Lasermodul Leistung messen

[Benni B. (chmod777)]

Hallo Leute,

ich habe mir vor einigen Monaten ein typisches China Lasermodul (15W)
gekauft. Benutze es hauptzächlich um damit Holz zu gravieren.
Auf dem Laser steht explizit "Output Power : 15W"
Mich würde die tatzächliche Output Power interesieren ohne dafür über 
100te von € auszugeben. Auf ein paar Watt toleranz kommt es nicht an, 
ich will einfach nur wissen was der den ungefähr wirklich bring.

Also habe ich einen PT100(in V2A Gehäuse) genommen, das Gehäuse mit 
einem Edding schwarz angemalt und das ganze 60 sekunden mit dem Laser 
befeuert.
über ΔT, die spezifische Wärmekapazität von V2A und dem Gewicht des 
Gehäuses(nachgemessen waren es ~8g) habe ich mir dann eine Output 
Leistung von 2,1 Watt errechnet.

Nun meine Frage, kann das tatsächlich hinkommen oder habe ich mich da 
total verrechnet? Vielleicht noch zur Info, er braucht nicht übertrieben 
lange um Holz zu gravieren, geschnitten habe ich damit allerdings noch 
nicht.

danke schon einmal.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

Könnte hinkommen.

Eine befreundete Firma besitzt einen Gravurlaser mit 20W. Das Ding 
zerschneidet mühelos Coladosen, auch wenn sie nicht schwarz sind. 
Versuch doch mal, ob Dein Laser durch sowas durch geht. Und Vorsicht mit 
dem Streulicht, ich hoffe Du weißt wie gefährlich Klasse 4 Laser sind.

[MaWin (Gast)]

Benni B. schrieb:
> kann das tatsächlich hinkommen

Ja.

Hätten die Laser tatsächlich die von den Chinesen beworbene Leistung, 
hätten wir viel mehr Erblindete, bei den Spielzeuglaserschutzbrillen die 
den Gravierern beiliegen weil der Hetstelker sich das Gehäuse um die CNC 
drumherum spart.

[J. S. (pbr85)]

Da wird schon ein mehr oder weniger großer Teil der Strahlung 
reflektiert worden sein. Etwas Edding drauf reicht da nicht, da muss 
schon eine dichte Schicht aus Ruß etc. drauf.

Womit ich zu einer anderen Methode komme: Peltierelement. Wird auf einen 
dicken Kühlkörper mit Wärmeleitkleber etc. geklebt und auf die andere 
Seite SMD-Widerstände und dann darüber eine Heizleistung gegeben. Diese 
variiert man und misst dazu die Peltierspannung, die im Diagramm eine 
Gerade ergeben sollte.

Davor wird diese Messoberfläche mit Ruß aus einem Feuerzeug so schwarz 
gemacht, wie es nur geht. Trotzdem wird man da kaum die 99% Absorption 
erreichen, eher 96% so weit mir bekannt ist. Die letzten paar % sind 
schwer zu erreichen.

Messen tut man dann so, dass man auf die geschwärzte Fläche seine 
Strahlung durch die LED, Laserdiode etc. gibt und dann die 
Peltierspannung misst. Mit dem oben gemessenen Verhältnis hat man dann 
annähernd die Strahlungsleistung, die man noch durch ~0,96 teilen 
sollte.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

Vielleicht wichtig zu erwähnen, für solche Experimente sollte man den 
Strahl aufweiten. Ein fokussierter 20W Laser macht aus einem schwarzen 
Peltier ganz schnell ein defektes Peltier.

[Hasenbau (Gast)]

Hi,
kannst du den Laser vernünftig defokussieren?
Du brauchst bei deiner Messung eine speziell an die Laserwellenlānge 
angepasste Absorberoberflāche, sonst misst du schlicht Mist!
Und ja, selbst bei professionellen Laserleistungsmessgerāten hast du 
deutliche Abweichungen zwischen verschiedenen Herstellern und 
verschiedenen Messkōpfen. Selbst von Kopf zu Kopf sind locker 5-10% 
drin. Deinem selbstgebauten Kopf würde ich nicht ansatzweise über den 
Weg trauen.

[Benni B. (chmod777)]

J. S. schrieb:
> Da wird schon ein mehr oder weniger großer Teil der Strahlung
> reflektiert worden sein. Etwas Edding drauf reicht da nicht, da muss
> schon eine dichte Schicht aus Ruß etc. drauf.
>
> Womit ich zu einer anderen Methode komme: Peltierelement. Wird auf einen
> dicken Kühlkörper mit Wärmeleitkleber etc. geklebt und auf die andere
> Seite SMD-Widerstände und dann darüber eine Heizleistung gegeben. Diese
> variiert man und misst dazu die Peltierspannung, die im Diagramm eine
> Gerade ergeben sollte.
>
> Davor wird diese Messoberfläche mit Ruß aus einem Feuerzeug so schwarz
> gemacht, wie es nur geht. Trotzdem wird man da kaum die 99% Absorption
> erreichen, eher 96% so weit mir bekannt ist. Die letzten paar % sind
> schwer zu erreichen.
>
> Messen tut man dann so, dass man auf die geschwärzte Fläche seine
> Strahlung durch die LED, Laserdiode etc. gibt und dann die
> Peltierspannung misst. Mit dem oben gemessenen Verhältnis hat man dann
> annähernd die Strahlungsleistung, die man noch durch ~0,96 teilen
> sollte.

