Entwurf eines eigenen Strahlaufweiters aus Standard-Optikkomponenten

Strahlaufweiter werden häufig in der Interferometrie, für Fernerkundung, zur Laserbearbeitung von Werkstoffen und zur Laserabtastung eingesetzt. Sie lassen kollimiertes Licht in das System und geben einen kollimierten Lichtstrahl mit größerem Durchmesser wieder ab. Zwar sind diverse Standard-Laserstrahlaufweiter erhältlich, diese entsprechen jedoch gegebenenfalls nicht den Anforderungen Ihrer Anwendung. Wenn Sie Strahlaufweiter selbst konstruieren, können Sie die Eigenschaften flexibel den Spezifikationen der Anwendung anpassen und dank der ab Lager lieferbaren Standardkomponenten die Zeit von der Konstruktion bis zum Prototypen auf Tage verkürzen. Durch den Einsatz von ab Lager lieferbaren Standardkomponenten können Sie außerdem sofort in größerem Maßstab skalieren, wenn die Produktion beginnen soll.

Anforderungen an die Konstruktion

Bei der Auswahl der Teile für Ihren Strahlaufweiter müssen Sie einige Anforderungen berücksichtigen, beispielsweise Systemkosten, mechanische Einschränkungen und optische Eigenschaften. Wir empfehlen, zuerst die Priorität jeder Anforderung zu definieren. Bei der Definition Ihrer Anforderungen stellen Sie wahrscheinlich fest, dass Ihre spezifische Anwendung nicht nur bzw. nicht alle der im Folgenden aufgeführten Anforderungen erfüllen muss.

Bei der Berücksichtigung der Systemkosten müssen Sie einen Kompromiss zwischen Kosten und Eigenschaften anstreben. Die Kosten unbeschichteter Optiken, potenzieller optischer Beschichtungen sowie die Kosten für die Halterungen hängen von der Stückzahl, den gewählten Werkstoffen und der Präzision ab. Als optimaler Werkstoff lässt sich oft N-BK7 einsetzen, weil es sich für einen großen Wellenlängenbereich eignet und kostengünstig ist; für anspruchsvollere Anwendungen wird hingegen oft Quarzglas gewählt, weil es einen niedrigen Wärmeausdehnungskoeffizienten und eine hohe Laserzerstörschwelle besitzt. Wenn Sie einen einzelnen Strahlaufweiter für mehrere Wellenlängen benötigen, müssen Sie außerdem die chromatischen Effekte berücksichtigen. Mit N-SF11 und N-BK7 erhalten Sie beispielsweise eine achromatische Lösung für einen kleinen Wellenlängenbereich. Prüfen Sie bei der Zusammenstellung der Materialien, ob eine Linse für Ihren Strahlaufweiter wirklich geeignet ist.

Oft ist der Einbauplatz für einen Strahlaufweiter begrenzt, sodass Sie Gesamtdurchmesser und Länge des Systems nicht frei wählen können. Vergessen Sie nicht, dass größere Strahlen größere Strahlaufweiter erfordern und diese wiederum größere (und kostspieligere) Optiken und mehr Metall für das Gehäuse.

Außerdem ist bei einigen Konstruktionen eine Divergenzeinstellung zur Anpassung der Strahldivergenz erforderlich. Aufgrund der geringen Kosten werden oft drehbare Divergenzeinstellungen, beispielsweise ein Fokussiertubus mit Gewinde, gewählt. Bei diesen Mechanismen dreht jedoch die Optik bei der Veränderung der Abstände, wodurch sich der Ausgangsstrahl verschieben kann. Gleitende Divergenzeinstellungen, beispielsweise ein verstellbarer Zylinder mit Innengewinde, verschieben die Optik entlang der optischen Achse, ohne sie zu drehen und minimieren damit die Strahlverschiebung, erhöhen aber auch die Systemkosten.

