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Anamorphische Prismenpaare

Anamorphische Prismenpaare

Die meisten Laserdioden emittieren aufgrund der rechteckigen Form der aktiven Region elliptisch geformte Strahlen mit unterschiedlichen Divergenzwinkeln in x- und y-Richtung (Abbildung 1). Dies ist in vielen Anwendungen nachteilig, da elliptische Strahlen einen größeren Fokuspunkt haben als runde Strahlen. Größere Punktgrößen führen zu einer geringeren Strahlungsintensität (Strahlungsenergiefluss pro Flächeneinheit) im Fokuspunkt, sodass u. U. eine höhere Eingangsleistung des Lasers notwendig ist. Anamorphische Prismenpaare können ideal für die Umwandlung von elliptischen Strahlen in ein rundes Strahlprofil eingesetzt werden.

Abbildung 1: Die Geometrie von Laserdioden bewirkt, dass elliptische Strahlen mit zwei verschiedenen Divergenzwinkeln entstehen.
Abbildung 1: Die Geometrie von Laserdioden bewirkt, dass elliptische Strahlen mit zwei verschiedenen Divergenzwinkeln entstehen.

Ein anamorphisches Prismenpaar besteht aus zwei Prismen, die eingesetzt werden, um die Laserstrahlform zu verändern.1 Am häufigsten wird es verwendet, um elliptische Strahlen in runde umzuwandeln, kann aber auch zur Erzeugung anderer elliptischer Strahlen in verschiedenen Größen eingesetzt werden. Das optische Prinzip hinter dieser Umformung ist die Lichtbrechung. Das Licht wird in eine Richtung oder in einer Achse abgelenkt, während die andere Achse konstant bleibt (Abbildung 2). Dies kompensiert die unterschiedlichen Divergenzen des Originalstrahls.

Abbildung 2: Ein anamorphisches Prismenpaar funktioniert in einer Richtung wie ein Strahlaufweiter und erzeugt aus einem elliptischen Strahl einen runden Strahl.
Abbildung 2: Ein anamorphisches Prismenpaar funktioniert in einer Richtung wie ein Strahlaufweiter und erzeugt aus einem elliptischen Strahl einen runden Strahl.

Während ein einzelnes Prisma den Strahlradius in einer Achse ändern kann, würde es auch die Strahlrichtung ändern. Um die elliptische Form des Strahls zu verändern, aber die ursprüngliche Strahlrichtung beizubehalten, wird ein Prismenpaar benötigt (Abbildung 2). Der Einsatz von anamorphischen Prismenpaaren erfordert allerdings eine genaue Winkelausrichtung. Obwohl nicht zwingend erforderlich, ist es hilfreich ein Prisma im Brewster-Winkel auszurichten. Dies ist der Einfallswinkel, bei dem keine Reflexion von p-polarisiertem Licht entsteht. Auf der anderen Seite des Prismas sollte der Lichteinfall senkrecht sein und die Prismenfläche sollte antireflexbeschichtet sein, um einen maximalen Durchsatz zu erreichen. Diese präzise Ausrichtung ist der Grund, warum viele Kunden vorausgerichtete Prismenpaare kaufen.

Bei einigen hochpreisigeren Laserdioden sind schon anamorphische Prismenpaare zur Strahlzirkularisierung im Laserkopf eingebaut. Bei vielen günstigeren Laserdioden hingegen nicht. Die Kosten einer Laserdiode ohne integriertes Prismenpaar und eines separaten anamorphischen Prismenpaars sind häufig geringer als die der teureren Diodenvariante.

Vergleich mit Zylinderlinsen

Zylinderlinsen, die nur in einer Richtung eine optische Brechkraft besitzen, werden ebenfalls häufig zur Strahlzirkularisierung eingesetzt (Abbildung 3). Eine Zylinderlinse formt Licht durch Fokussierung oder Änderung der Wellenfrontkrümmung. Aus diesem Grund sind anamorphische Prismen in Anwendungen, bei denen geringe Wellenfrontverzerrung benötigt wird, vorteilhafter.

