Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen

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1 Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen Markus Revermann Ophir Spiricon Europe GmbH 1

2 Inhalt Inhalt Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Berührungslose Strahlcharakterisierung Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 2

3 Wer sind wir Ophir Spiricon Europe GmbH Darmstadt Europäischer Support : Technischer Verkauf Service Rekalibrierung für OPHIR Leistungs- und Energiesensoren SPIRICON Strahlprofilometer PHOTON Strahlprofilometer und Goniometer 3

4 Was bieten wir für Sie? Instrumente zur Lichtmessung Leistung Energie Zeitliches Profil Räumliche Profil Alle Laser Jede Wellenlänge (weichen Röntgenstrahlen bis THz) Jede Leistung (fw bis 120 kw) Jede Energie (nj bis 5000J) Jede Strahlgröße (µm bis m) Werkzeuge zur Strahlcharakterisierung 4

5 Inhalt Inhalt Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Funktionsweise eines berührungslosen Messgerätes Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 5

6 Einleitung Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen Faserlaser Lampen oder Diodengepumpte Festkörperlaser Nd or Yb:Yag, - Stab,- Slab,- Scheibenlaser Diodenlaser Gas laser CO 2, Excimer laser Wellenlänge: UV bis IR Leistung: 100W to > 100kW Energie: 1mJ to > 10kJ 6

7 Einleitung Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen Typische Strahlparameter Leistung / Energie (W / J) Strahldurchmesser (cm) (Leistungsverteilung) Leistungsdichte / Intensität (W/cm²) Warum? Leistungsdichte (W/cm²) definiert, wie der Laser mit dem Material bzw. der Anwendung reagiert. 7

8 Einleitung Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen Hier in der Größenordnung von 2-10 Messwerte/Sekunde 8

9 Prozessoptimierung: Strahlparameter bei Hochleistungslasern berührungslos in Millisekunden messen Schneiden Schweissen Motivation Cladding W cm 2 Bohren 9

10 Motivation Laserleistung, Fokusdurchmesser und Position ist in vielen industriellen Anwendungen kritisch. W cm 2 10

11 Motivation Leistungsdichte (W/cm²) ändert sich mit der Zeit Weil Lasersysteme aus physischem Material bestehen Laser Quelle Strahlführung Laser Bearbeitungskopf Nd:YAG Yb:Faser Diode Scheibe CO 2 Freistrahl- Optiken (Typischerweise mehrere) Faser Shutter Aperturen Spülgase Strahlformungsoptiken Scanner Spiegel Fokussierende Linsen oder Spiegel Prozeß Gase/Düsen Schutzgläser 11

12 Inhalt Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Berührungslose Strahlcharakterisierung Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 12

13 Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Einige historische Laserleistungsmessungen oder Strahlprofilometer zeigen nur einen Teilausschnitt. Einzelne Datenpunkte Momentaufnahme Subjektive Interpretation 13

14 Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern CCD Kamera basierende Strahlcharakterisierung zur Messung der Fokusposition bei einem 1 KW Faser Laser Laser System: cw-faser laser 1070nm 600µm Faser 1kW Class 1 workstation Spiricon Beam Profiler System Software: BeamGage Professional Kamera: SP620U Abschwächer: LBS-300-NIR + SPZ

15 Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern CCD Kamera basierende Strahlcharakterisierung zur Messung der Fokusposition bei einem 1 KW Faser Laser 15

16 Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Die Strahlcharakterisierung von Hochleistungslaser durch konventionale Technologien ist schwierig, manchmal sogar unmöglich. Gesprungener Abschwächer Keil auf Grund zu hoher Leistungsdichte 16

17 Inhalt Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Berührungslose Strahlcharakterisierung Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 17

18 Berührungslose Strahlcharakterisierung Rayleigh Streuung elastische Streuung an Atomen und Molekülen 18

19 Berührungslose Strahlcharakterisierung Rayleigh Streuung elastische Streuung an Atomen und Molekülen Streuungsintensität vs. Wellenlänge Warum ist der Himmel nicht violett? 19

