Strahlformung für hohe Leistungen und kurze Pulsdauer

Die Umformung von Laserstrahlen mit einem Gaußprofil in einen Flat-Top- oder Bessel-Strahl ist unverzichtbar für viele präzise Laseranwendungen. Meist werden lichtbrechende Strahlformungsoptiken eingesetzt, reflektierende Strahlformer und Axikons jedoch verhindern Transmissionsverluste und halten hohen Laserleistungen stand. Sie eliminieren außerdem die chromatische Dispersion und sind daher ideal für Ultrakurzpuls-Systeme geeignet. Reflektierende Strahlformer sind die ideale Lösung für Mikro-Materialbearbeitung und andere hochpräzise Laseranwendungen. Fortschritte im Bereich Ultrakurzpulslaser und in anderen Lasertechnologien haben zu einer immer größeren Zahl an Systemen geführt, die zur Steigerung von Effizienz und Präzision Strahlformer verwenden.

Reflektierende Axikons

Transmissive Axikons sind konische Optiken, die einfallendes, kollimiertes Licht zu einem ringförmigen Strahlprofil in der Ferne und zu einem Strahl, der näherungsweise einem Bessel-Strahl entspricht, in einem bestimmten Bereich des Nahfeldes umwandeln. In der Bessel-Zone wird der Strahl nicht gebeugt oder vergrößert während er sich ausbreitet, wie in Abbildung 2 gezeigt. Tatsächlich kann die Breite des Bessel-Strahls kleiner als die Beugungsgrenze sein.

Reflektierende Axikons erzeugen hochqualitative Bessel-Strahlen, die gegenüber den von transmissiven Axikons erzeugten Strahlen einige Vorteile bieten. Reflektierende Axikons können höheren Laserleistungen standhalten und erzeugen Strahlen, die noch mehr dem idealen Bessel-Strahl entsprechen, als die Strahlen transmissiver Axikons. Da die Strahlung sich nicht im optischen Medium ausbreiten muss, entsteht keine chromatische Dispersion und die Pulsdauer in Ultrakurzpulslaser-Anwendungen wird erhalten. Abbildung 1 zeigt in einer schematischen Darstellung wie ein Bessel-Strahl mit einem reflektierenden Axikon erzeugt wird.

Abbildung 1: Dieses reflektierende Axikon mit Winkel zur Achse erzeugt einen annähernden Bessel-Strahl über einen bestimmten Bereich, der sich dann als ringförmige Verteilung weiter ausbreitet.

Die intensive Lichtkonzentration in einem Bessel-Strahl, der mit einem reflektierenden Axikon erzeugt wird, ist ideal für die Lasermaterialbearbeitung, wie z.B. die Nano-Kanalbohrung in Glas oder anderen transparenten Materialien.¹ Die Glasschneideeffizienz kann gesteigert werden, indem zuerst Nano-Kanäle gebohrt werden und entlang dieser Kanäle das Glas gebrochen wird. Die Größe der Kanäle kann genauestens und mit hoher Reproduzierbarkeit gesteuert werden. Mehr über Axikons erfahren Sie in unserem Anwendungshinweis „Ausführliche Informationen zu Axikons“.

Abbildung 2: Die Intensitätsverteilung eines Bessel-Strahls, der mithilfe eines reflektierenden Axikons erzeugt wurde (oben) und ein Nano-Kanal, der mit einem Bessel-Strahl in Glas gebohrt wurde (unten), mit freundlicher Genehmigung von Cailabs².

Multi-Plane Light Conversion - Das Geheimnis der Strahlformung durch Reflexion

Multi-Plane Light Conversion (MPLC) ist ein Strahlformungsprozess mit geringen Verlusten, bei dem Phasenplatten und Ausbreitung im freien Raum zum Einsatz kommen. MPLC ist ideal für Systeme mit mehreren Strahlen geeignet, da die Strahlen simultan geformt werden können. MPLC kann sowohl mit transmissiven als auch mit reflektierenden Optiken durchgeführt werden, die reflektierenden Systeme haben allerdings den Vorteil, dass keine Dispersion und Absorption wie bei brechenden Optiken auftritt. Die Technik wurde von Cailabs entwickelt, einem französischen Technologieunternehmen mit Sitz in Rennes.