Das hört sich ziehmlich interessant an. Vielen Dank für den Vorschlag.
Dann werde ich mir mal ein paar Peltierelemente besorgen. Sollte beim 
kauf auf etwas achten oder reicht ein normales 60W Element ?

Ben B. schrieb:
> Vielleicht wichtig zu erwähnen, für solche Experimente sollte man den
> Strahl aufweiten

Habe ich bei einem nicht fokusiertem Laser dann trotzdem die volle 
Leistung, da der Laser ja nur seine volle stärke hat wenn er maximal 
fokusiert ist. Oder denke ich falsch ?

[Fpgakuechle K. (Gast)]

Benni B. schrieb:

> Also habe ich einen PT100(in V2A Gehäuse) genommen, das Gehäuse mit
> einem Edding schwarz angemalt und das ganze 60 sekunden mit dem Laser
> befeuert.
> über ΔT, die spezifische Wärmekapazität von V2A und dem Gewicht des
> Gehäuses(nachgemessen waren es ~8g) habe ich mir dann eine Output
> Leistung von 2,1 Watt errechnet.

Ich würde auch das Gewicht  mit ner Milligrammwaage bestimmen, der Laser 
erwärmt nicht nur, der Laser 'verdampft' auch Material. Und dieses 
Verdampfen musst du auch in die Energiebilanz aufnehmen.

Strahlengänge für Lasertechnik werden auch gerne mit Stickstoff gespült, 
Energieverluste auf der Luftstrecke solltest du also auch mit 
einrechnen, falls du nicht im Vakuum arbeitest. Vielleicht kannst da das 
auch rausrechnen durch mewhrere Versuche mit unterschiedlichen 
(Luft-)Druck und Temperatur.

Und natürlich ist es hilfreich, auch die aufgenommene elektrische 
Leistung zu kennen um um über den Wirkungsgrad der einzelnen Komponenten 
überschlägig die Leistung zu bestimmen.
https://de.wikipedia.org/wiki/Laserdiode#Stand_der_Technik

[Einhart P. (einhart)]

Mit der Genauigkeit muss man es ja nicht übertreiben. Mit einer 
selbstgestrickten Peltiereinheit habe ich meinen 150mW RGB Laser 
gemessen. Der gemessene Wert lag nur ca. 5% neben der Herstellerangabe - 
kann natürlich auch ein Zufall gewesen sein.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Ich nehme an, es geht um einen dieser 15W-450nm-Laser, wie sie auf Ebay
von vielen chinesischen Händlern verkauft werden. Bei diesen beziehen
sich die 15W auf die elektrische Leistung, die optische Leistung liegt
eher bei 5,5W, wie bspw. bei diesem hier:

  https://www.ebay.de/itm/450nm-15W-Lasermodul-mit-Kuhlkorperlufter-Unterstutzung-TTL-PWM-fur-DIY/333693552310

Benni B. schrieb:
> Also habe ich einen PT100(in V2A Gehäuse) genommen, das Gehäuse mit
> einem Edding schwarz angemalt

Wie schon J. S. geschrieben hat, absorbiert eine dünne Schicht
Edding-Tinte nicht sehr viel von dem Laserlicht. Male einfach mal ein
Stück Kunststofffolie damit an und halte diese gegen das Licht (nicht
Laserlicht!), dann wirst du sehen, wie durchlässig die Edding-Schicht
tatsächlich ist. Außerdem ist diese Schicht an der Oberfläche glänzend
so dass ein Teil des Lichts gar nicht erst in die Schicht eindringt.

Von dem Laserlicht wird also ein gewisser Anteil direkt an der
Oberfläche der Edding-Schicht reflektiert und geht damit verloren. Ein
weiterer Anteil durchdringt die Schicht, wird am Metall des Pt100
reflektiert und durchdringt auf dem Rückweg die Schicht teilweise
erneut. Dieser Teil geht ebenfalls verloren. Nur der verbleibende Rest
wird absorbiert und führt zu einer Temperaturerhöhung des Pt100.

Deswegen ist Ruß die weitaus bessere Wahl für solche Vorhaben.

