Bruch mit den traditionellen Regeln beim Linsendesign

Achromate sind die mit am häufigsten eingesetzten optischen Komponenten. Ursprünglich bestanden sie auf zwei Linsenelementen, die zusammengeklebt waren, um die chromatische Aberration zu korrigieren und zumindest zwei Wellenlängen auf einen gemeinsamen Punkt zu fokussieren. Die asphärischen Achromate aus einem einzigen Material sind ein neuer Linsentyp, der mit den bekannten Regeln bricht, indem zur Erreichung der achromatischen Eigenschaften statt mehrerer Materialien eine einzigartige Form eingesetzt wird. Die Linsen bieten eine größere Bandbreite als traditionelle Achromate, keine Unterschiede der thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE) zwischen den unterschiedlichen Materialien und Kompatibilität mit Lasern hoher Leistung, da kein Kleber für die Verbindung der verschiedenen Materialien eingesetzt werden muss.

Regeln müssen ab und zu gebrochen werden

Achromate bestehen typischerweise aus zwei Linsenelementen, die zusammengeklebt sind: einem positiven Kronglas-Element mit niedrigem Brechungsindex und einem negativen Flintglas-Element mit hohem Brechungsindex. Asphärische Achromate aus einem einzigen Material umgehen die Nutzung mehrerer Materialien, indem eine innovative und komplexe asphärische Form verwendet wird (Abbildung 1).

Für das Design und die Optimierung dieser Linsen musste ein besonderer optischer Design-Code entwickelt werden, da die verfügbaren Programme zum Optikdesign wie Zemax OpticStudio® und Code V von Synopsys die komplexen asphärischen Oberflächen nicht darstellen konnten. Der entwickelte MATLAB-Code bietet ein höheres Maß an Design-Freiheit, da er Beschränkungen durch die üblichen mathematischen Beschreibungen einer asphärischen Oberfläche umgeht. Mehr Informationen zur Entwicklung von Design-Code finden Sie in der Konferenzpublikation der SPIE LASE 2020.¹

Vorteile der asphärischen Achromate aus einem einzigen Material

Asphärische Achromate aus einem einzigen Material bieten eine Vielzahl von Vorteilen gegenüber konventionellen Achromaten aus mehreren Materialien. Die Minimierung der chromatischen Fokusverschiebung ist eine wichtige Aufgabe von Achromaten, da üblicherweise eine Fokussierung mehrerer Wellenlängen auf einen einzigen Punkt auf der optischen Achse mit nur minimaler chromatischer Abweichung anderer Wellenlängen des Frequenzbandes gewünscht ist. Abbildung 2 zeigt die chromatische Fokusabweichung eines Achromats aus einem einzigen Material im Vergleich zu einem traditionellen Zweilinser und macht deutlich, dass die Leistung des Achromats aus einem einzigen Material die des konventionellen Zweilinsers deutlich übersteigt.

Achromate aus einem einzigen Material halten höheren Laserleistungen stand als konventionelle Achromate aus mehreren Materialien. Dies liegt hauptsächlich daran, dass kein optischer Kleber zur Verbindung der Materialien benötigt wird. Die Laserzerstörschwelle des Klebers ist typischerweise der limitierende Faktor für die Laserzerstörschwelle von konventionellen Achromaten.²

Ohne den Einsatz von Kleber sind Achromate aus einem einzigen Material auch thermisch stabiler, da es keine CTE-Unterscheide zwischen den verschiedenen Materialien gibt. CTE-Unterschiede zwischen Kron- und Flintglas können in konventionellen Achromaten zu thermisch bedingten Spannungen und Defokussierungen führen.

Herausforderungen bei der Fertigung

Die einzigartige Form der Achromate aus einem einzigen Material macht die Fertigung schwieriger als bei anderen optischen Komponenten. Edmund Optics® fertigt Achromate aus einem einzigen Material durch Diamantdrehen und verwendet das Material Zeonex E48R, ein oft eingesetzter optischer Kunststoff. Die Achromate können aber auch aus anderen Materialien wie Germanium oder Silizium gedreht werden.

Die Linsen müssen über Diamantdrehen gefertigt werden, um die spezielle Form zu erhalten. Konventionelle Schleif- und Poliertechniken sind nicht möglich. Es sind mehrere Durchgänge nötig, um die richtige Ausrichtung zwischen vorderer und hinterer Oberflächen zu gewährleisten. Dies wird durch eine Feedbackschleife der Profilometriedaten und kinematischer Messposition der diamantgedrehten Bezugshöhe erreicht, die flache ringförmige Zonen und den Außendurchmesser beinhaltet.¹

Test der realen Leistung

Um herauszufinden wie nah die Leistung der gefertigten Achromate aus einem einzigen Material an ihre nominale Designleistung herankommt, wurde der chromatische Fokusshift von 18 Beispiellinsen bestimmt, indem die beste Fokusposition bei verschiedenen Wellenlängen zwischen 450 und 650 nm mithilfe eines Optikos MTF-Testaufbaus und einer Reihe von 10 nm Bandpassfiltern gemessen wurde, wie in Abbildung 2gezeigt. Weitere Details zu den Tests können der Konferenzpublikation der SPIE LASER 2020 entnommen werden.¹

Die Werte der chromatischen Fokusverschiebung der 18 asphärischen Achromate aus einem Material bewegen sich zwischen 49 und 75 µm. Als Vergleich dient der äquivalente Achromat aus Abbildung 2, der mit einer identischen Methode vermessen wurde und bei dem die chromatische Fokusverschiebung bei 210 µm lag. Die Achromate aus einem einzigen Material hatten zwar aufgrund von Fertigungstoleranzen einige Leistungsabfälle im Vergleich zu den nominalen Designdaten, zeigten aber eine um den Faktor drei signifikant bessere Leistung als konventionelle Achromate (Abbildung 3).