Prüfen Sie zunächst die Systemanforderungen, bevor Sie Ihren Strahlaufweiter konstruieren. Für die Konstruktion eine Strahlaufweiters müssen Sie mindestens eine bestimmte Wellenlänge bzw. Wellenlängenbereich, einen bestimmten Eingangsstrahldurchmesser und die akzeptable Mindesttransmission festlegen. Die Konstruktion von Strahlaufweitern mit größeren Wellenlängenbereichen ist schwieriger und erhöht die Komplexität und die Kosten. Bei kleineren Eingangsaperturen lassen sich die optischen Anforderungen einfacher erfüllen. Die Gesamttransmission hängt stark von der Auswahl geeigneter Antireflexbeschichtungen ab; unbeschichtete Optiken sind kostengünstiger, haben aber eine niedrigere Gesamttransmission (und erzeugen gegebenenfalls störende Reflexionen im Strahlaufweiter), während eine einfache Beschichtung mit beispielsweise einer Lage MgF₂, bereits eine Transmission von 90 % gewährleistet. Die Strahlqualität wird oft als Wellenfrontverzeichnung definiert. Ein PV-Wert (Peak-to-Valley) unter λ/4 gilt in der Regel als beugungsbegrenzt.

Es ist schwierig, einen Parameter zu ändern, ohne die anderen zu beeinträchtigen. Bei Auswahl eines anderen Linsensatzes zur Verbesserung der Wellenfrontqualität können sich beispielsweise die Systemkosten oder die Gesamtsystemgröße erhöhen. Außerdem sei darauf hingewiesen, dass ein größerer Eingangsstrahldurchmesser sich expotenziell auf die Qualität der transmittierten Wellenfront auswirkt und aus diesem Grund Konstruktionen für größere Eingangsstrahldurchmesser signifikant schwieriger sind. Beachten Sie die Toleranz der verwendeten Komponenten - je enger die Toleranzen sind, umso teurer wird der Aufbau des Systems.

Strahlaufweiterkonstruktionen nach Kepler oder Galilei

Durch Konstruktion eines Strahlaufweiters mit Standardlinsen ab Lager lassen sich Beschaffungszeit und Designzyklus drastisch verkürzen. Die Auswahl von sofort ab Lager lieferbaren Linsen ist mit dem Linsenkatalog von Zemax ein Kinderspiel. Die Abstände können entsprechend den Anforderungen angepasst werden. Mit dem weltgrößten Bestand von standardmäßig ab Lager lieferbaren Linsen von Edmund Optics können Sie sowohl Kepler- als auch Galilei-Konstruktionen aufbauen. Eine Kepler-Konstruktion hat eine größere Systemlänge mit internem Fokus, eine Galilei-Konstruktion ist kürzer und hat keinen internen Fokuspunkt.

Bei Kepler-Strahlaufweitern liegt ein Fokuspunkt zwischen den Linsen. Dies hat sowohl Vorteile als auch Nachteile gegenüber dem Galilei-Aufbau. Bei hohen Leistungen ist der Fokuspunkt ein signifikanter Nachteil, da die Luft ionisiert werden kann, so dass die transmittierte Energie reduziert wird und möglicherweise schädliche Energiedichten erzeugt werden. Bei geringen Leistungen eignet sich die Fokus-Ebene ideal als Position für einen Raumfilter zur effektiven und einfachen Strahlbereinigung. Davon abgesehen sind Galilei-Konstruktionen bei gleicher Vergrößerung in der Regel kürzer als Kepler-Konstruktionen.

Allgemeine Überlegungen zur Konstruktion eines Galilei-Strahlaufweiters

Die Vergrößerung eines Galilei-Strahlaufweiters wird mit den folgenden Gleichungen ermittelt.

Hierbei ist $ \small{f_1} $ die Brennweite der Sammellinse und $ \small{f_2} $ die negative Brennweite der Zerstreuungslinse. Die Konstruktion mit Standard-Optikkomponenten ist ganz einfach, Sie wählen lediglich eine Sammellinse und eine Zerstreuungslinse entsprechend der gewünschten Vergrößerung (siehe Gleichung 1) ohne die maximale Systemlänge (siehe Gleichung 2) zu überschreiten. Wie noch erläutert wird, sind diese Gleichungen Gleichungen 1. Grades. Durch die Linsendicke und die Fokusoptimierung kommt es zu geringfügigen Abweichungen von diesen Idealwerten.

