye-Modelle erfüllen die unterschiedlichen Anforderungen unserer Kunden hinsichtlich Preis und Leistung“, erklärt Nick Lechocinski, Sales/3D-Sensor- und Kameraspezialist bei Axiom Optics. „Darüber hinaus verfügt die Goldeye über eine TEC1-Kühlung (thermoelektrische Kühlung), die für quantitative Messungen bei der Laserstrahlprofilierung vorgeschrieben ist.“ Die drei Goldeye-SWIR-Modelle sind die G-008 TEC1 (320×256 Pixel, 334fps), G-032 TEC1 (0,3MP bei 100fps) und G-033 TEC1 (0,3MP bei 301fps). Alle Kameras sind mit einer GigE-Schnittstelle ausgestattet und bieten jeweils für das entsprechende CinCam-InGaAs-Modell einen Vorteil. Die G-008 TEC1 wird im CinCam InGaAs 320 eingesetzt, dem preislichen Einstiegsmodell. Es liefert größere Pixel, wenn die Auflösung nicht entscheidend ist. Die G-033 TEC1, die in der CinCam InGaAs 640 verwendet wird, hat den kleinsten Pixelabstand von 15µm, was die Profilierung kleinerer Strahlen und die Erfassung zusätzlicher Strahldetails ermöglicht. Die G-032 TEC1 bietet die größte aktive Fläche und erlaubt es, große oder mehrere Strahlen gleichzeitig mit der CinCam InGaAs 636 zu charakterisieren. Die Goldeye-Kameras sind mit InGaAs-Sensortechnologie (Indium-Gallium-Arsenid) ausgestattet und im Spektrum von 900 bis 1.700nm empfindlich. Sie liefern hochwertige, rauscharme Bilder, auch dank integrierter Bildkorrektur- und Optimierungsfunktionen. Das Gehäusedesign von 55x55x78mm ermöglicht eine einfache Integration der Kamera in verschiedene Systeme.
Software ist der Schlüssel
Die RayCi-Software ist ein entscheidendes Element für das CinCam-InGaAs-System. Sie unterstützt Windows-Betriebssysteme (XP, Vista, Windows 7 und 8) und kann gleichzeitig mehrere Beam-Profiler-Kameras auf einem einzigen Computer steuern. Die Menüstruktur macht es leicht, schnell auf Standardeinstellungen zuzugreifen und mit der Bedienung zu beginnen. „Einzigartige Visualisierungsmodi, umfangreiche Analysemöglichkeiten und neu entwickelte Korrekturalgorithmen gewährleisten höchste Genauigkeit bei der Laserstrahlanalyse“, so Lechocinski. Die Software ermöglicht es, verschiedene Laserstrahlcharakterisierungen durchzuführen, z.B. können Strahlbreitentechniken (2. Moment, Knife-Edge-Methode, Gleitspalt-Verfahren, Plateau und Gaussfit-Funktion) zur Bestimmung von Standardstrahlparametern eingesetzt werden. Das Messwerkzeug lässt zudem die kontinuierliche Überwachung von Strahlparametern, Strahlposition und Leistungsdichteposition zu. Ein Strahlqualitäts-M2-Tool erlaubt eine genaue Strahlqualitätsanalyse. Die Messung von Zeitreihen, die eine kontinuierliche Überwachung und Analyse von Laserstrahlparametern und zeitlichem Verhalten ermöglicht, ist ebenfalls durchführbar. Außerdem kann eine kontinuierliche Messung der Strahllagestabilität nach ISO11670, berechnet durch den Schwerpunkt, ebenso durchgeführt werden. Vergleiche zwischen Live-Daten und bereits gespeicherten Daten sind ebenfalls möglich, da RayCi beide gleichzeitig analysieren kann. „Der Grund, warum wir uns für Allied Vision und die Goldeye-SWIR-Kameras entschieden haben, ist, neben den zahlreichen SWIR-Kameraoptionen und dem einfachen Zusammenspiel mit unserer Software, Allied Visions Bestreben, unsere Anwendung zu verstehen, um uns die ideale Kameralösung zu bieten“, so das Fazit von Lechocinski.
