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BASICS
Grundlagen und Anwendungen
Laseraufweitungssysteme
Von Thomas Thöniß, LINOS Göttingen
In komplexen Lasersystemen,
z.B. zur Materialbearbeitung
(Bild 1), nehmen neben aktiven
optischen Komponenten, wie
z.B. Pockels-Zellen zur zeitlichen
oder Galvo-Spiegel zur räumlichen
Modulation des Bearbeitungslasers, auch passive optische
Komponenten und Systeme eine
zentrale Rolle ein. Ihre Aufgaben
reichen von der einfachen Strahl-
Bild 1: Prinzipieller Aufbau optischer Systeme für die Lasermaterialbearbeitung.
umlenkung durch Spiegel über
Strahlprofilformung, z.B. mittels
Zylinderlinsenarrays, bis hin zur
letztendlichen Fokussierung des
Lasers auf das Werkstück durch
Hochapertur-Laserobjektive
(HALOs) oder Scan-Objektive [1].
Eine immens wichtige Rolle
spielen neben diesen Komponenten und Systemen auch
Strahlaufweitungssysteme –
Beam Expander: großer Strahldurchmesser für kleinen Laserspot
Zur effizienten Erzeugung feinster Strukturen bei der Lasermaterialbearbeitung ist
ein minimaler Laserfokus mit möglichst
hoher Energiedichte auf dem zu bearbeitenden Werkstück erforderlich. Bei der
Erzeugung eines Fokus mittels Laserlicht
lässt sich die 1/e2-Spotgrösse d f näherungsweise mittels (1) berechnen:
(1)
Beam Expander oder kurz:
BM.X – zur Anpassung des
Strahldurchmessers an die
jeweilige Bearbeitungsaufgabe.
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λ ist hierbei die verwendete Laserwellenlänge, f’ die Brennweite des fokussierenden Objektivs und d1 der Strahldurchmesser des Laserstrahls an der ersten Linsenoberfläche des Objektivs. Es wird hierbei
vorausgesetzt, dass die Rayleigh-Länge zR
des fokussierten Laserstrahls sehr viel kleiner ist als f’ und der Linsendurchmesser
mindestens 1,5-fach größer als d1 [2].
Aus Gleichung (1) lässt sich leicht entnehmen, dass besonders ein großer Strahldurchmesser zu einem kleinen Laserspot
führt. Die Aufweitung des Lasers auf den
geeigneten Querschnitt erfolgt mittels der
bereits erwähnten Beam Expander und
wird zweckmäßigerweise erst kurz vor der
räumlichen Modulation bzw. direkt vor der
fokussierenden Optik vorgenommen, um
die vorherigen optischen Komponenten in
ihren Dimensionen klein und somit im
Preis günstig gestalten zu können. Ähnlich
Fernrohren sind Beam Expander afokale
Systeme. Sie bestehen aus zwei optischen
Teilsystemen: der Eintritts- und der Austrittsoptik. Beide Teilsysteme sind so angeordnet, dass der bildseitige Brennpunkt
der Eintrittsoptik F´in mit dem objektseitigen Brennpunkt der Austrittsoptik Fout
zusammenfällt.
Das Aufweitungsverhältnis m als Quotient
des Austrittstrahldurchmessers Dout zum
Durchmesser des unaufgeweiteten Strahlbündels Din vor dem Beam Expander lässt
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sich mit f´in als Brennweite der Eintrittsoptik und f´out als Brennweite der Austrittsoptik sowie h=Din /2 und h’=Dout /2 wie folgt
berechnen:
(2)
Durch den allgemeinen Zusammenhang
(3) zwischen der lateralen Vergrößerung m
– entspricht dem Aufweitungsfaktor bei
afokalen Systemen – und der Winkelvergrößerung mang :
(3)
lässt sich auf einfache Weise ein weiterer
Effekt beim Einsatz von Beam Expandern
ableiten [3]: Divergenzen bzw. Kollimationsfehler, die in der Natur der verwendeten Laserlichtquelle liegen bzw. durch vorhergehende Strahlformungs- und Strahlführungsoptiken eventuell eingeführt
wurden, äußern sich in einer Winkelabweichung der idealerweise achsparallelen
Strahlen. Derartige Fehler verhindern eine
ideale Fokussierung des Strahlbündels zu
einem möglichst perfekten Fokus. Für
objekt- und bildseitige Strahlwinkel gilt
bei optischen Systemen:
Bild 2: Kepler-Aufweitungssystem.
