Al servizio della diagnostica del fascio laser

Il controllo periodico dei parametri del fascio laser è divenuto un requisito fondamentale che permette di monitorare l’affidabilità della macchina laser e di garantire la riproducibilità di produzione secondo gli standard di qualità richiesti per i prodotti. PRIMES, rappresentata da LOT-QuantumDesign, ha sviluppato sistemi di misura in grado di eseguire le misurazioni necessarie anche in ambienti difficili come quelli di produzione industriale.

di Fabrizio Cavaliere

I processi produttivi realizzati con tecnologia laser possono essere monitorati efficacemente tramite il controllo dei parametri fondamentali del fascio laser impiegato i quali hanno una notevole influenza sui risultati e sulla qualità della lavorazione dei materiali. Per l’ottenimento di una qualità di processo riproducibile è necessario essere in grado di rilevare qualsiasi variazione nei parametri di base del fascio laser. Queste variazioni possono dipendere non solo da cause interne al sistema laser ma anche da problemi sugli elementi di guida e di focalizzazione del fascio stesso dovuti, per esempio, alla contaminazione di ottiche o al disallineamento di specchi e lenti.
Il risultato della lavorazione al laser dipende generalmente dalla potenza di emissione ma anche dalla densità di potenza nella zona di focalizzazione. Risulta essere estremamente importante, inoltre, conoscere con esattezza la posizione del punto focale rispetto alla zona di lavoro. Anche piccole variazioni dai valori nominali di queste grandezze comportano solitamente perdite in termini di velocità e di qualità del processo di lavorazione.
Il controllo periodico dei parametri del fascio laser è divenuto un requisito fondamentale che permette di monitorare l’affidabilità della macchina laser e di garantire la riproducibilità di produzione secondo gli standard di qualità richiesti per i prodotti. PRIMES, rappresentata da LOT-QuantumDesign ha sviluppato sistemi di misura in grado di eseguire le misurazioni necessarie anche in ambienti difficili come quelli di produzione industriale.

Un sistema di diagnostica a scansione
Il FocusMonitor FM+ è un sistema di diagnostica a scansione pensato per l’analisi del fascio di sorgenti laser CW a bassa e alta potenza in applicazioni laser come la lavorazione dei materiali (taglio lamiera e tubo, saldatura, …), la marcatura e altri processi. Il FocusMonitor FM+ misura le proprietà del fascio laser focalizzato. Misurando la distribuzione della densità di potenza nello spazio, il FocusMonitor determina, oltre alle dimensioni geometriche del fascio, anche la posizione del fuoco, il Beam Parameter Product (BPP) ed il fattore di qualità M2.
L’asse Z integrato, che corrisponde all’asse di propagazione del fascio laser, è motorizzato e permette la scansione automatica della caustica completa fino 4 volte la lunghezza di Rayleigh.
Alla base del funzionamento del FocusMonitor, e della determinazione della distribuzione della densità di potenza, è l’impiego di una punta rotante che scansiona a velocità molto elevate la sezione trasversale del fascio laser attraverso la sua movimentazione lineare lungo uno degli assi del piano. La minuscola apertura (pinhole) presente sulla punta di misura preleva una parte del fascio che viene guidata attraverso un percorso ottico su un detector. Grazie all’asse Z motorizzato integrato nel FocusMonitor, l’intera testa di misura trasla automaticamente permettendo la scansione di un predefinito numero di piani X-Y lungo la caustica del fascio.
Il grande successo del FocusMonitor ha portato allo sviluppo di una nuova versione, il FM+, arricchita di nuove funzionalità operative ma soprattutto caratterizzata da un’elettronica più aggiornata e pensata per soddisfare i più esigenti requisiti, attuali e futuri, di elaborazione del segnale e che include ad esempio il nuovo convertitore AD, ora a 16-bit invece che a 12-bit. Ulteriori importanti migliorie rispetto alla versione precedente riguardano l’introduzione dell’interfaccia Ethernet, che assicura una maggiore velocità nel trasferimento dati con il PC o con il sistema di controllo rispetto a quella seriale, e il nuovo software di controllo LaserDiagnosticsSoftware, anche questo interamente sviluppato da Primes.

