Strahlkorrektur auf kurze Distanz

[Hatschi]

Halli Hallo

Ich stehe gerade etwas am Schlauch.
Korrektru einen blauen LD auf Fokus unendlich und dann die Prismen ausgerichtet, passt.
Fokus auf eine kurze Distanz von etwa 100mm und ich habe einen schmalen und langen Streifen.

Muß ich jetzt bei kurzem Fokus die slow axis korrigieren oder wo liegt mein Fehler?

Hatschi

[ekkard]

Hast du da eine Laserdiode (LD ???), die einen gewissen Astigmatismus aufweist? Das wäre normal:

Manche Laserdioden haben zwei deutlich verschiedene Fokalebenen, die mit der jeweils nicht fokussierten Leistung einen Strich erzeugen. Erst im "Unendlichen" spielt dieser Astigmatismus keine deutliche Rolle mehr.

Vielleicht gibt's ja auch noch weitere Erfahrungen dieser Art z. B. wie extrem dieser Astigmatismus sein kann. Mich hat das bei meinen Sicherheitsuntersuchungen nicht sonderlich gestört, weil man sich den "ungünstigsten Fall" heraussuchen muss. Dass dabei ein Teil der Leistung (jeweils) die Blende trifft, macht die Sache weniger kritisch.

[ekkard]

Muß ich jetzt bei kurzem Fokus die slow axis korrigieren oder wo liegt mein Fehler?

Dabei stehe ich jetzt auf der Leitung. Was genau willst du überhaupt machen? Bei Showlasern spielt die "astigmatische Differenz" nach den ersten paar Zentimetern (normalerweise) keine Rolle mehr?

[mikesupi]

Ich glaube, dass das im Nahbereich gar nicht funktioniert.

Du machst ja den Strahl nach dem Kolli breit, damit er im unendlichen Fokus schmal wird.

ol5.jpg

ol6.jpg

...

[VDX]

... wenn ich den Standard-Kollimator bei den blauen Laserdioden so weit herausdrehe, daß ich einen Fokusabstand von etwa 20mm habe, messe ich bei einer 2W-Diode etwa 0.08mm Spot-Durchmesser, bei einer 3.5W-Diode (schon leicht elliptisch) etwa 0.1mm und bei einer 6W-Diode dann schon stark elliptisch etwa 0.13mm.

Wenn ich das weiter weg fokussiere (Kollie wieder reindrehe), wird das immer elliptischer, bis ich irgendwann bei 100mm praktisch eine Linie mit um die 0.4mm x 0.2mm habe

Viktor

[Hatschi]

Halli Hallo

Irgendwie ist es ja logisch, wenn man es denn mal weiß!
Das Bild spricht ja für sich.

LD 6W compair.jpg

Hatschi

[Hatschi]

- zur oberen Linse kann ich nicht viel sagen
- die mittlere ist vom Roithner
- die untere eie meiner uralten f8 3 Glas Linsen mit entspiegelung für Rot

Ob die mir an den Rändern etwas wegschneidet kann ich nicht sagen, auch getraue ich mich nicht die Leistung mehr aufzudrehen, nicht das ich mir den Emitter noch selbst durch Reflexion zerschieße.
Sie währe aber (wieder einmal) mit Abstand die beste Wahl für´s bruzzeln.

LD 6W compair lenses.jpg

[tracky]

Harald, du wärst der Erste, den ich kenne, der die Großemitter LD für einen korrekten Beam (Show Laser) gezähmt bekommt. Aber ich denke in diesem Fall wären wohl Zylinderlinsen die bessere Wahl.

[jojo]

@Hatschi,
Wenn ich das richtig lese, fokussierst Du zuerst auf unendlich, korrigierst dann den Strahl und fokussierst dann erneut auf kurze Distanz (mit Herausdrehen der Kollimatorlinse)?
Das geht natürlich nicht.
Vorab muss die Diode so kollimiert werden, dass der Brennpunkt weit weg liegt. Oder besser gesagt BEIDE Brennpunkte.

Stellt man einen möglichst kleinen Punkt auf z.B. 5 Meter Entfernung ein, macht man oft den Fehler, dass ein Brennpunkt zwischen dem Punkt und der Diode liegt. Es ist der Brennpunkt EINER Achse durch den genannten Astigmatismus. Dadurch kommt es zu diesem "Umkippen", wie Mikesupi gesagt hat. Der Strahl der in einer Achse breiter gemacht wurde, wird auf Entfernung schmaler. Der Fleck sieht zwar auf diese Distanz symmetrisch aus, ist aber in einer Achse bereits durch diesen Brennpunkt gekreuzt. Das geht nicht.