Die freie Apertur der Linse muss bei der Auswahl ebenfalls berücksichtigt werden. Die Zerstreuungslinse muss groß genug sein, dass sie Eingangsstrahl erfasst und die Sammellinse so groß, dass der vergrößerte Lichtstrahl ohne Vignettierung ausgegeben wird.

Bei einem 5X-System mit einem Eingangsstrahl von 3 mm Durchmesser verursacht beispielsweise eine Sammellinse von 10 mm Durchmesser eine Vignettierung, da der Ausgangsstrahl 15 mm Durchmesser haben wird. In unserem umfangreichen Katalog von Standardlinsen dürften Sie eine ausreichende Auswahl von Durchmessern und Brennweiten für die meisten Vergrößerungen finden.

Konstruktion eines 5X-Galilei-Strahlaufweiters

Angenommen, Sie benötigen für Ihre Anwendung einen 5X-Strahlaufweiter mit einer Systemlänge von maximal 75 mm. Mit zwei Einzellinsen könnten für eine Galilei-Konstruktion folgende Linsenkombinationen aus dem Standardangebot verwendet werden: -6 mm und 30 mm, -9 mm und 45 mm, -12 mm und 60 mm und -15 mm und 75 mm. Beachten Sie, dass Kombinationen von -25 mm/125 mm, -20 mm/100 mm die Anforderung nicht erfüllen, da die Systemlänge 75 mm nicht überschreiten darf. Eine Kombination aus Linsen -18 mm/90 mm könnte die Anforderungen noch erfüllen, wahrscheinlich ergibt sich jedoch durch das Metallgehäuse des Systems sowie die Linsendicke eine Systemlänge von über 75 mm.

Bei der Konstruktion eines Galilei-Strahlaufweiters mit zwei Einzellinsen gilt als Faustregel, dass sich die Wellenfrontqualität bei einem längeren optischen Weg erhöht. Mit anderen Worten, eine Linsenkombination aus -20 mm und 100 mm hat eine wesentlich bessere Wellenfront als -6 mm und 30 mm. Außerdem erhalten Sie eine bessere Wellenfront bei Verwendung von Linsen mit einer planen Oberfläche (z.B. plankonvexe oder plankonkave Linsen) statt mit beidseitig gekrümmten Linsen. Bei einer Galilei-Konstruktion mit einseitig planen Linsen verbessert sich die Wellenfrontqualität wenn die plane Fläche in Richtung des einfallenden Strahls ausgerichtet wird, da die sphärische Aberration ausgeglichen wird. Jedoch können bei Hochleistungslasern Reflexionen von der ersten planen Oberfläche den Laser beschädigen selbst wenn sie eine Antireflexbeschichtung besitzt.

Optimierung mit Zemax

In unserem Beispiel für ein 5X-System wählen wir eine plankonkave Linse mit 6 mm Durchmesser und einer Brennweite von -12 mm (#45-008) sowie eine plankonvexe Linse mit 25 mm Durchmesser und einer Brennweite von 60 mm (#45-127). Da wir Standardlinsen verwenden, verbleibt als einzige Variable der Abstand zwischen beiden Linsen: die Dicke der Fläche 3. Siehe dazu Abbildung 1 mit dem Zemax-Linsendateneditor. Abbildung 2 zeigt das Linsenlayout des Strahlaufweiters im afokalen Modus.

Abbildung 1: Linsendateneditor

Abbildung 2: Layout des Strahlaufweiters

Der Aperturwert muss in Zemax auf den Eingangsstrahldurchmesser eingestellt werden, für den Sie den Strahlaufweiter optimieren wollen. In diesem Beispiel optimieren wir für einen Eingangsstrahl von 3 mm, der Ausgangsstrahl hat dann einen Durchmesser von 15 mm. Dies ist der Design-Eingangsstrahldurchmesser, der maximale Durchmesser ist jedoch durch die freie Apertur der vorderen Linse begrenzt. Außerdem gehen wir davon aus, dass es sich um einen gaußschen Eingangsstrahl handelt und wir den Aufweiter direkt am Laser montieren, sodass der Einfallwinkel einfachheitshalber 0 Grad beträgt. Weiter nehmen wir an, dass es sich bei dem Laser um einen Helium-Neonlaser (HeNe) handelt und wir für eine Wellenlänge von 632,8 nm optimieren.

