Laserstrahlaufweiter
Dies sind die Abschnitte 6.1, 6.2, 6.3, 6.4 und 6.5 des Leitfadens für Laseroptiken.
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Laserstrahlaufweiter vergrößern den Durchmesser eines gebündelten Eingangsstrahls für Anwendungen wie Laserabtastung, Interferometrie und Fernerkundung in einen größeren gebündelten Ausgangsstrahl. Moderne Laserstrahlaufweiter sind afokale Systeme, die basierend auf den bekannten Grundlagen für optische Teleskope gestaltet werden. In solchen Systemen treten die Objektstrahlen parallel zur optischen Achse der internen Optik ein und aus. Das bedeutet, dass das ganze System keine Brennweite aufweist.
Teleskope – Theorie
Optische Teleskope, die klassischerweise für die Betrachtung entfernter Objekte wie Himmelskörper im All verwendet werden, sind in zwei Typen unterteilt: Linsenteleskope und Spiegelteleskope. Linsenteleskope verwenden Linsen, um Licht zu brechen oder zu beugen, während Spiegelteleskope Spiegel verwenden, um Licht zu reflektieren.
Es gibt zwei Kategorien von Linsenteleskopen: keplersche Teleskope und galiläische Teleskope. Ein keplersches Teleskop besteht aus Linsen mit positiven Brennweiten, deren Abstand der Summe der Brennweiten entspricht (Abbildung 1). Die Linse, die dem betrachteten Objekt oder Quellenbild am nächsten liegt, wird Objektivlinse genannt, während die Linse, die dem Auge oder dem erzeugten Bild am nächsten liegt, Bildlinse genannt wird.
Abbildung 1: Keplersches Teleskop
Ein galiläisches Teleskop besteht aus einer Sammellinse und einer Zerstreuungslinse, deren Abstand ebenfalls der Summe der Brennweiten entspricht (Abbildung 2). Da eine Linse jedoch eine Zerstreuungslinse ist, ist der Abstand zwischen den beiden Linsen wesentlich kleiner als beim keplerschen Aufbau. Während die Verwendung der effektiven Brennweite der beiden Linsen eine gute Näherung für die Gesamtlänge bietet, ergibt die Verwendung der hinteren Brennweite die exakteste Länge.
Abbildung 2: Galiläisches Teleskop
Das Vergrößerungsvermögen bzw. der Kehrwert der Vergrößerung eines Teleskops hängt von den Brennweiten der Objektiv- und Bildlinse ab:
Wenn das Vergrößerungsvermögen größer als 1 ist, vergrößert das Teleskop. Wenn das Vergrößerungsvermögen kleiner als 1 ist, verkleinert das Teleskop.
Strahlaufweiter-Theorie
In einem Laserstrahlaufweiter wird die Position der Objektiv- und Bildlinse umgekehrt. Keplersche Strahlaufweiter bestehen aus zwei Linsen mit positiven Brennweiten, deren Abstand der Summe der Brennweiten entspricht. Sie bieten hohe Aufweitungsverhältnisse und ermöglichen eine Raumfilterung, da der gebündelte Eingangsstrahl auf einen Spot zwischen der Objektivlinse und der Bildlinse fokussiert wird, sodass im System ein Punkt entsteht, an dem die Laserenergie konzentriert wird (Abbildung 3). Dadurch wird allerdings die Luft zwischen den Linsen erwärmt, sodass die Lichtstrahlen vom gewünschten Strahlengang abgelenkt werden und insbesondere in Hochleistungslaseranwendungen Wellenfrontfehler entstehen können.
Abbildung 3: Keplersche Strahlaufweiter verfügen über einen internen Brennpunkt, der für Hochleistungsanwendungen nachteilig, für die Raumfilterung in Anwendungen mit geringer Leistung jedoch nützlich ist.
Abbildung 4: Galiläische Strahlaufweiter weisen keine internen Brennpunkte auf und sind daher ideal für Hochleistungslaseranwendungen geeignet.