Zylinderlinsen haben mehr Freiheitsgrade als gefasste anamorphische Prismenpaare und sind somit schwieriger auszurichten. Zylinderlinsen können verkippen, Prismen sind bei der unabhängigen Ausrichtung von Achsen toleranter. Bei Zylinderlinsen muss weiterhin besonders die Brennweite beachtet werden, die zum Abstand vom Diodenausgang passen muss, um einen kollimierten, zirkularen Strahl zu erzeugen. Gefasste anamorphische Prismenpaare sind benutzerfreundlicher. Sie sind vorausgerichtet und haben eine feste Aufweitung, sodass die Nutzer keine Positionierung und Assemblierung wie beim Einsatz von Zylinderlinsen vornehmen müssen. Es gibt nur eine Achse zu der die Prismen ausgerichtet werden müssen, da die Prismen lediglich in den Strahlengang eingeschoben werden. Ein zusätzlicher Ausrichtungsschritt erübrigt sich und es wird wertvolle Zeit gespart und evtl. Frustration vermieden. Die physikalische Position des anamorphischen Prismenpaars in Bezug zum Ort des einfallenden Laserstrahls ist ebenfalls weniger empfindlich.

Abbildung 3: Um elliptische Strahlen kreisförmig zu machen, werden zwei Zylinderlinsen verwendet, die die x- und die y-Achse unterschiedlich beeinflussen
Abbildung 3: Um elliptische Strahlen kreisförmig zu machen, werden zwei Zylinderlinsen verwendet, die die x- und die y-Achse unterschiedlich beeinflussen.

Der zusätzliche Freiheitsgrad von Zylinderlinsen gibt natürlich auch mehr Flexibilität, die in Forschungsanwendungen oder bei Prototypen hilfreich sein kann. Sie können auch einen höheren Durchsatz als anamorphische Prismenpaare bieten, vor allem, wenn sie AR-Beschichtungen besitzen. Bei Zylinderlinsen wandert das Licht durch weniger Material verglichen mit den anamorphischen Prismenpaaren und bei den Prismen geht zusätzlich p-polarisiertes Licht verloren, wenn sie unter dem Brewster-Winkel eingesetzt werden. In unserem Anwendungshinweis Überlegungen zur Verwendung von Zylinderlinsen erfahren Sie mehr über den Einsatz von Zylinderlinsen. 

  Zylinderlinsen Anamorphische Prismenpaare
Strahlversatz   kein Versatz  Versatz
Freiheitsgrade hoch gering
Ausrichtungsempfindlichkeit hoch gering
Durchsatz hoch mittel
Kosten gering gering
Größe klein klein
Tabelle 1: Vergleich von Zylinderlinsen und anamorphischen Prismenpaaren für die Strahlzirkularisierung.

Anamorphische Prismenpaare bei Edmund Optics®

Edmund Optics bietet gefasste, ungefasste und variable anamorphische Prismenpaare mit Breitband- oder Laserlinien-AR-Beschichtungen für die üblichen Diodenwellenlängen an. Die variablen anamorphischen Prismenpaare sind gefasst, aber ermöglichen dem Nutzer die Einstellung der Vergrößerung in einem gewissen Bereich.

Anamorphische Prismenpaare

  • Konvertieren elliptische Strahlen in runde Strahlen
  • Antireflexbeschichtet für die üblichen Diodenwellenlängen
  • Gefasste und ungefasste Versionen verfügbar

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Referenzen

  1. Paschotta, Rüdiger. Encyclopedia of Laser Physics and Technology, RP Photonics, October 2017, www.rp-photonics.com/encyclopedia.html.
  2. Shapeoptics: Anamorphic Prism Pairs Shapes the Laser Beams. (2020, March 23). Retrieved June 15, 2020, from https://shapeoptics.com/anamorphic_prism/

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