Da es sich bei Strahlaufweitern um afokale Systeme handelt, müssen Sie in Zemax die Option "Afokaler Bildabstand" auswählen. Dadurch ändern sich die Maßeinheiten von Abständen auf Winkelangaben. Afokale Systeme haben keine effektive Brennweite und damit keine Gesamtkonvergenz oder -divergenz des einfallenden Lichtstrahls. Verbreitete afokale Systeme sind Strahlaufweiter und Zoomobjektive für Kameras.

Abbildung 3 zeigt den Zemax-Merit-Funktion-Editor. Diese Merit-Funktion ist relativ einfach und kann als Grundlage für alle afokalen Systeme verwendet werden. Die verwendeten Operanden werden im Folgenden erläutert.

Abbildung 3: Merit-Funktion-Editor

• Der Operand RAED optimiert den Winkel des reellen Strahls senkrecht zur Fläche. Wir fügen nach der letzten Fläche der Sammellinse eine Dummy-Fläche hinzu, in diesem Fall Fläche 7. Der Ausgangsstrahl soll kollimiert werden, daher soll der Winkel zur Senkrechten der Dummy-Fläche so klein wie möglich sein. Wenn dieser Winkel Null ist, handelt es sich um ein echtes afokales System.
• Der Operand REAY prüft die Höhe des reellen Strahls an einer bestimmten Fläche. In der Merit-Funktion haben wir für den Operanden REAY keine Gewichtung. Gemessen wird die Höhe des reellen Strahls an der ersten und letzten Fläche des Systems, d. h. die Größe des einfallenden und des ausgehenden Strahls. Der Operand verwendet hierbei die Radien und nicht die Durchmesser.
• Mit der Standard-Merit-Funktion optimieren wir den RMS-Wellenfrontfehler.

Nach der Optimierung dürften das System beugungsbegrenzt sein wie in den Abbildungen 4 und 5, welche die Punktgröße und die Wellenfront zeigen, zu sehen. Wenn das System nicht die gewünschten Eigenschaften besitzt, kann dies verschiedene Ursachen haben. Ist die Wellenlänge des Lichts mit dem ausgewählten Glasmaterial kompatibel (N-BK7 transmittiert beispielsweise kein Licht bei 266 nm)? Entspricht der Abstand zwischen den beiden Linsen in etwa der Summe der Brennweiten? Ist der Strahldurchmesser zu groß für die vordere Linse? Versuchen Sie entsprechende Änderungen vorzunehmen und neu zu optimieren, um ein ähnliches Ergebnis wie in der Abbildung zu erhalten.

Abbildung 4: Punktgröße

Abbildung 5: 3D-Abbildung der Wellenfront

Wir haben gezeigt, wie einfach es ist, schnell einen 5X-Strahlaufweiter für einen Laserstrahl von 3 mm Durchmesser mit 632,8 nm Wellenlänge zu konstruieren. Die ausgewählten Optiken sind ab Lager erhältlich und können sofort für einen Prototyp geliefert werden. Wenn Sie Standard-Optikkomponenten für eine schnelle Entwicklungsphase wollen, sollten Sie einen Lieferanten von Optikkomponenten auswählen, der eine Vielzahl von Optiken verfügbar hat. Optikkomponenten aus dem marktführenden Angebot von Edmund Optics sind in der Regel am nächsten Tag lieferbar und bietet die benötigten Komponenten für eine schnelle Prototypenentwicklung. Nach Abschluss der Prototypenentwicklung kann mit den gleichen Optikkomponenten die Serienproduktion gestartet werden, mit minimaler Zeitverzögerung und Lagerhaltung.