> und das ganze 60 sekunden mit dem Laser befeuert. über ΔT, die
> spezifische Wärmekapazität von V2A und dem Gewicht des
> Gehäuses(nachgemessen waren es ~8g)

Da in deinen Überlegungen der Wärmewiderstand nicht auftaucht, hast du
wohl nicht berücksichtigt, dass der Pt100 während der 60 Sekunden auch
einiges an Wärme wieder an die Umgebungsluft abgibt.

> habe ich mir dann eine Output Leistung von 2,1 Watt errechnet.

Da aus den o.g. Gründen nur ein Teil der Laserleistung in eine
Temperaturerhöhung des Pt100 umgesetzt wird, ist die tatsächliche
Laserleistung deutlich höher, und die im o.g. Ebay-Angebot angegebenen
5,5W sind durchaus plausibel.

MaWin schrieb:
> Hätten die Laser tatsächlich die von den Chinesen beworbene Leistung,
> hätten wir viel mehr Erblindete, bei den Spielzeuglaserschutzbrillen die
> den Gravierern beiliegen weil der Hetstelker sich das Gehäuse um die CNC
> drumherum spart.

Wieviele Leute erblinden denn jährlich beim Lasergravieren? Gibt es da
eine Statistik?

Ich glaube auch nicht, dass es für das Erblinden eine große Rolle
spielt, ob der Laser 15W, 5,5W oder nur 2,1W hat. Bei 2,1W überlebt das
Auge halt ein paar Millisekunden länger.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> Habe ich bei einem nicht fokusiertem Laser dann trotzdem die
> volle Leistung, da der Laser ja nur seine volle stärke hat
> wenn er maximal fokusiert ist. Oder denke ich falsch ?
Er hat seine volle Leistung auch defokussiert, aber auf einer größeren 
Fläche. Hast Du niemals mit einer Lupe und der Sonnenstrahlung irgendwas 
angefackelt? Im Grunde macht ein Gravurlaser nichts anderes - nur 
genauer.

Das ist auch der Grund, warum es bei vielen Gravurlasern so wenig 
Unfälle gibt. Erstens sind das Infrarotlaser, deren Licht nicht bis zur 
Netzhaut durchdringt (wenn das Auge direkt getroffen wird, verbrennt 
zuerst die Hornhaut und dann der Glaskörper - danach ist man auch mit 
intakter Netzhaut blind) und zweitens wird der Laser nur in der 
Bearbeitungsebene hoch fokussiert. Dadurch wird das Streulicht weniger 
gefährlich, an glatten Oberflächen wird kein fokussierter Strahl 
reflektiert (kann aber trotzdem an gewölbten Oberflächen zur Bildung 
neuer Brennpunkte kommen, es ist daher nie ungefährlich).

Leider können diese einfachen Lasermodule, die einen fokussierten Strahl 
aussenden, der ohne weitere Optik zum Bearbeiten genutzt wird, das 
nicht. Bei sowas reicht eine Reflexion fürs Auge aus, ab einer 
bestimmten Leistung wirds auch schwierig, sich mit einer 
Laserschutzbrille vor sowas zu schützen.

[Christoph E. (stoppi)]

Ich habe ein solches Laserleistungsmessgerät/Thermosäule auf Basis eines 
Peltierelements auch gebastelt. Funktioniert recht gut.

AATiS bietet einen Thermosäulen-Bausatz an: 
https://www.aatis.de/content/bausatz/AS516_Thermo%E2%80%90S%C3%A4ule

Diesen habe ich an über einen ADS1115 an meinen Arduino gehängt.

[Christian M. (likeme)]

Ich habe so einen 15W Gravierlaser in eine Lasershowanlage eingebaut. 
Die Leistung ist enorm aber nicht 15W! Die Lichtausbeute ist 
vergleichbar mit einem 3W Lasersystem. Chinesen neigen halt gern zum 
Übertreiben, es ist aber dennoch Wahnsinn was aus den kleinen Dingern 
mittlerweile rauskommt! Vor 20 Jahren hast du für so einen "Generator" 
noch 20-30KEuro hinlegen müssen.

[Ben B. (Firma: Funkenflug Industries) (stromkraft)]

> Ich habe so einen 15W Gravierlaser in eine Lasershowanlage eingebaut.
Nein, Du hast irgend ein billiges blaues, aber sehr gefährliches 
Spielzeug in eine Lasershowanlage eingebaut. "Echte" 
Materialbearbeitungslaser arbeiten im Infrarotbereich, CO2-Laser 
bespielsweise bei 9,4 und 10,6µm Wellenlänge.

[Benni B. (chmod777)]

Christoph E. schrieb:
> Ich habe ein solches Laserleistungsmessgerät/Thermosäule auf Basis eines
> Peltierelements auch gebastelt. Funktioniert recht gut.

sorry für die späte Antwort, hatte leider viel zu tun.


wow ein rießen großes Dankeschön für diesen tollen Beitrag.
Das ist genau das was ich gesucht habe, sogar mit Bildern :)

Ich habe mir direkt die Teile bestellt. Eine Frage hätte ich
allerdings noch. Hast du die Widerstände mit Wärmeleitkleiber
aufgeklebt oder mit 2k kleber oder der gleichen ?