Stellst Du den Kollimator so dass der Fleck auf die Distanz größer wird (also Kollimator WEITER hineingedreht als beim "Scharfstellen") dann liegen beide Brennpunkte weit weg. Jetzt korrigierst Du eine Seite mit dem Prisma.
Diese Korrektur ist dann entlang des gesamten Strahls gleich. Die Divergenz ist natürlich größer (vielleicht 2-3mrad).
Das ist aber egal, denn es wird nur vorkollimiert, NICHT fokussiert.
Nimmst Du nun eine zweite Linse, die Fokuslinse, kannst Du den gewünschten Spot erzeugen.
Diese kann z.B. 25, 50 oder 100mm Brennweite haben.
Da Du einen relativ gering divergenten Strahl mit der Fokuslinse bündelst, ist der Abstand der Linse zum Laser relativ egal. Massgeblich ist der Abstand Linse<>Arbeitsfläche. Und dieser ist durch die Brennweite der Fokuslinse festgelegt.
Der Fokusdurchmesser selbst ist immer gleich, egal wo im Strahl die Fokuslinse sitzt. "Defokussiert" wird dadurch dass die Arbeitsfläche aus der Fokusebene herausgelegt wird. Es wird aber NICHT der Fokusabstand bzw. die scheinbare Brennweite geändert. Das geht nur mit einer anderen Linse.
Anders als bei den einfachen Versionen mit nur der Kollimatorlinse, wo durch Hinein- oder Herausdrehen des Kollimators der Abbildungsmaßstab und auch die Entfernung des Fokuspunkts verstellt wird.

Durch den etwas divergenten Strahl nach dem Kollimator und der Korrektur wird Dein Fokus etwas weiter weg liegen als die Brennweite der Fokuslinse.

Gruß

Joachim

[Hatschi]

Danke Jojo, leider muß ich derweil nur mit der Kollimation zurechtkommen was im Normalfall ja ausreichend ist.
Jetzt werde ich für´s erste beim Roithner die 8mm ar blau ordern und für den Anfang glücklich sein.

[Hatschi]

Das Gitter ist ein 1mm Raster

LD 6W compair lenses measurements.jpg

[jojo]

Danke Jojo, leider muß ich derweil nur mit der Kollimation zurechtkommen was im Normalfall ja ausreichend ist.

Ah okay - dann kannst Du Deine Strahlkorrektur natürlich vergessen bzw. sparen.
Bei der einfachen Kollimation musst Du den Fokus auf der Arbeitsfläche "unscharf stellen", damit aus dem Strich ein Quadrat wird. Da aber beide Achsen des Strahls unterschiedlichen Winkel haben, wird nicht die breite Seite in dem gleichen Maße schmäler, in dem die schmale Seite breiter wird. Ich wollte mir dazu mal ein Programm erstellen, mit dem man die Spotgröße berechnen könnte, wenn die Form quadratisch eingestellt ist.
Das ist aber recht schwierig, wenn man die echte Größe des Emitters nicht kennt.
Aus mir unerfindlichen Gründen ist es ja aus der Mode gekommen, in Datenblättern die Größe der aktiven Fläche anzugeben. Vor 20 Jahren bei Pumpdioden war das noch üblich, z.B. 2 x 200µm.

Lass Dich von den Ergebnissen Deiner Kollimatorlinsen nicht verwirren:
Da Du mit verschiedenen Brennweiten experimentiert hast, aber immer auf die selbe Distanz fokussiert hast, hast Du verschiedene Abbildungsmaßstäbe erhalten. Und der genannte Astigmatismus hat sich verschieden ausgewirkt, so dass es SO AUSSIEHT, also ob die eine Linse schlechter wäre als die andere.
Tatsächlich ist keine Linse schlechter, sondern Du hast nur auf diese eine Distanz ein anderes Abbild.
Änderst Du zu jeder Brennweite die Distanz entsprechend, bekommst Du auch bei jeder Linse das gleiche Abbildungsverhältnis des Strichs.

