Verluste in Laseroptiken (nicht über-)spezifizieren

Die Bedeutung der korrekten Spezifizierung von Verlusten in der Laseroptik ist den meisten Anwendern bekannt. Weniger offensichtlich ist der Punkt, an dem engere Spezifikationen zu viel des Guten werden können. Eine Überspezifizierung von Verlusten wird die Leistung oder Zuverlässigkeit Ihres Systems nicht weiter verbessern, kostet Sie jedoch zusätzlich Geld und/oder Zeit.

Optische Verluste in Lasersystemen hängen mit der Streuung, Absorption, Transmission und Reflexion der einzelnen Komponenten zusammen und sind wellenlängenabhängig. Alle genannten Faktoren können zum Gesamtverlust des Systems beitragen und die Beständigkeit und Langlebigkeit der verwendeten optischen Komponenten beeinträchtigen, die üblicherweise in Form von laserinduzierten Zerstörschwellenwerten (LIDT) ausgedrückt wird.

Nur wenige Lasersysteme erfordern Spezifikationen für alle oben genannten Kriterien, sodass ein besseres Verständnis dafür, wann einzelne Kriterien wichtig sind, eine gezieltere und kostengünstigere Optimierung Ihres Lasersystems ermöglicht. Um das richtige Gleichgewicht zu finden, müssen Sie zunächst die optischen Verluste ermitteln, die für die Erfüllung der wichtigsten Leistungsparameter Ihres Systems entscheidend sind, und Ihre Anforderungen nur in Bezug auf diese Verluste spezifizieren.

Ein genauerer Blick auf die einzelnen Quellen optischer Verluste in Lasersystemen - Streuung, Absorption, Transmission und Reflexion - wird verdeutlichen, wie sie zueinander in Beziehung stehen und wann es sinnvoll ist, sie getrennt zu spezifizieren (Gleichung 1).

(1)$$ \sum{\text{Systemausgang Intensität}} = \text{Reflexion} + \text{Transmission} + \text{Streuung} + \text{Absorption} $$

Streuung

Streuverluste hängen mit der Oberflächenrauheit, der Qualität und der Form einer Optik zusammen. Streuung verringert die Gesamteffizienz von Lasersystemen und kann in bestimmten Fällen zu vorzeitigen Ausfällen von Laserkomponenten und/oder Sicherheitsrisiken führen (z. B. bei der Verwendung innerhalb des Resonators und der Systemausrichtung).

Beachten Sie, dass die Streuung bei kürzeren Wellenlängen tendenziell größer ist, sodass diese Quelle optischer Verluste bei UV-Lasersystemen besonders beachtet werden sollte.

Die Spezifikation der Vorwärts-, Rückwärts- und Gesamtstreuung hängt zum Teil von der Funktion der Optik ab. Streumessungen werden mit Streuungsmessgeräten durchgeführt, die mit Laserquellen und Ulbricht-Kugeln arbeiten. Da die Streuung von der Wellenlänge abhängt, sind die Messungen nur anwendbar, wenn ein Laser verwendet wird, der mit der gleichen Wellenlänge arbeitet wie der Testlaser, und wenn die Strahlqualitäten/Anforderungen für beide Laser und die Testbedingungen sorgfältig berücksichtigt werden.

Absorption

Absorptionsverluste verringern die optimale Laserleistung und können die Zuverlässigkeit und Lebensdauer eines Lasers beeinträchtigen. Wenn die einfallende Laserstrahlung auf eine Laseroptik trifft, wird ein Teil der Strahlung absorbiert und in Wärme umgewandelt. Wenn sich genügend Wärmeenergie in der Optik ansammelt, kann sie deren Form oder Brechungsindex verändern (bekannt als thermische Linseneffekte). Dies kann die Qualität des austretenden Strahls verringern oder die Ausrichtung des Resonators beeinträchtigen. Eine ungenügende Beachtung der thermischen Auswirkungen der Absorption kann Schäden an der Optik beschleunigen und möglicherweise zu einem Ausfall der Komponenten und folglich des Systems führen.

Abbildung 1: Bild eines laserinduzierten Schadens, der durch thermische Effekte aufgrund von Absorption ausgelöst werden kann.

Dies unterstreicht zwar den Zusammenhang zwischen Absorption und LIDT, aber die Messung und Angabe dieser beiden Größen dient unterschiedlichen Zwecken und sollte getrennt erfolgen. Die Absorption ist eine Quelle und ein Maß für den optischen Verlust, während die LIDT die Höhe der Lichtenergie angibt, die eine Optik aushalten kann, bevor sie beschädigt wird.

Zur Bewertung der thermischen Effekte der Absorption in optischen Komponenten gibt es mehrere gängige Methoden, darunter die Laserkalorimetrie, wie in ISO 11551 beschrieben, und die photothermische Common-Path-Interferometrie (PCI), die manchmal auch als phasenempfindliche Pump-Probe-Technik bezeichnet wird. Bei der PCI-Methode führt die periodische lokale Erwärmung der Prüfoptik durch den Pumpstrahl dazu, dass ein Teil des Prüfstrahls verändert ist (er ist durch die Brechungsindexänderung phasenverschoben), wenn er wieder mit dem Pumpstrahl zusammenfällt. Die gestörten und ungestörten Teile des Prüfstrahls interferieren, was dieser Methode eine hohe Messempfindlichkeit und die Möglichkeit verleiht, die Absorption an der Oberfläche und tiefer im Material zu untersuchen.