Strahlformer auf Basis von Reflexion, die MPLC verwenden, werden oft als Multi-Pass-Gehäuse aufgebaut, in denen einfallende Laserstrahlen viele Male zwischen reflektierenden Phasenplatten und Spiegeln hin und her reflektiert werden, um das gewünschte Ausgangsstrahlprofil zu erzeugen. Diese Systeme zeigen eine hohe Modenselektivität und geringe Verluste. Im Video unten erfahren Sie mehr über MPLC.

Überblick über MPLC, mit freundlicher Genehmigung von Cailabs

Die Erzeugung von Flat-Top-Strahlen mithilfe von MPLC erhöht die Präzision und Effizienz von Laseranwendungen wie z.B. der Mikromaterialbearbeitung. Flat-Top-Strahlen erhöhen die Prozessqualität, indem thermische Effekte an den Rändern der Strukturen reduziert und somit genauere Kanten ermöglicht werden. Die transversale Strahlform kann außerdem zu einem Quadrat geformt werden, was seitliches Überlappen und Materialausschuss minimiert (Abbildung 3).⁴ MPLC-Systeme können mit vielen verschiedenen Lasermoden arbeiten und so aufgebaut werden, dass sie ungewünschte Moden eliminieren. Dies macht die Systeme unempfindlicher für nicht ganz perfekte Eingangsstrahlen und Strahlveränderungen über die Zeit. Zusätzliche Vorteile der reflektierenden Strahlformung sind die Kompatibilität mit Galvo-Scannern, höhere Fertigungsausbeute, kürzere Bearbeitungszeiten und keine chromatische Dispersion im Femtosekunden-Bereich. Mit MPLC kann die Genauigkeit beim Laserschweißen, Lasermarkieren, bei der Oberflächenstrukturierung und in der additiven Fertigung erhöht werden.

Abbildung 3: Diese quadratischen Strukturen wurden mit einem Ultrakurzpulslaserstrahl aus dem reflektierenden Laserstrahlformer CANUNDA-PULSE erzeugt. Ihre Form minimiert Überlappungen und Materialausschuss. Bild mit freundlicher Genehmigung von Cailabs.

Häufig gestellte Fragen

  Warum ist chromatische Dispersion kritisch für Systeme mit Ultrakurzpulslasern?

Das Wellenlängenspektrum der Laserpulse nimmt zu, wenn die Pulsdauer abnimmt. Daher führt die kurze Pulsdauer von Ultrakurzpulslasern zu großen Bandbreiten. Wenn Ultrakurzpulslaser durch optische Medien wie Mikroskopobjektive, akusto-optische Modulatoren, Fenster, Linsen oder Filter gelenkt werden, wird die große Bandbreite stark von chromatischer Dispersion beeinflusst. Weitere Informationen finden Sie hier.

  Welche Energie halten reflektierende Canunda-Axikons aus?

Canunda-Axikons können aufgrund der verlustarmen Beschichtung und des reflektierenden Designs gut für Laser mit hoher Energie bis zu 1 mJ eingesetzt werden, sogar im Femtosekundenbereich.

  Wird Multi-Plane Light Conversion (MPLC) außer für Materialbearbeitung auch für andere Anwendungen genutzt?

Ja, die von Cailabs entwickelte MPLC wird auch für Telekommunikation mit optischen Fasern verwendet. Sie kann die Bandbreite in Multimodenfasersystemen steigern ohne die Systemkomplexität und die Kosten signifikant zu erhöhen. MPLC kann außerdem atmosphärische Turbulenzen herausfiltern und bei der Kombination von Lasern die geringe Divergenz erhalten und wird somit ebenfalls für optische Kommunikation, z.B. von der Erde zu Satelliten, eingesetzt.

  Bei welcher Pulsdauer gilt ein Laser als „Ultrakurzpulslaser“?

Laserpulse mit Pikosekunden-, Femtosekunden- und Attosekundenpulsdauern (<100 ps) gelten typischerweise als Ultrakurzpulslaser.