Natürlich wird eine langbrennweitige Linse bei einem vorgegebenen Abstand von 100mm das bessere Ergebnis liefern.
Weil die Linse weiter vom Emitter weg sitzt, ist der Strahldurchmesser auf der Linse größer. Der Winkel des austretenden Lichtkegels aus der Linse wird dadurch ebenfalls größer und der Fokuspunkt entsprechend kleiner.
Eine kurzbrennweitige Linse z.B. 4mm kommt viel näher an den Emitter. Der Strahldurchmesser dort ist nur weniger als halb so groß. Da aber die Fokusdistanz gleich ist (ca.100mm) ist der Austrittswinkel auch nur knapp die Hälfte und der Fokuspunkt wird größer.
Die Regel ist ja, je größer der Strahldurchmesser bzw. je größer der Winkel des Strahlkegels nach der Linse desto kleiner der erreichbare Fokus.
Mit einer 100mm Brennweite 50mm nach dem Emitter und der Brennpunkt weitere 50mm dahinter würdest Du theoretisch eine 1:1 Abbildung erreichen.

Aber:
1. musst Du aufpassen, dass bei längerer Brennweite (= Abstand zum Emitter) der Strahl noch komplett auf die Linse passt und
2. wird mit steigender Brennweite die Schärfentiefe immer geringer. Bei einer 100mm Brennweite würde die fast gegen Null gehen.
Du wirst also schon bei den Kollimatoren zwischen f4mm und f8mm einen merklichen Unterschied in der Schärfentiefe Deines Fokuspunktes feststellen.
Aber das brauche ich Dir als Fotografen ja nicht zu erklären.

Ich muss immer wieder lachen, wenn in bestimmten Foren 20 Seiten lang über diese und jene "bessere" Kollimatorlinse diskutiert wird.
Es gibt nicht "die" bessere Linse, sondern nur die die besser für Deine Anwendung taugt.
Ich habe je nach Anwendung mit 20 Cent Plastiklinsen bessere Ergebnisse erzielt als mit teueren 3-Linsern.
Einfach nur weil die Brennweite für diesen Zweck besser gepasst hat.

Gruß

Joachim

[Hatschi]

Halli Hallo

Stimmt, früher sind immer die Emittermaße angegeben worden!

Und ja, was für die eine Anwendung hervorragend funktioniert kann für die Andere von Nachteil sein.

Für meine Anwendung (Papier, Holz, anderer Kleinkram) haben mir meine Fotos gezeigt das die f8 Linse, auch wenn eventuell nicht der ganze Emitter durchpasst, die geeignetste Wahl sein dürfte da man gut erkennen kann das dort am meißten Energie gebündelt wird und eventuell dadurch auch die geringere Tiefenschärfe wieder wett macht.

Hatschi

@Jojo.: kannst du dich vielleicht noch erinnern was deine Prismen von "seinerzeit" für Daten hatten?

[Hatschi]

Wer mißt, mißt Mist. Fokus war 150mm.

Aber wie schafft dann dieser Herr die Physik auszutricksen?

https://www.lasertack.com/en/6w-445nm-e ... ng-laser-2

Außermittiger Strahlaustritt würde ja für Prismen sprechen?
Die Tiefenschärfe dürfte nach den Angaben darunter aber auch sehr leiden.

Und prinzipiell würde ja auch nichts dagegensprechen den Spot im Fokus einfach auf ein Quadrat zu beschneiden.
Die gesamt auftreffende Leistung sinkt dadurch zwar erheblich, aber am verbleibenden Auftreffpunkt bleibt sie gleich.

Hatschi

[VDX]

... da sind zwei Prismen drin und der Leistungsabfall ist auch ziemlich hoch - aus der 6.5W-Diode holt er damit "nur noch" 5.5W raus:

SpotCreator_vs_Prismenpaar.jpg

VIktor

[Hatschi]

Die Kollimatorvariante hat ja nur 6W. Nur 0,5W Verlust aber die 5,5W mehr auf den Punkt gebracht.
Also im Prinzip macht er es ja wie man es normalerweise richtig macht, so wie Jojo auch geschrieben hat, wie ich es am Ende ja auch vorgehabt hätte, mit Fokuslinse.

Da stellt sich mir die Frage....

schnell mal Konstruiert: ca. die doppelte Leistung gegnüber der normalen Fokusierung.

SpotCreator vs normale Linse.jpg

[VDX]

... was ich bisher noch nie im Einsatz bei Lasergravierern gesehen habe, ist die eigentlich noch bessere Variante mit einem oder zwei schräge angestellten Konkav-Spiegeln.

Damit kann ein elliptisches Strahlprofil ebenfalls "zusammengestaucht" werden ... und die Leistungsverluste sollten auch deutlich geringer sein ...

Viktor

[Hatschi]

Halli Hallo

Für den recht kleinen finanziellen Aufwand funktioniert das Papierschneiden und Holz gravieren erstaunlich gut.
Mechanisch ist natürlich Luft nach oben und etwas nachzuarbeiten (parallelität), das 12V 2A SNT ist für den Müll.