Funzioni avanzate con il nuovo software
Con la nuova versione del LaserDiagnosticsSoftware, LDS, il sistema FM+ offre ancora più funzionalità e una maggiore flessibilità rispetto alla versione precedente. Oltre a una più veloce connessione tramite interfaccia Ethernet, il software LDS permette l’esecuzione della misura della distribuzione del fascio così come la determinazione della sua posizione e delle sue dimensioni in modalità completamente automatica, semi-automatica o manuale.
È possibile, inoltre, effettuare misure con risoluzione più alta e con la selezione di opportune ROI (region of interest). Il FM+ prevede un range dinamico superiore rispetto alla versione precedente e questo rende possibile la determinazione del raggio del fascio anche con livelli di rapporto S/N molto bassi. Altri parametri, come il diametro del beam waist, l’angolo di divergenza, la lunghezza di Rayleigh e il fattore di qualità del fascio M2 sono alcune delle proprietà che possono essere calcolate all’interno di LDS sulla base della misura eseguita dal FM+.
Il numero dei piani da scansionare all’interno della misura, tipicamente compreso tra 11 e 21, è liberamente selezionabile dall’operatore. I set di dati delle misure complete possono essere salvati e, se richiesto, caricati e confrontati con ulteriori data set di riferimento. In alternativa al nuovo LDS, FM+ risulta compatibile anche con la precedente versione LDS 2.9. Entrambe le versioni LDS, inoltre, sono compatibili con sistemi operativi Windows 7 o superiori.

È adattato alla diagnostica di sorgenti laser completamente diverse
Grazie all’impiego di differenti detector e di differenti tip di misura, il FocusMonitor FM+ può essere adattato alla diagnostica laser in un ampio range di lunghezze d’onda e di densità di potenza, quest’ultimo da pochi W/cm2 fino ad alcuni MW/cm2. L’elevata accuratezza di misura del FM+ è ottenibile grazie alla vasta gamma di scelta per il detector e per la punta di misura e alla loro corretta combinazione di impiego. La rapida e semplice operazione di sostituzione di questi componenti rende il FM+ uno strumento altamente versatile che permette di essere adattato alla diagnostica di sorgenti laser completamente diverse, per lunghezza d’onda e divergenza, in pochi minuti. I detector sono dotati di EEPROM e in comunicazione con il software LDS mentre la risoluzione del detector e le dimensioni dell’area di misura sono impostazioni definibili nel software stesso.
Per laser CO2 sono disponibili detector piroelettrici e measuring tip compatibili con elevati range di potenza, mentre per laser a stato solido vengono impiegati detector con elevato range dinamico e regolazione automatica del livello del segnale. Per sorgenti laser a diodo questi detector sono tipicamente combinati con measuring tip compatibili con elevati valori della divergenza. All’occorrenza, inoltre, il FM+ può essere dotato di detector con rapporto segnale-rumore ottimizzato o di punte di misura con sensibilità più alta o ridotta in funzione del particolare setup.
Poiché durante la diagnosi del fascio solo una minima parte della potenza laser viene assorbita, il FM+ viene tipicamente utilizzato insieme a un misuratore di potenza in modo che tutta la radiazione sia assorbita e le condizioni di sicurezza rispettate, e permettendo inoltre il monitoraggio diretto della potenza simultaneamente alla misura della caustica. La soluzione ideale è la combinazione con un sistema Primes PowerMonitor, integrabile al FM+ attraverso distanziatori meccanici disponibili con diversa altezza e la cui scelta va opportunamente valutata in funzione della lunghezza focale del laser e degli ingombri disponibili.

Analisi di sistemi laser trifocali
L’analisi di sistemi laser trifocali è solo una delle tante funzionalità disponibili nel nuovo LaserDiagnosticsSoftware di Primes. Lo sviluppo di sistemi laser multi-spot impiegati nei processi industriali di saldatura e brasatura ha avuto un grande impatto nel settore della lavorazione laser dei materiali.
Il FocusMonitor FM+ con la sua ampia finestra di misura fino a 12 x 12 mm2 in combinazione con il nuovo LaserDiagnosticSoftware permette l’analisi della distribuzione della densità di potenza di configurazioni laser multi-spot. Parametri come la posizione del fascio, il raggio dello spot e il centro di gravità sono calcolati per ciascun piano della misura. L’uniformità e la planarità del fascio principale sono analizzati in accordo con la normativa DIN 13694. Il software, inoltre, fornisce informazioni sulla posizione del fuoco lungo l’asse di propagazione di ciascun fascio laser, separatamente ed in accordo con la DIN 11146. La conoscenza della posizione relativa dei singoli spot permette il controllo della posizione della testa del laser e dunque l’ottimizzazione della direzionalità del fascio laser.