(4)
u ist hierbei der Winkelfehler vor und u’
der übertragene Winkelfehler nach der
Aufweitung. Bei einem Aufweitungsfaktor
von m>|1| werden somit die angularen
Strahlrichtungsfehler bzw. Strahldivergenzen um den Faktor der Strahlaufweitung
verringert!
Prinzipielle Arten von
Beam Expandern
Wie bei Fernrohren gibt es auch bei den
Strahlaufweitungssystemen zwei prinzipielle Arten der optischen Realisierung:
a) die Kepler-Anordnung, bestehend aus
zwei positiven Linsen oder Linsengruppen,
b) die Galilei- oder holländische Konfiguration mit einem negativen und einem posi-
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Bild 3: Galilei-Aufweitungssystem.
tiven Teilsystem. Beide Konfigurationen
sind in Bild 2 und Bild 3 durch die Anordnung von paraxialen Linsen verdeutlicht.
Der reelle Zwischenfokus bei der KeplerAnordnung ist bei der Erzeugung von
hochwertigen Referenzwellenfronten mit
homogener Intensität, z.B. in der Interferometrie, von Vorteil, da am Ort des
Zwischenfokus eine Blende (Pinhole) zur
Ortsfrequenzfilterung positioniert werden
kann.
Bei dem Einsatz leistungsstarker Laser,
z.B. in der Materialbearbeitung, ist der
Galilei-Typ vorzuziehen, da die enormen
Leistungsdichten im Zwischenfokus des
Kepler-Aufbaus zur Hitzeentwicklung bis
hin zu Luftdurchbrüchen führen können.
Ein Einsatz von Raumfiltern ist auf Grund
der hohen Energie im Brennpunkt ohnehin
nicht möglich. Ein weiterer genereller Vorteil der Galilei-Anordnung ergibt sich
durch die verringerte Baulänge L (siehe
auch Bild 3 und Bild 4), die sich näherungsweise durch L=|f´out|-|f´in| im Gegensatz zum Kepler-Aufbau mit L=|f´out |+|f´in|
ergibt.
Flexibilität durch Zoomund Modulare Systeme
Ist eine besondere Flexibilität, z.B. in der
Erprobungsphase eines Laserbearbeitungssystems, gefordert, sind variable (Zoom-)
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Aufweitungssysteme sinnvoll. Hier wird
beim Aufweitungssystem vom Galilei-Typ
typischerweise die negative Eingangsoptik
in zwei Subgruppen, z.B. eine positive und
eine negative Gruppe, aufgespaltet. Durch
die Variation des Abstandes e12 der beiden
Subgruppen mit ihren Einzelbrennweiten
f´1 und f´2 wird die Gesamtbrennweite f’in
dieser Eingangsoptik nach Gleichung (5)
variabel.
(5)
Durch eine geeignete Verschiebung der
beiden Gruppen zur Austrittsoptik lässt
sich somit eine kontinuierliche Veränderung des Aufweitungsfaktors erzielen.
Ähnlich wie bei Zoom-Objektiven in der
Fotografie muss bei der Berechnung und
Konstruktion ein Kompromiss zwischen
der Abbildungsgüte, dem Aufweitungsbereich und dem konstruktiven Aufwand
gefunden werden.
In Bild 4 ist beispielhaft der schematische,
paraxiale Aufbau eines variablen 2x bis 7x
Aufweitungssystems dargestellt.
Durch die Gleichung (6) und (7) ergibt sich
der Zusammenhang zwischen den Einzelbrennweiten f´n, den Abständen en,n+1
zwischen den Linsen und dem Aufweitungsfaktor m bei paraxialen Aufweitungssystemen mit drei Gliedern [4]:
Bild 4: Paraxiales Layout eines 2x-7x Zoom Beam Expander.
(6)
und
(7)
Ist ein nur einmaliges Anpassen des Lasersystems auf eine Applikation hinsichtlich
der Spotgröße erforderlich, sind modulare
Beam Expander von LINOS eine interessante Alternative. Diese Beam Expander
erlauben durch ihre Modulbauweise ein
einfaches Austauschen der Strahleingangsoptik. Somit kann mit nur einer Strahlaustrittsoptik (Grundmodul) der Aufweitungsfaktor des Systems durch den Anwender
problemlos an neue Aufgaben angepasst
werden. Es sind Aufweitungsverhältnisse
Bild 5:
Modulare Beam Expander
von LINOS.