Zur Zeit verwende ich eine kurzbrennweitige Linse auf kurzem Abstand (ca. 40mm), aber über eine Strahlkorrektur führt kein Weg vorbei.

Hatschi

[VDX]

... mit SNT's oder Buck-Reglern habe ich beim Pulsen immer Spikes, was der Diode nicht gut tut!

Meine Treiber baue ich mit einer Konstantstrom-Regelung über schnelle OpApms und MOSFET's im "Regelbereich", was deutlich Hitze erzeugt (gegenüber dem nur AN/AUS-Schalten), aber bis 12A und bis 50kHz praktisch ohne Spikes oder Transienten funktioniert ...

Viktor

[jojo]

schnell mal Konstruiert: ca. die doppelte Leistung gegnüber der normalen Fokusierung.

Das sind reine Spekulationen.
Es hängt davon ab um welchen Faktor Dein Strahl in der einen Ebene "gestaucht" oder "gedehnt wird". Mehr als 3fach ist mit Prismen schwer, weil der Faktor von der Drehung des Prismas abhängt. Und mit der Drehung sinkt der Einfallswinkel auf die Flächen und damit steigt der Reflexionsverlust extrem an.
Auch wird die mögliche Apertur geringer, weil der Bereich im Prisma immer schmaler wird, wenn man es dreht.
Leider genügt ein Faktor von 3 oft nicht, den Strahl zu korrigieren. Er kann nur verbessert werden, aber nicht vollständig korrigiert.
Gerade bei den "Breitstreifenemittern" der starken Dioden wäre ein höherer Faktor von 5-10 besser. Das geht aber nur mit Zylinderlinsen. Und der damit korrigierte Strahl wird dann sehr sehr dick, wie wir ja alle aus dem Bereich der Showprojektoren kennen. 6 bis 10 Millimeter Strahldurchmesser sind da drin, je nach Faktor. Auf einen kleinen Punkt fokussieren lässt sich das aber sehr gut.

Was für die Prismen spricht ist das relativ idiotensichere Handling.
Mit Zylinderlinsen justiert man sich einen Elch. Ein leicht aufsetzbarer Kopf wie der vom Lasertack wäre mit Zylinderlinsen aufgrund der Maßtoleranzen nicht möglich.

Gruß
Joachim

[VDX]

... wie vorher schon geschrieben, vermisse ich die eigentlich viel praktischere Strahlformungs-Variante mit zwei Konkavspiegeln

Dabei hat's viel weniger Verluste und die "Stauchung" läßt sich durch den Anstellwinkel fast beliebig einstellen - je mehr "Stauch", umso weniger Verluste wegen flacherem Reflexions-Winkel

Für einen Strahl ins "unendliche" ist das weniger gut geeignet, für eine Fokussierung im Nahbereich aber wie ich es sehe, die effektivste Methode

Hier, in dieser Algodoo-Szene ist das nicht so gut zu sehen - aber mit zwei Konkav-Spiegeln zum Vorkollimieren in der FAST-Ebene kann ich den Strahl praktisch ohne Leistungsverluste symmetrisieren und so viel größere FL-Abstände erreichen:

Strahlformung 1c.jpg

Viktor

[jojo]

Das mag funktionieren, nur leider kenne ich niemanden der solche Spiegel liefert.
Im Prinzip handelt es sich ja um konkave Zylinderspiegel.
Man müsste einen Glasstreifen "hohl biegen" und dann verspiegeln.
Oder aber die teuere Variante und das Teil aus dem Vollen schleifen.

Ich suche schon seit langem eine Möglichkeit, zweidimensionale Parabolspiegel günstig herzustellen.
Versuche mit verspiegeltem Kunststoff sind wegen dem seitlichen Materialverzug bisher kläglich gescheitert. Vorfräsen aus Metall, Schleifen, Polieren und versilbern wäre vielleicht was.

Dein Konkavspiegel wäre dabei noch einfacher, weil es nur eine einfache sphärische Form ist.
Da ginge eventuell ein Glasrohr, welches in Stücke geschnitten wird und dann verspiegelt.
Ich bin mir aber wegen Deines "Anstellwinkels" im Moment nicht ganz sicher.
Denn Dein Radius und somit Deine Brennweite ist immer gleich. Das einzige was Du mit dem Kippen bewirkst ist der Austrittswinkel des Gesamtstrahls(?).
Aber ich kann mich irren, hab das ganze noch nicht genau durchgedacht.

