Technikon: Laseroptik

Übersicht

Artikelnummer

Artikelnummern werden einzigartig für jedes Objektiv Design, inklusive Eigenschaften, wie Wellenlängenbereich und sonstigen Modifikationen, vergeben. Einige Spezialanfertigungen erhalten außerdem eigene Artikelnummern, um einen wiederholten Einkauf mit gleichen Anpassungen einfach und problemlos zu ermöglichen. Die Artikelnummer besteht aus einer 5-stelligen Bezeichnung des Objektiv- oder Linsentypes (z.B. S4LFT = F-Theta Objektive), einer 4-stelligen Design Nummer und einer 3-stelligen Wellenlängen- bzw. Vergütungsbezeichnung. Sill behält sich vor, unter dem Hintergrund von Produktverbesserungen, Änderungen an den Artikeln durchzuführen.

Antireflex- und absorptionsarme Beschichtungen

Unsere Anti-Reflex-Vergütungen werden auf bestimmte Wellenlängenbereiche optimiert. Sie bewirken, dass unsere Optiken einen sehr großen Anteil des Lichts transmittieren und wenig Energie innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs reflektieren und/oder absorbieren. Spezielle absorptionsarme Vergütungen sind bei Verwendung von Lasern hoher mittlerer Leistung empfohlen. Diese Vergütungen sind nur für unsere Vollquarzobjektive verfügbar. Neben den Standardvergütungen bieten wir auch die Möglichkeit, nach Kundenforderung Sondervergütungen zu realisieren. Spezifikationen der Standard-Beschichtungen sind in folgender Tabelle zu finden. Die Zerstörschwelle wurde bei 355nm, 532nm bzw. 1064nm mit einer Pulsdauer von 1ns und einer Pulswiederholungsrate von 50Hz gemessen. Dem Thema Zerstörschwellen widmet sich ein eigenes Kapitel dieses Lexikons.

VergütungTyp      Spezifikation       
/008Antireflex1500 - 1600 nm, R < 0.25%
/065Antireflex + Breitband400 - 900 nm, R < 0,5% avg. 
/075Antireflex355 nm, R < 0.2%
/081Antireflex + Duo532 nm, R < 0.25% +
1064nm, R < 0.25%
/094Antireflex800 - 980 nm, R < 0.25%
/121Antireflex532 nm, R < 0.2%
/123Antireflex633 nm, R < 0.2%
/126Antireflex1064 nm, R < 0.2%
/159Antireflex1850 - 1980 nm, R < 0.25%
/173Antireflex400 - 410 nm, R < 0.2%
/199Antireflex255 - 266 nm, R < 0.2%
/292Antireflex + Absorptionsarm515 - 545 nm, R < 0.2%
/328Antireflex + Absorptionsarm1030 - 1090 nm, R < 0.2%
/449Antireflex + Absorptionsarm900 - 1070 nm, R < 0.25%
/574Antireflex + Absorptionsarm343 - 355 nm, R < 0.2%

Die folgenden Vergütungskurven zeigen die gemessenen Reflexionswerte einer Fläche. Sollte eine Abschätzung der Transmission durch ein Objektiv benötigt werden, muss der Reflexionswert der Vergütung bei der bestimmten Wellenlänge mit der doppelten Anzahl der Objektivelemente (da zwei Flächen pro Element) multipliziert werden. Die Transmission erhält man durch anschließendes subtrahieren von 100%. Diese Anzahl der Objektivelemente ist auf den Datenblättern zu finden.

Design Wellenlänge

Alle optischen Systeme, im Besonderen die Beschichtungen, sind für eine bestimmte Wellenlänge oder einen Wellenlängenbereich ausgelegt. Alle genannten Werte zu einem Objektiv, werden nur für eine bestimmte Wellenlänge angegeben und können für andere Wellenlängen im Funktionsbereich des Objektivs variieren. Am Beispiel des S4LFT4010/292, welches für 532nm entwickelt und spezifiziert wurde, ist eine Nutzung im Bereich von 515nm bis 545nm trotzdem ohne weiteres möglich.

Thermischer Fokus Shift

Mit steigender Strahlqualität von Lasern hoher mittlerer Leistung im kW-Bereich für die Materialbearbeitung, wächst das Problem, der thermisch induzierten Fokusverschiebung in Kollimations-, Strahlführungs- und Bearbeitungsoptiken, stetig. In diesem Fall sollten hochwertige Quarzoptiken mit absorptionsarmer Vergütung verwendet werden. Betrachtet man ein einfaches System aus Faserkollimator und Fokussieroptik, kann es bereits zu einer Fokusverschiebung von einer Rayleigh Länge bei einer eingesetzten mittleren Leistung von 1 kW kommen. Die Rayleigh Länge ist der Abstand entlang der Ausbreitungsrichtung des Strahles von der Strahltaille bis zu dem Punkt, an dem Sich der Querschnitt verdoppelt hat.

Bei ƒ-Theta Objektiven, die keine Quarzlinsen enthalten, kann sich dieser Wert um ganze Größenordnungen erhöhen. 

Arbeitsabstand

Der Arbeitsabstand ist definiert als der Abstand von der vordersten Fassungskante in Objektrichtung, bis zur Fokusebene. Dieser ist nicht zu verwechseln mit der effektiven Brennweite eines Objektivs, welche von der abbildungsseitigen Hauptebene zur Fokusebene bestimmt wird. Die Hauptebene ist dabei eine hypothetische Fläche, an der angenommen werden kann, dass dort die optische Brechung des Gesamtsystems stattfindet. 