> Kontakt Autor:
Thomas Thöniß
[email protected]
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von 3x, 5x, 8x und 10x wählbar (Bild 5).
Durch die diskreten Aufweitungsverhältnisse lassen sich die Eingangsoptiken
speziell auf das Grundmodul abstimmen
und garantieren somit eine optimale
Abbildungsqualität. Die Fokussierbarkeit
der Eingangsoptik erlaubt ein zusätzliches
Anpassen der axialen Fokuslage und
Fokusgröße des Gesamtsystems. Ein reines
Verschieben der Optik ohne Verdrehung
beim Fokussieren garantiert bei der Einstellung die notwendige Fokusstabilität.
Kombination hochwertiger
Materialien und ansprechendes
Design
Bei der Auslegung des optischen Designs
eines Beam Expanders spielt der später
verwendete Wellenlängenbereich eine
wichtige Rolle. Bei der eingesetzten
Wellenlänge soll eine möglichst kleine
Wellenfrontdeformation des Laserbündels
durch nachgeschaltete Fokussieroptiken
die Erzeugung eines kleinen Laserspots
ermöglichen. Strahlaberrationen, wie z.B.
sphärische Aberration (Öffnungsfehler),
würden eine exakte Fokussierung erschweren und kleinste Spots unmöglich machen!
Normalerweise wird das Optik-Design von
einem derartigen System nur auf die zu
erwartende Arbeitswellenlänge abgestimmt. Durch eine spezielle Art des
optischen Designs der LINOS BM.X-Reihe
wurde eine minimale Wellenfrontdeformation für Wellenlängen von 458nm bis
1064nm ermöglicht. Lediglich das leichte
Nachfokussieren der Frontoptik ist beim
Wechsel der Wellenlänge innerhalb dieses
Spektrums notwendig. Eine extrem breitbandige und reflexarme Vergütung der
Optiken (Bild 6) unterstützt die Anwendung im Wellenlängenbereich von 458nm
bis 635nm (Restreflexion weniger als
0,5%) und zusätzlich bei 1064nm (Restreflexion weniger als 0,3%). Um die Anwendung von Aufweitungssystemen bei hohen
Laserleistungen zu ermöglichen, spielt
auch die Materialauswahl für die einzelnen
optischen Komponenten des Systems eine
entscheidende Rolle. Linsen, an denen
besonders hohe Laserleistungen z.B. durch
kleine Strahlquerschnitte auftreten, sollten
Bild 6: Gesamttransmission eines LINOS BM.X-Aufweitungssystems.
aus hochwertigem Quarzglas gefertigt
sein, da dieses durch seine geringe Absorption eine besonders hohe Zerstörschwelle aufweist. Auch alle weiteren
Optiken sollten aus möglichst absorptionsarmen Gläsern hergestellt werden. Durch
den Einsatz derartiger Materialien in Kombination mit dem hochwertigen Coating
ergibt sich bei den LINOS BM.X-Systemen
z.B. bei einer Laserwellenlänge von
1064nm eine Laserfestigkeit von mehr
als 100J/cm2 bei 20ns Laserpulsbreite
(S-on-1-Messung). Nicht zuletzt bestechen
die LINOS Beam Expander durch ein
ansprechendes äußeres Design.
Quellen:
●
[1] Thomas Thöniß, Sabine Dreher,
Rainer Schuhmann: „Photonik-Puzzle,
optische Komponenten und Systeme
für Laseranwendungen“; Laser+Photonik 2 (Juni 2003), S. 14-21
●
[2] Wolfgang Demtröder: „Laser Spectroscopy”; Springer-Verlag, Berlin,
Heidelberg, New York 1982
●
[3] Christian Hofmann: „Die optische
Abbildung”; Geest & Portig, Leipzig
1980
●
[4] Fu-Ming Chuang, Ming-Wen
Chang: „Solution areas of three-component afocal zoom systems”; Optik
101. No. 1 (1995), S.10-16
Bild 7: Der LINOS BM.X Beam Expander.
> Kontakt BM.X Beam Expander:
FON +49 (0)5 51 / 69 35-0
[email protected]
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