Gruß

Joachim

[VDX]

Hi Joachim,

nein, das wären ganz normale, rotationssymmetrische Konkavspiegel - sowas hatte ich mir vor *zig Jahren mal in 20mm Durchmesser mit Brennweiten von 50 und 75mm für Experimente mit CO2-Lasern gekauft.

Das "lustige" daran ist, daß du mit passender Brennweite und Anstellwinkel sowohl die SLOW-Axis über die eigentliche Spiegel-brennweite, als auch die Fast-Axis über den Anstellwinkel, auf den gleichen Spot/Fokusabstand fokussieren kannst!!

In der Algodoo-Skizze hatte ich das nur mal auf die Schnelle zum Verdeutlichen des Effekts ohne passende Winkel und Abstände in nur einer Ebene aufgebaut - mit passenden Werten reicht auch nur ein Konkavspiegel ohne Linse zum Fokussieren auf einen Punkt aus.

Am einfachsten kannst du das testen, wenn du einen Strahl auf "unendlich" fokussierst und dann über einen einfachen Kosmetikspiegel mit planer und konkaver Seite mit der konkaven Seite ablenkst und auf den Spot schaust

Viktor

[RMLuepu]

Hallo Jojo
Mit fräsen von legiertem Aluminium und spezielen Diamantfräsern kriegst du mit guten Fräsmaschinen ohne polieren Spiegelflächen hin. Wenn du z.B einen Planfräser Durchmesser 50mm nimmst kannst du je nach Kippwinkel jeden gewünschten sehr grossen Radius erhalten.
Gruss René

Hier ein Beispiel einer solchen gefrästen Fläche in blankes Aluminium

[Hatschi]

Halli Hallo

Mal kurz was anderes: Ich würde gerne den LD-Treiber wegen Gewicht weiter weg montieren und hätte dann aber 50cm Kabel zur LD!?

Hatschi

[Hatschi]

Nach Rückschprache, da nur PWM, sollte es recht problemlos funktionieren.

[Hatschi]

Halli Hallo

Mit dem unkorigierten Spot bin ich sehr unzufrieden. Wo man in der Längsseite des Emitters schon mit einer feinen Spur durchs Papier durch ist hat man in der anderen Achse breite angekokelte Ränder und muß noch ein zweites mal drübergehen was den Schnitt unschön macht.
Jetzt habe ich den Spot so weit außer Fokus das ich in beiden Achsen etwa die gleiche Lestungsverteilung habe, zwar einen größeren Spot in einer Achse aber ein homogenes Schnittbild.

Beim kleine Bilder in Holz gravieren ist der Spot aber dann doch etwas zu groß für eine gute Auflösung weshalb eine 405er her muß.

Hatschi

[jojo]

Ich hatts Dir ja gesagt..
Du wirst mit 1 oder 2 Watt kein schlechteres Ergebnis haben als mit 5 Watt.
Denn 5 Watt auf 0,5 x 0,5mm sind weniger Leistungsdichte als 1 Watt auf 0,2 x 0,2mm.
Ich hatte mal anhand der originalen Strahlcharakteristik den Astigmatismus und davon den Emitter einer 5 Watt Diode annährend berechnet und bin auf 400 - 600µm Streifenbreite gekommen. Also 500µm würden passen, weil oft ca. 100µm / Watt bei den billigen Laserdioden genommen wird und 50µm /Watt bei den "High Brightness" Dioden (z.B. 808nm Pumpdioden).

Gruß

Joachim

[VDX]

... ich nehme bei den Blauen Dioden ohne Strahlkorrektur 2W oder 3.5W-Dioden mit den normalen Kollies und stelle den Fokusabstand auf etwa 20mm ein - dann erreiche ich bei den 2W-Dioden einen kleinstmöglichen "symmetrischen" (nicht ganz symmetrisch, aber so klein, daß er durch "überstrahlen" praktisch rund wird) Spot von etwa 0.07mm und bei den 3.5W-Dioden von etwa 0.1mm

Je weiter weg (z.B. fürs Schneiden von 20mm Schaumstoff), umso größer bzw. "unsymmetrischer" wird das -- hier muß ich dann auch bei den 2W-Dioden schon eine mit Prismen nehmen (die aus dem Bild mit den 2 Prismen auf dem grauen Alublock) - dann wird aber auch der kleinstmögliche Spot in 20mm Abstand noch kleiner!! - also sowohl fürs Schneiden, als auch fürs feine Gravieren zu empfehlen!

Viktor