Danke.

[Christoph E. (stoppi)]

Ich habe die Widerstände mit Wärmeleitkleber auf das Peltierelement 
geklebt.

Hier findest du auch noch ein paar Informationen und Bilder:

https://stoppi-homemade-physics.de/thermosaeule/

[Terence S. (takeshi)]

Falls es noch aktuell ist, noch zwei kurze Gedanken dazu.

Das erhitzte Metall gibt auch wieder Wärme an die Umgebung ab, das 
verfälscht die Messung.

Ich würde zusätzlich noch die elektrische Leistung messen. Ich denke 
auch, dass sich die 15 W auf die elektrische Leistung beziehen. Wenn der 
Laser aber nur 10 W elektrische Leistung aufnimmst, kannst du dir 
ziemlich sicher sein, dass da keine 15 W Lichtleistung herauskommen. Das 
ist zur Plausibilitätsprüfung ganz hilfreich.

[Yalu X. (yalu) (Moderator)]

Terence S. schrieb:
> Das erhitzte Metall gibt auch wieder Wärme an die Umgebung ab,

Das ist völlig in Ordnung, denn nur so stellt sich ein thermisches
Gleichgewicht ein. Dieses ist Voraussetzung dafür, dass man am
Peltier-Element eine konstante Spannung messen kann, die wiederum ein
Maß für die eingebrachte Leistung ist.

> das verfälscht die Messung.

Der Effekt tritt in ähnlicher Weise auch bei der Referenzmessung mit den
Heizwiderständen auf, wodurch er weitgehend kompensiert wird.

Es gibt aber noch (mindestens) die folgenden Fehlerquellen:

- Bei der Bestrahlung mit dem Laser entsteht die Wärme direkt an der
  Oberfläche des Peltier-Elements in der absorbierenden Beschichtung
  (vermutlich Ruß), bei der Referenzmessung hingegen in der leitenden
  Schicht der Widerstände. Zwischen dieser und der Oberfläche des
  Peltier-Elements befinden sich das Keramiksubstrat der Widerstände und
  der Wärmeleitkleber, deren Wärmewiderstand die Messung beeinflusst.
  Wenn man die Wärmewiderstände von den Widerständen zum Peltier-Element
  und zur umgebenden Luft kennt (oder hinreichend genau abschätzen
  kann), kann man daraus einen Korrekturfaktor für die Leistungsmessung
  ermitteln.

- Die absorbierende Beschichtung ist nicht perfekt. Für Ruß kann
  näherungsweise 0,96 angenommen und als Korrekturfaktor in der
  Auswertung berücksichtigt werden.

- Auch leichte Schwankungen der Umgebungstemperatur und Wärmekonvektion
  durch Luftbewegungen, die sich beide nie ganz vermeiden lassen,
  beeinflussen die Messergebnisse.

Letztendlich ist das eher ein Schätzeisen als ein richtiges Messgerät,
hat aber den Charme, dass es ohne aufwendige (und für den Hobbyisten
kaum zu realisierende) Kalibration auskommt und fast nichts kostet.
Professionelle Laserleistungsmessgeräte kosten drei- bis vierstellig,
sind kalibriert und entsprechend genauer. Aber auch deren Hersteller
kochen nur mit Wasser und können nicht alle Dreckeffekte vollständig
eliminieren.

Eine Diskussion zu Selbstbaumessgeräten gibt es auch hier:

  https://www.laserfreak.net/forum/viewtopic.php?t=41909

[Benni B. (chmod777)]

Ich bin nun heute endlich dazu gekommen das ganze ausgiebig zu testen.

Mein mit 15 Watt Output Leistung beworbener Laser hat eine reale Output 
Power von ungefähr 2,4 Watt.
Da der erste Versuch mit dem PT100 2,1 Watt ergeben hat und wie schon 
richtig erwähnt wurde die tatsächliche Leistung höher sein muss, da das 
V2A Gehäuse des PT100 wieder Wärme an die Umgebung abgibt bin ich mir 
relativ sicher das die 2,4 Watt relativ gut hinkommen sollten.

Vielen Dank für die zahlreichen und schnellen Antworten.

[Plottmania (Gast)]

Falls es doch noch von Interesse ist was da aus so einem mit 5-15 Watt 
beworbenen Diodenlaser kommt : )

Gemessen mit Signal 5 Volt, GND und 12 Volt über einen Gentec Pronto 250

Nur die optische Ausgangsleistung!

https://plottmania.de/article/39-what-optical-power-delivers-my-diode-laser/