 | Newsletter – Nr 11
Wann kracht´s?
Leistungsdichte beeinflußt die Funktion von Laseroptiken
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Die Frage, bei welcher maximalen Leistungsdichte Ihres Laserstrahles die Optiken in ihrer Funktion gestört bzw. zerstört werden, wird oft gestellt. Die Antworten darauf sind oft nicht nur mehrdeutig, sondern auch verwirrend, da normalerweise viele Parameter (Material, Absorption, Umgebung, Einbaubedingungen, Strahlparameter) einen Einfluß auf die Funktion der Optiken haben.
Schon der Begriff „Leistungsdichte“ kann unterschiedlich interpretiert werden. Für viele ist die „maximale Leistungsdichte“ gleichbedeutend mit dem Zerstörungsschwellwert – der Leistungsdichte, bei der eine Optik irreversibel geschädigt wird. Da es allerdings schon vorher zu Bearbeitungsproblemen aufgrund mangelnder Wärmeabfuhr (thermische Linsenwirkung!) kommen kann, ist es angebracht den Begriff der „maximalen Leistungsdichte“ für Laseroptiken näher zu definieren und in diesem Fall durch „kritische Leistungsdichte“ zu ersetzen.
Von den gebräuchlichsten Spezifikationen für die „maximale (kritische) Leistungsdichte“ sollen hier die wichtigsten erwähnt werden, die für folgende Laseranwendungen zutreffen:
1. Die Durchschnitts-Leistungsdichte für CW-Laseranwendungen ØD
2. Die Spitzen-Leistungsdichte für CW-Laseranwendungen ØS
3. Die Spitzenleistungsdichte für gepulste Laseranwendungen ØP
Zu beachten ist, dass die jeweiligen Werte für die „maximale Leistungsdichte“ für jeden der drei Fälle grundverschieden sind. Da gibt es z.B. die „maximale Leistungsdichte“ für den Fall der Zerstörung von Optiken bei gepulsten Lasersystemen mit einer Impulslänge von ≤1 µs. Auch bei gepulsten Systemen gibt es eine maximale Leistungsdichte für den Fall thermisch induzierter Spannungen in Optiken (die die Strahlparameter ungünstig beeinflussen). Diese Werte unterscheiden sich komplett von denen bei CW-Laseranwendungen. Leistungsdichte kann man im allgemeinen beschreiben als die „Durchschnitts-Leistungdichte“, die den 1/e2-Strahldurchmesser eines gegebenen Lasers zugrunde legt. (Bei diesem Durchmesser ist die Intensitätsverteilung einer Gaußschen Intensitätsverteilung (TEM00) auf ca. 14% vom Spitzenwert abgesunken!) Für den Fall einer Gaußschen Verteilung (rotationssymmetrisch!) gilt also dementsprechend:
ØD = PG/πR2
ØD = Durchschnitts-Leistungsdichte
PG = Gesamtlaserleistung
R = Strahlradius bei dem die Leistung auf 1/e2 (=14%) abgesunken ist.
Die Spitzenleistungsdichte ØS ist im Falle einer Gaußschen Verteilung allerdings höher als die Durchschnitts-Leistungsdichte ØD, da wir hier nur den zentralen Bereich der Gaußverteilung betrachten müssen, in dem die Leistung sich vom Scheitelwert nur unwesentlich verändert hat (z.B. ist es gebräuchlich, nur die inneren 5% der Verteilung zu berücksichtigen). Die Spitzenleistungsdichte ØS kann man nun wie folgt beschreiben:
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| Man kann nun unschwer erkennen, dass: |
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Und zwar gilt dies unabhängig vom Strahldurchmesser. Normiert auf eine Laser- Gesamtleistung von 1,0 W ergeben sich nun – in Abhängigkeit vom 1/e2-Strahldurchmesser – Spitzenwerte für einen inneren 5%-Bereich, die einer e-Funktion folgen (siehe Tabelle).
Bei einem 100-W-Laser mit 1/e2-Strahldurchmesser von 3 mm beträgt die 5% Spitzenleistungsdichte also bereits 2,8 kW cm2. |
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| Gegenüberstellung von PG und ØS eines CW-TEM00-Laserstrahles normiert auf 1,0 Wcm-2 |
Strahldurchmesser
(mm) |
Spitzen-Leistungsdichte
(W/cm2) |
Strahldurchmesser
(mm) |
Spitzen-Leistungsdichte
(W/cm2) |
| 1 |
254,01 |
21 |
0,58 |
| 2 |
63,50 |
22 |
0,53 |
| 3 |
28,22 |
23 |
0,48 |
| 4 |
15,88 |
24 |
0,44 |
| 5 |
10,16 |
25 |
0,41 |
| 6 |
7,06 |
26 |
0,38 |
| 7 |
5,18 |
27 |
0,35 |
| 8 |
3,97 |
28 |
0,32 |
| 9 |
3,14 |
29 |
0,30 |
| 10 |
2,54 |
30 |
0,28 |
| 11 |
2,10 |
31 |
0,26 |
| 12 |
1,76 |
32 |
0,25 |
| 13 |
1,50 |
33 |
0,23 |
| 14 |
1,30 |
34 |
0,22 |
| 15 |
1,13 |
35 |
0,21 |
| 16 |
1,00 |
36 |
0,20 |
| 17 |
0,88 |
37 |
0,19 |
| 18 |
0,78 |
38 |
0,18 |
| 19 |
0,70 |
39 |
0,17 |
| 20 |
0,64 |
40 |
0,16 |
Die Durchschnitts-Leistungsdichte wäre in diesem Fall allerdings nur ca. 1,4 kW cm2.
Unabhängig von der eigentlichen Bedeutung von ØG oder ØS wird die Optik ab einer bestimmten – subjektiven – Leistungsdichte limitierend bei der Bearbeitung oder für die Abbildungsqualität. Bei einigen Laseranwendungen, ist die „maximale Leistungsdichte“ identisch mit dem Zerstörungsschwellwert für die Optik. In anderen Fällen ist die maximale Leistungsdichte erreicht, wenn das Lasersystem aufgrund thermisch induzierter innerer Spannungen keine optimalen Ergebnisse erbringt. |
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Wenn die optischen Eigenschaften des Materials durch innere Spannungen so verändert werden, dass eine Fokussierung in der gewünschten Qualität nicht mehr möglich ist, ist eine kritische „maximale Leistungsdichte“ erreicht. Im Falle von CW-Laseranwendungen können thermisch induzierte interne Spannungen zu Änderungen des Brechungsindex des Optikmaterials (dn/dT-Effekte) und damit zu Fokussierproblemen führen.
Die durch die Absorption im Material hervorgerufene Temperaturerhöhung führt zu einem ausgeprägten Temperatur- (und damit auch Brechungsindex-) Gradienten, der bei kleinen Strahldurchmessern (wegen der relativ schlechten Wärmeleitung von optischen Substraten) sehr schnell zur Zerstörung führen kann.
Im Gegensatz dazu können größere Strahldurchmesser die Lebensdauer von Optiken entscheidend verlängern, da die Leistungsdichte geringer ist.
Eine exakte Darstellung der Definition von Laserstrahl- Parametern gemäß DIN EN ISO 11146 kann angefordert werden. |
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| Ihr Ansprechpartner: |
| Klaus Hänsel (Tel.: 06151-8806-42, E-mail: haensel@ii-vi.de) |
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