Wenn keplersche oder galiläische Bauformen in Laserstrahlaufweiteranwendungen verwendet werden, muss die Ausgangsstrahldivergenz berechnet werden können. Diese bestimmt die Abweichung von einer perfekt gebündelten Quelle. Die Strahldivergenz hängt vom Durchmesser des Eingangs- und Ausgangslaserstrahls ab.
Das Vergrößerungsvermögen (MP) kann jetzt abhängig von den Strahldivergenzen oder Strahldurchmessern ausgedrückt werden.
Aus Gleichung 4 und Gleichung 5 owird ersichtlich, dass der Ausgangsstrahldurchmesser (D0) größer wird, wenn die Ausgangsstrahldivergenz (θO) kleiner wird, und umgekehrt. Wenn also ein Strahlaufweiter verwendet wird, um den Strahl zu minimieren, wird der Durchmesser kleiner, die Divergenz des Lasers wird jedoch größer. Der Preis für einen schmalen Strahl ist ein großer Divergenzwinkel.
Darüber hinaus muss der Ausgangsstrahldurchmesser bei einem bestimmten Arbeitsabstand (L) berechnet werden können. Der Ausgangsstrahldurchmesser ist eine Funktion des Eingangsstrahldurchmessers und der Strahldivergenz bei einem bestimmten Arbeitsabstand (L) (Abbildung 5).
Abbildung 5: Der Ausgangsstrahldurchmesser bei einem bestimmten Arbeitsabstand kann anhand des Eingangsstrahldurchmessers des Lasers und der Divergenz berechnet werden.
Die Laserstrahldivergenz wird als Halbwinkel angegeben, sodass der Faktor 2 im zweiten Glied von Gleichung 6 erforderlich ist.
Ein Strahlaufweiter vergrößert den Eingangsstrahl und verringert die Eingangsdivergenz um das Vergrößerungsvermögen. Einsetzen von Gleichung 4 und Gleichung 5 in Gleichung 6 ergibt:
Anwendung 1: Verringern der Leistungsdichte
Strahlaufweiter vergrößern die Strahlfläche quadratisch in Bezug auf deren Vergrößerung, ohne die im Strahl enthaltene Gesamtenergie wesentlich zu beeinflussen. Dies führt zu einer geringeren Leistungsdichte und Strahlungsintensität des Strahls, sodass die Lebensdauer der Laserkomponenten steigt, die Wahrscheinlichkeit von laserinduzierten Schäden sinkt und die Verwendung von wirtschaftlicheren Beschichtungen sowie Optiken ermöglicht wird.
Anwendung 2: Minimieren des Strahldurchmessers in einem bestimmten Abstand
Obwohl es nicht unmittelbar ersichtlich ist, kann die Vergrößerung des Laserstrahldurchmessers mit einem Strahlaufweiter in einer großen Entfernung von der Austrittsöffnung des Lasers zu einem kleineren Strahldurchmesser führen. Ein Strahlaufweiter vergrößert den Eingangslaserstrahl um ein bestimmtes Aufweitungsvermögen und verringert gleichzeitig die Divergenz um das gleiche Aufweitungsvermögen, sodass in großer Entfernung ein schmalerer gebündelter Strahl entsteht.
Beispiel
Das folgende numerische Beispiel verdeutlicht die oben aufgeführten Strahlaufweitergleichungen:
Ausgangsparameter
Vergrößerungsvermögen des Strahlaufweiters = MP = 10X
Eingangsstrahldurchmesser = 1 mm
Eingangsstrahldivergenz = 0,5 mrad
Arbeitsabstand = L = 100 m
Berechnete Parameter
Strahldurchmesser im Abstand L:
Vergleichen Sie diesen Durchmesser mit dem Strahldurchmesser ohne Strahlaufweiter gemäß Gleichung 6.
