Revoluční měření laserů senzory PowerMax-Pro

18. 08. 2014 | Ing. Filip Dušek | ProduktyOdborné články

K plnému využití výrobních možností laseru je nutné co možná nejpřesněji a nejjednodušeji měřit výstupní charakteristiky laserového paprsku. U pulsních laserů se jedná především o průměrný výkon, energii v pulsu a profil paprsku. Technologové a laseroví operátoři již dlouho volají po jednoduchém, avšak dostatečně komplexním měření těchto parametrů, na jehož základě by mohli jednoduše laser nastavit. Sladění všech parametrů je totiž nejen časově náročné, ale také obtížně numericky popsatelné. Ve špičkových aplikacích, jako je například vrtání kovových materiálů v letectví, tak lze nastavení laseru považovat za druh umění. V souvislosti s požadavkem uceleného měření parametrů laserového svazku uvedl Coherent na trh revoluční novinku, která je aktuálně v patentovém řízení.

Nová řada měřáků PowerMax-Pro umožňuje pokročilou diagnostiku laserového svazku. Zobrazuje měřené údaje v reálném čase a redukuje tak náklady na materiál a časovou náročnost procesu. Spolu se snížením výrobní zmetkovosti zajišťují měřáky plynulé změny ve výrobním procesu a své uplatnění nachází i při údržbě optických drah v případě čištění, výměny a justování komponent laseru.

Dosavadní senzory a vyhodnocovací jednotky byly vždy určitým kompromisem mezi rychlostí a rozsahem měření a limitovaly uživatele úzkým rozsahem použití.

Prezentační video výrobce

Stávající technologie

Dosavadní senzory zahrnují tři typy konstrukcí.

Termofilní senzory jsou vhodné pro vysoce výkonné lasery a fungují na principu přeměny tepelné energie na energii elektrickou. Jejich výhodou je vysoký rozsah spektra (0,19 – 11µm), výkonu (100µW – 5kW) a prahu poškození. Nevýhodou pak delší ustálení hodnoty zobrazovaného výkonu, které v praxi může trvat i několik vteřin a je závislé na velikosti senzoru a prohřátí kolektoru (obr.1). Mnohaleté zkušenosti ukazují, že tento typ senzorů vykazuje dobré výsledky u kontinuálních laserů. Pro pulsní lasery přináší představu o průměrném výkonu za daný časový interval, popř. celkovou integrovanou energii dlouhých pulsů.

Senzory využívající polovodičové fotodiody pracují na bázi absorpce fotonů laserového svazku a jejich následné přeměny na nosiče náboje. Měří se výsledná změna proudu či napětí. Jejich výhodou je skvělá citlivost pro nízké úrovně záření (10nW – 50mW) a rychlá odezva. Za limitující lze považovat nutnost použití atenuátororů pro hodnoty výkonu nad 1mW/cm².

Pyroelektrické senzory využívají aktivní element, který je citlivý na změnu teploty a generuje velké napěťové změny, které jsou vyhodnocovány. Pyroelektrické senzory se používají pouze pro pulsní lasery a lze jimi měřit pulsy s frekvenci vyšší než 10kHz a celkovou energií vyšší než 1J.

Senzor PowerMax-Pro

Vlastnosti PowerMax-Pro senzorů:

• Široký rozsah spektra
• Dynamický rozsah
• Rychlá odezva
• Odolností vůči zničení (demage treshold )

Konstrukce senzorů je odlišná od evolučně předcházejících typů. Silnostěnné termočlánky byly nahrazeny unikátní tenkou vrstvou absorbčních filmů o tloušťce v řádu mikronů. Teplo vzniklé absorpcí laserového paprsku tak proudí velmi rychle k chladiči, kde je rozptýleno (obr. č. 2). Elektrický signál z tenké vrstvy se pohybuje v příčném směru k okrajům zařízení, kde je měřen snímačem na bázi senzorových elektrod. Rychlost odezvy senzoru se pohybuje v řádu mikrosekund, přičemž měření okamžitého výkonu nevyužívá „předkmit“ pro získání dynamických hodnot.

Video s porovnáním absorpčního disku termofilního senzoru a tenkých vrstev Powermax-Pro senzoru

Technické parametry řady PowerMax-Pro:

• Rozsah vlnové délky 300nm - 11µm,
• Rozsah měřitelného výkonu 50mW – 150W, max. špičkový výkon 170W
• Doba náběhu < 10 µs
• Pracovní plocha samotného senzoru/ apertury (30mm x 30mm),
• Demage treshlod 14 kW/cm²; 700 mJ/cm² v pulsu > 10µs,
• Vzorkovací frekvence od 10Hz - 20kHZ (625kHz snapshot mode),
• Chlazení vzduchem popř. vodním okruhem

Surový signál senzoru je zpracován vyspělou elektronikou měřáku LabMax-Pro SSIM. Flexibilní provoz je dosažen díky USB a RS-232 propojení k hostitelskému PC a uživatelskému softwaru, který není licenčně omezen. Software umožňuje zobrazení výsledků včetně laserového ladění a vizualizace pulsního tvaru na PC (WIN 7,WIN8) a poskytuje celou řadu alanytických funkcí jako jsou živé statistiky, histogramy, trendy a záznamy dat. Navíc, kompletní sadu hostitelských příkazů, lze zaslat přes komunikační rozhraní, což lze s výhodou využít v embedded aplikacích.

Podrobnější informace o senzoru PowerMax-Pro a měřáku LabMax-Pro SSIM.