Anhang 5 - Beispiel für die Berechnung von Laser-Schutzbrillen
Für einen Laser mit einer Wellenlänge von 940 nm wird eine Laser-Schutzbrille benötigt. Der Laser wird mit Einzelimpulsen der Dauer von 10 µs und einer Impulswiederholfrequenz von 25 kHz gepulst. Die Einzelimpulsenergie beträgt 4 mJ. Der Laserhersteller gibt einen Durchmesser direkt am Strahlaustritt von d63 = 20 mm und einen Divergenzwinkel φ von 220 mrad an.
Anmerkung:
Der Divergenzwinkel φ entspricht dem Öffnungswinkel ϴ in Anhang 12 Strahldurchmesser
Gegebene Größen:
λ = 940 nm
| d63 | = | 20 mm | = | 20 · 10-3 m |
|---|---|---|---|---|
| φ | = | 220 mrad | = | 0,22 rad |
| t | = | 10 µs | = | 10 · 10-6 s |
| ν | = | 25 kHz | = | 25 · 103 Hz |
| Q | = | 4 mJ | = | 4 · 10-3 J |
A5.1
Bestimmung der Laserbetriebsart nach Tabelle 2
Gemäß der Impulsdauer t von 10 ·10-6 s und der Wellenlänge λ = 940 nm wird ein Impulslaser (I) als Laserbetriebsart bestimmt.
Gemäß Tabelle 4 beträgt νi = 55,56 kHz für λ = 940 nm.
Da ν = 25 kHz < νi = 55,56 kHz wird nachfolgend mit der Impulswiederholfrequenz von ν = 25 kHz weitergerechnet.
A5.2
Bestimmung der Energiedichte des Einzelimpulses
A5.2.1
Bestimmung des Korrekturfaktors N1/4
N1/4 = (25 · 103 · 5)1/4 = 18,8
A5.2.2
Bestimmung des Strahldurchmessers in einem Abstand von 10 cm (üblicher Beobachtungsabstand vom Auge zum Beachtungsobjekt):
r = 10 cm = 0,1 m
Für die Bestimmung des Strahldurchmessers kann folgende Formel herangezogen werden:
d63-10 = tan(φ/2) · 2 · r + d63-0 = tan(0,22rad/2) · 2 · 0,1 m + 0,02 m = 0,042 m
Abb. A5.1 Übersicht Strahlausbreitung
A5.2.3
Bestimmung der Energiedichte des Einzelimpulses
Die Strahlquerschnittsfläche entspricht einer Kreisfläche. Somit kann die Energiedichte des Einzelimpulses mittels der Formel für Kreisflächen bestimmt werden:
A63 = (d63-10/2)2 · π = (0,042/2)2 · π = 1,39 · 10-3m2
Somit ergibt sich für die Energiedichte des Einzelimpulses:
H = Q/A63 = 4 · 10-3 J/1,39 · 10-3m2 = 2,87 J/m2
A5.2.4
Bestimmung der korrigierten Energiedichte des Einzelimpulses
Die korrigierte Energiedichte des Einzelimpulses ergibt sich aus:
H' = H · N1/4 = 2,87 J/m2 · 18,8 = 53,95 J/m2
A5.3
Bestimmung der Schutzstufe für den Impulsbetrieb
Gemäß der Tabelle 3 sowie der Wellenlänge λ = 940 nm, der Betriebsart I und der korrigierten Energiedichte des Einzelimpulses H'= 53,95 J/m2 ergibt sich die Schutzstufe:
| I: LB 5 |
|---|
A5.4
Bestimmung der Leistungsdichte für den Dauerstrichbetrieb
Die mittlere Leistung P errechnet sich aus:
P = Q · ν = 4 ·10-3 J · 25 ·103 Hz = 4 · 10-3 W · s · 25 · 103 s-1 = 100 W
Somit ergibt sich für die Leistungsdichte:
E = P/A = 100 W/1,39 · 10-3m2 = 71,94 · 103 W/m2
Da die mittlere Leistung P >10 W ist muss der Korrekturfaktor F(d63) = 100 für d63 > 15 mm berücksichtigt werden.
Die korrigierte Bestrahlungsstärke erhält man durch:
E' = E · F(d63)= E ·100 = 71,94 · 103 W/m2 · 100 = 71,94 · 105 W/m2
A5.5
Bestimmung der Schutzstufe für den Dauerstrichbetrieb (D)
Gemäß der Tabelle 3 sowie bei der Wellenlänge λ = 940 nm, der Betriebsart D und der Leistungsdichte E = 7,19 · 106 W/m2 ergibt sich die Schutzstufe:
| D: LB 6 |
|---|
Ergebnis:
Die Laser-Schutzbrille muss für die Wellenlänge λ = 940 nm die Schutzstufen I: LB 5 und D: LB 6 aufweisen.
Beispiel (regelmäßige Impulsfolge, Impulsperiode ist kleiner als die Zeit Tigemäß Tabelle 4):
Ein Laser, Wellenlänge 1064 nm, sendet mit einer Frequenz von ν = 40 kHz Impulse von 5 µs Dauer aus.
Gemäß Tabelle 4 beträgt νi = 20 kHz für λ = 1064 nm.
Da ν = 40 kHz > νi = 20 kHz wird nachfolgend mit der Impulswiederholfrequenz von νi = 20 kHz weitergerechnet.
Die daraus ermittelte Impulszahl N' für 5 s beträgt:
N'(5 s) = 5 s · νi = 5 s · 20 · 103 s-1 = 100000
Faktor N'1/4 = (100000)1/4 = 17,78