Durch Verwendung eines 10X-Strahlaufweiters wurde der Ausgangsstrahldurchmesser in einer Entfernung von 100 m im Vergleich mit dem gleichen Laserstrahl ohne Strahlaufweiter um den Faktor 5 verringert.
Anwendung 3: Minimieren der fokussierten Spotgröße
Die Spotgröße ist normalerweise definiert als der radiale Abstand vom Mittelpunkt der maximalen Strahlungsintensität zu dem Punkt, an dem die Strahlungsintensität auf 1/e2 des Ausgangswerts sinkt (Abbildung 6). Die fokussierte Spotgröße einer idealen Linse kann anhand der Wellenlänge (λ), der Brennweite der Linse (f), des Eingangsstrahldurchmessers (DI), des Brechungsindex der Linse (n) und des M2-Faktors des Strahls, der das Ausmaß der Abweichung von einem idealen gaußschen Strahl darstellt, berechnet werden.
Abbildung 6: Die Spotgröße wird normalerweise an dem Punkt gemessen, an dem die Intensität I(r) auf 1/e2 des Ausgangswerts I0sinkt.
Die Spotgröße wird prinzipiell durch die Kombination von Beugung und Aberration bestimmt (in Abbildung 7 rot bzw. blau dargestellt). Beim Fokussieren von Laserstrahlen wird im Allgemeinen davon ausgegangen, dass die sphärische Aberration die einzige und vorherrschende Aberration ist. Aus diesem Grund wird in Gleichung 11 nur die sphärische Aberration berücksichtigt. In Bezug auf die Beugung gilt: je kürzer die Brennweite, desto kleiner ist die Spotgröße. Zudem gilt: je größer der Eingangsstrahldurchmesser, desto kleiner ist die Spotgröße.
Durch Aufweiten des Strahls im System wird der Eingangsdurchmesser um den Faktor MP vergrößert und die Divergenz um den Faktor MP verringert. Wenn der Strahl auf einen kleinen Spot fokussiert wird, ist der Spot um den Faktor MP kleiner als bei einem nicht aufgeweiteten Strahl für einen idealen, beugungsbegrenzten Spot. Es gibt jedoch Abstriche durch die sphärische Aberration, da diese zusammen mit dem Eingangsstrahldurchmesser zunimmt.
Abbildung 7: Bei kleinen Eingangsstrahldurchmessern ist die fokussierte Spotgröße beugungsbegrenzt. Mit zunehmendem Eingangsstrahldurchmesser überwiegt der Einfluss der sphärischen Aberration auf die Spotgröße immer mehr.
Anwendung 4: Kompensieren der Eingangslaserstrahlvariabilität
Die Spezifikationen der meisten handelsüblichen Laser geben den Ausgangsstrahldurchmesser des Lasers an der Austrittsöffnung mit einer Toleranz in der Größenordnung von 10% oder mehr an. Bei vielen Laseranwendungen ist ein bestimmter Durchmesser am Ende des Systems erforderlich. In das System kann ein verstellbarer Strahlaufweiter eingefügt werden, um die Abweichungen der einzelnen Lasereinheiten zu kompensieren, damit ein einheitlicher Ausgangsstrahldurchmesser für alle Systeme sichergestellt wird.
Auswahlkriterien für Strahlaufweiter
Bei der Auswahl eines Strahlaufweiters für eine Anwendung müssen bestimmte Kriterien festgelegt werden, damit die richtige Leistung erreicht wird.
Verschiebende und rotierende Divergenzeinstellungen:
Die Mechanismen zum Fokussieren eines Strahlaufweiters oder zum Ändern der Vergrößerung eines verstellbaren Strahlaufweiters werden normalerweise in zwei verschiedene Klassen unterteilt: verschiebende und rotierende Mechanismen. Bei rotierenden Divergenzeinstellungen, z. B. Fokussiertuben mit Gewinde, werden die optischen Elemente beim Verstellen gedreht. Die Kosten sind wegen der einfacheren Mechanik geringer als für verschiebende Divergenzeinstellungen. Allerdings kommt es durch die Elementrotation u. U. zu einer Strahlwanderung (Abbildung 8).