20 Berührungslose Strahlcharakterisierung Rayleigh Streuung elastische Streuung an Atomen und Molekülen (N) Anzahl der Streukörper ( ) Polarisierbarkeit ( ) Laserwellenlänge (R) dem Abstand des Streukörpers ( ) dem Streuwinkel. Gestreute Intensität bei 1070nm : I ~

21 Berührungslose Strahlcharakterisierung Bei 1070nm : I ~10-6 Für eine CCD oder CMOS Kamera mit 100ms Belichtungszeit ist die Sensitivität zur Darstellung der Rayleigh Streuung bei einer Leistungsdichte ab 2x10 6 W/cm² möglich. z.b. bei 1kW und 250µm Strahldurchmesser 21

22 Berührungslose Strahlcharakterisierung Aufbau eines berührungslosen Messgerätes 22

23 Berührungslose Strahlcharakterisierung Aufbau eines berührungslosen Messgerätes Messung von 2048 Einzel Strahlprofilen über CCD analog schlitzbasierender Messgeräte 23

24 Berührungslose Strahlcharakterisierung Aufbau eines berührungslosen Messgerätes ISO Standard Strahlparameter: ISO Standard Strahlparameter: 24

25 Berührungslose Strahlcharakterisierung Validierung der Messtechnik Vergleich mit einem industriellen Standardmessgerät mit Scanning-Pinhole - Technologie bei 2kW und 20kW 2kW 20kW 25

26 Inhalt Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Berührungslose Strahlcharakterisierung Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 26

27 Anwendungsbezogene Messungen Messung eines100kw Faser Laser 100K-W Leistungssensor BeamWatch 27

28 Anwendungsbezogene Messungen Messung eines16kw Scheiben Laser BeamWatch 30K-W Leistungssensor 28

29 Anwendungsbezogene Messungen Zeitliche Verhalten der Fokusposition bei 15,85kW Leistung Fokusdurchmesser Fokus Shift M² 500 W 386 µm 0,2mm W 407 µm 1,6mm W 418 µm 4,2 mm W 430 µm 7,2 mm 26 29

30 Anwendungsbezogene Messungen Fokus Shift Bestimmung zur Charakterisierung des optischen Systems 8 7 Fokus Shift vs Laserleistung y = 0,4857x 2-1,0743x + 0,52 6 Fokus Shift (mm) ,00 0,50 5,00 10,00 15,00 Leistung (kw) 30

31 Anwendungsbezogene Messungen 400W, 75µm Fokusdurchmesser Regelmäßige Überprüfung der Fokuslage in z 31

32 Anwendungsbezogene Messungen 5kW, 230µm Fokusdurchmesser Überprüfung der Fokuslage eines Scannersystems 32

33 Anwendungsbezogene Messungen 5kW, 230µm Fokusdurchmesser Überprüfung der Fokuslage eines Scannersystems 33

34 Inhalt Ophir Spiricon Europe GmbH Einleitung und Motivation Strahlcharakterisierung von Hochleistungslasern Berührungslose Strahlcharakterisierung Anwendungsbezogene Messungen Zusammenfassung und Ausblick 34

35 Zusammenfassung Strahlcharakterisierung durch berührungslose Messung Strahlparametermessung nach ISO und ISO Dynamische Messung von Strahlparametern wie z.b. Fokusshift Zuverlässig im Bereich von 1 100kW Leistungslimitierung nicht erkennbar Einfügen von Strahlanalyse in Produktionsprozess Kurze Messdauer ermöglicht Qualitätssicherung bis Stückzahl 1 Loggen und speichern von Daten zum Qualitätsnachweis 35

36 Ausblick Erweiterung des Messbereiches / Rayleighlänge Erweiterung des Wellenlängenbereiches VIS / UV Integration weiterer Funktionen Industrielle Messsysteme 36

37 Vielen Dank Besuchen Sie uns in der Ausstellung!