Transmission

Die Spezifizierung von Verlusten, die mit der optischen Transmission zusammenhängen, ist dann besonders wichtig, wenn es darum geht, die Leistung von Komponenten zu beurteilen, die Licht mit hoher Effizienz und Zuverlässigkeit transmittieren müssen. Transmissionsmessungen werden in der Regel mit Spektralphotometern durchgeführt, die Breitbandlichtquellen mit einem großen Wellenlängenbereich einsetzen (Abbildung 2). Um die Messgenauigkeit und das Signal-Rausch-Verhältnis zu verbessern, empfiehlt es sich, Laserquellen zu verwenden, die der Endanwendung entsprechen.

Abbildung 2: Spektralphotometer werden häufig zur Messung der Transmission von optischen Komponenten verwendet.

Die Transmissionseigenschaften einer gegebenen Optik bei der Wellenlänge, dem Einfallswinkel und der Eingangspolarisation der Anwendung werden sowohl durch die spektrale Leistung der aufgebrachten Dünnschichtbeschichtungen als auch durch den internen Transmissionsgrad des Substrats beeinflusst. Die Leistung einer Beschichtung hängt auch von der Qualität der polierten Oberfläche ab, auf die sie aufgebracht wird. Die internen Transmissionseigenschaften des Substratmaterials müssen im Hinblick auf die vorgesehene Anwendung sorgfältig geprüft werden und werden üblicherweise in Form eines prozentualen Anteils der Transmission pro Längeneinheit angegeben.

Obwohl die Transmissionseigenschaften einer Optik ihre LIDT beeinflussen können, ist es wichtig, zwischen diesen Spezifikationen zu unterscheiden. Die Bestimmung der LIDT ist oft wichtiger und die einzige notwendige Spezifikation.

Bei transmissiven Optiken ist es im Allgemeinen vorzuziehen, die Transmission anstelle des Reflexionsvermögens der einzelnen Oberflächen anzugeben und zu messen. Die alleinige Spezifikation der Oberflächenreflexion vernachlässigt die anderen Verlustquellen (siehe Gleichung 1). In einigen Fällen ist jedoch die bloße Angabe der Oberflächenreflexion ein akzeptabler Kompromiss zwischen Kosten und Leistung, da sie einfacher zu spezifizieren und zu verifizieren ist.

Reflexion

Spiegel mit hohem Reflexionsvermögen und hochreflektierende Beschichtungen sind für den Betrieb eines jeden Lasersystems von wesentlicher Bedeutung, insbesondere für die Strahllenkung oder einen optimierten Lichtdurchsatz. Die Systeme erfordern in der Regel hohe Reflexionsgrade von über 99,9%.

Bei Lasersystemen, bei denen ein Reflexionsgrad von 99,5% oder weniger akzeptabel ist, wird üblicherweise mithilfe der Spektralphotometrie gemessen, wie viel Licht durch die reflektierende Oberfläche des Spiegels transmittiert wird. Dies ist zwar eine klare Messgröße, berücksichtigt aber nicht in vollem Umfang die zusätzlichen Verluste durch Streuung und/oder Absorption durch optische Oberflächen und das Substratmaterial. Daher empfiehlt es sich, bei bestimmten Optiken sowohl die Transmission als auch das Reflexionsvermögen zu spezifizieren.

Zur Verbesserung der Messgenauigkeit und zur besseren Darstellung der tatsächlichen Leistung werden Laserkomponenten, die eine Reflexion von mehr als 99,5% erfordern, mit Cavity-Ring-Down-Verlustmessgeräten (CRD) bewertet. Diese bestimmen den Gesamtverlust durch Messung der Signalabklingzeit in einem Resonator, der aus der Testoptik und einem oder zwei Referenzspiegeln besteht (Abbildung 3). Ähnlich wie bei den zuvor erwähnten Spezifikationen ist es wichtig, dass die Messungen mit einer monochromatischen Lichtquelle durchgeführt werden, die mit der gleichen Wellenlänge arbeitet, für die die Optik ausgelegt ist. CRD berücksichtigt Transmissions-, Absorptions- und Streuverluste und liefert außerdem eine genauere Darstellung des Reflexionsvermögens der Optik.

<i>Abbildung 3</i>: Cavity-Ring-Down-Verlustmessgeräte bestimmen den Gesamtverlust einer optischen Komponente durch Messung der Intensitätsabfallrate im Resonatorraum des Messgeräts und ermöglichen so genauere Messungen als Techniken, die lediglich die Transmission bestimmen.

Abbildung 3: Cavity-Ring-Down-Verlustmessgeräte bestimmen den Gesamtverlust einer optischen Komponente durch Messung der Intensitätsabfallrate im Resonatorraum des Messgeräts und ermöglichen so genauere Messungen als Techniken, die lediglich die Transmission bestimmen.

Reflexions- und LIDT-Spezifikationen haben unterschiedliche Funktionen und sollten nicht miteinander vermischt werden. Während LIDT-Anforderungen für Spiegel und reflektierende Beschichtungen angeben, wie viel Energie die Optiken aushalten können, ist ihr Reflexionsvermögen ein Maß für die optische Effizienz.

Zusammenfassung

Optische Verluste innerhalb eines Laserresonators/Lasersystems sind unvermeidlich, ebenso wie die damit verbundenen negativen Auswirkungen auf die Leistungskennzahlen (z. B. Ausgangsleistung/Energie und Strahlqualität). In der Praxis können Lasersystem kostengünstiger entwickelt werden, indem nur die optischen Verluste ermittelt und spezifiziert werden, die für die Systemleistung und die geplante Anwendung entscheidend sind.

Literatur

International Organization for Standardization. (2008). Optics and optical instruments — Lasers and laser-related equipment — Test method for absorptance of optical laser components (ISO 11551:2003).