Abbildung 8: Überspitzte Darstellung der Strahlwanderung, die bei rotierenden Divergenzeinstellungen entstehen kann
Bei verschiebenden Divergenzeinstellungen, z. B. Zylinder mit Innenschnecke, wird die interne Optik ohne Rotation verstellt, sodass die Strahlwanderung minimiert wird. Die erforderliche Mechanik ist jedoch komplexer als für rotierende Divergenzeinstellungen, sodass die Systemkosten steigen. Eine mangelhaft konstruierte Mechanik für verschiebbare Optiken erlaubt u. U. auch zu viel Bewegungsspielraum. Obwohl der Richtfehler in diesen mangelhaften Konstruktionen bei der Einstellung nicht rotiert, ist er größer als bei rotierenden Optiken oder einwandfrei konstruierten verschiebbaren Optiken.
Interner Brennpunkt:
Keplersche Strahlaufweiter weisen einen internen Brennpunkt auf, der in Hochleistungssystemen problematisch sein kann. Der stark fokussierte Spot kann die Luft ionisieren oder Wellenfrontfehler verursachen, da die Lichtstrahlen durch die Wärmeentwicklung abgelenkt werden. Daher sind die meisten Strahlaufweiter galiläische Strahlaufweiter, um Komplikationen durch die interne Fokussierung zu vermeiden. In bestimmten Anwendungen ist jedoch eine Raumfilterung erforderlich, die nur bei der keplerschen Bauform aufgrund der internen Fokussierung möglich ist.
Reflektierend und transmittierend:
Reflektierende Strahlaufweiter verwenden gekrümmte Spiegel anstelle von transmittierenden Linsen, um einen Strahl aufzuweiten (Abbildung 9). Reflektierende Strahlaufweiter sind weitaus weniger üblich als transmittierende Strahlaufweiter. Sie weisen jedoch mehrere Vorteile auf, sodass sie für bestimmte Anwendungen die richtige Wahl sind. Reflektierende Strahlaufweiter weisen keine chromatische Aberration auf. Demgegenüber hängen Vergrößerung und Ausgangsstrahlbündelung von transmittierenden Strahlaufweitern von der Wellenlänge ab. Dies ist zwar für viele Laseranwendungen irrelevant, da diese in der Regel bei einer einzigen Wellenlänge arbeiten, kann aber in breitbandigen Anwendungen entscheidend sein. Das achromatische Verhalten von reflektierenden Strahlaufweitern ist für Mehrfachlasersysteme, einige abstimmbare Laser und Ultrakurzpulslaser erforderlich. Ultrakurzpulslaser decken aufgrund der extrem kurzen Pulsdauer von Natur aus einen breiteren Wellenlängenbereich ab als andere Laser. Quantenkaskadenlaser benötigen u. U. ebenfalls reflektierende Strahlaufweiter, da bei den jeweiligen Betriebswellenlängen keine durchlässigen Optionen verfügbar sind.
Abbildung 9: Im Gegensatz zu durchlässigen Strahlaufweitern weiten die gekrümmten Spiegel dieses reflektierenden Canopus-Strahlaufweiters einen einfallenden Laserstrahl auf. Bei den Löchern an den Seiten des Strahlaufweiters handelt es sich um integrierte Befestigungsvorrichtungen.
Strahlaufweiter - Auswahlhilfe
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Referenzen
- Greivenkamp, John E. Field Guide to Geometrical Optics. Vol. FG01. Bellingham, WA: SPIE—The International Society for Optical Engineers, 2004.
- Smith, Warren J. Modern Optical Engineering. 3rd ed. New York, NY: McGraw-Hill Education, 2000.
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