Beugungsmaßzahl M²

Die Fokussierbarkeit eines Lasers wird nach der ISO Norm 11146 durch die Beugungsmaßzahl M² beschrieben. Diese beschreibt den Divergenzwinkel des Laserstrahls, im Verhältnis zur Divergenz eines idealen Gauß-Strahls. Bei einer vorgegebenen Linse, nimmt der kleinste mögliche Fokusdurchmesser proportional zum Wert von M² zu. Seltener wird die Strahlqualität durch den Parameter K beschrieben. Dieser entspricht dem Reziproken der Beugungsmaßzahl M². Bei Faserlasern wird häufig das Strahlparameterprodukt SPP für die Strahlqualität angegeben. Diese Angabe entspricht dem Produkt der Beugungsmaßzahl M² mit der Wellenlänge λ geteilt durch π. Wir nehmen für alle Berechnungen oder Angaben zur Strahlgröße ein M² von 1 an. Eine Abschätzung zu realen Strahldaten erhält man durch Multiplikation mit der Beugungsmaßzahl des benutzten Lasers

Strahldurchmesser

Bei der Bestimmung des Strahldurchmessers, ist der Laserstrahldurchmesser üblicherweise durch den Abfall der Intensität auf 1/e² des Maximalwertes definiert. Wenn ein Strahl durch eine Blende auf diesen Durchmesser begrenzt wird, werden etwa 13,5% der Gesamtintensität verloren. Daher ist es üblich, einen Gaußstrahl etwa bei dem 1,5 fachen Strahldurchmesser zu begrenzen um Verluste unter 1% zu haben.

Apodisation

Die Strahlform und –größe eines Laserstrahls nach einem Objektivdurchgang, hängt auch sehr vom Eintrittsprofil im Vergleich zur Eintrittspupille des Objektivs ab. Eine Beschreibung bietet das Beschneidungsverhältnis T, das durch das Verhältnis des Eintrittsstrahldurchmesser dL und der freien Apertur dEP bestimmt wird. Typische Beispiele sind in folgender Skizze dargestellt: Unter einem Verhältnis von T=0.5 wird ein quasi unbeschnittener Strahl beschrieben. Bei T=1 entspricht die freie Apertur des Objektivs genau dem Strahldurchmesser bei 1/e², was zu einem Verlust von 13.5% der Intensität führt. Viele Anwendungen finden sich in dem Bereich dazwischen, der einen Kompromiss zwischen geringen Intensitätsverlusten inklusive kleinen Spotgrößen und hohen Kosten durch große Objektive darstellt.

Das ist allerdings nur der halbe Weg, wenn die finale Spotgröße eines beugungsbegrenzten Objektivs von Interesse ist. Zur deren Abschätzung wird ein Apodisationsfaktor (APO) benötigt, der vom Beschneidungsverhältnis T, wie in folgendem Graphen gezeigt, abhängt. Dieser Faktor bezieht die Intensitätsverteilung an begrenzenden Flächen ein, welche für Beugungseffekte die entscheidende Rolle spielen. Beispielsweise sind nur kleinste Intensitätsanteile eines Gaußstrahles, welcher bei 1/e² kleiner als die begrenzende Apertur ist, Beugungseffekten ausgesetzt. Dem hingegen sind die Anteile deutlich größer, wenn der Strahl im Bereich seines 1/e²-Durchmessers begrenzt wird.

Fokusgröße

Die minimal erreichbare Fokusgröße errechnet sich über die Wellenlänge des Lasers, multipliziert mit der Brennweite der Scanobjektive, dem APO Faktor und der Beugungsmaßzahl M² des Lasers, geteilt durch den Strahldurchmesser dL (1/e²).

dF = Fokusdurchmesser
dEP = Durchmesser der Eintrittspupille
dL = Strahldurchmesser (1/e²)
f' = Brennweite

Beispielrechnung

In diesem Beispiel wird der Fokusdurchmesser einmal für einen Eingangsstrahldurchmesser dL=6.0mm und einmal für dL=10.0mm eines Gaußstrahles berechnet. Annahme: Benutzung des F-Theta Objektivs S4LFT4010/292, mit einem frequenzverdoppeltem Nd:YAG Laser bei 532nm mit einer Beugungsmaßzahl M²=1.2. Das Objektiv besitzt eine Brennweite von f‘=100mm. Ein weiterer sehr wichtiger Wert zur Bestimmung des Beschneidungsverhältnisses T, ist die freie Apertur. Diese ist nicht die freie Apertur des F-Theta Objektivs (Ø35mm), sondern meist ist der begrenzende Faktor die Strahleneigangsöffnung am Scan-System. Nehmen wir in diesem Fall einen sehr typischen Wert von dEP =10mm an.

Beispielrechnung 1

f’=100mm, λ=532nm, dEP =10mm, M²=1.2, dL=6.0mm

Beispielrechnung 2

f’=100mm, λ=532nm, dEP =10mm, M²=1.2, dL=10.0mm

Rayleigh Länge

Die Rayleigh Länge entspricht dem Abstand entlang der optischen Achse, ausgehend von der Strahltaille, bis sich die Strahlquerschnittsfläche verdoppelt hat.

Sie errechnet sich aus der Fläche des Fokus, multipliziert mit einem Faktor (abhängig vom APO-Faktor), geteilt durch die Wellenlänge und Beugungsmaßzahl M² des Lasers.

Die Schärfentiefe des f-theta Objektivs, kann ungefähr mit der doppelten Rayleigh Länge abgeschätzt werden. Diese Abschätzung ist als grober Richtwert zu verstehen und erfüllt häufig nicht mehr die Schärfeanforderungen heutiger Anwendungen.