Technikon: Laser Optik - Grundlegende Erklärungen

Übersicht

< zurück zur Übersicht: Laser Optik

< zurück zur Lexikonübersicht

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.

< zurück zur Übersicht

Datenblätter, technische Zeichnungen und CAD-Modelle

Für alle Katalogprodukte sind Datenblätter auf der Homepage zum Herunterladen verfügbar. Unter dem Menüpunkt "Produkte" → "Laser Optik" befinden sich allgemeine Produktbeschreibungen zum ausgewählten Überbegriff. Die blau gefärbte Auswahl "Produkttabelle" führt zu einer interaktiven Tabelle aller passenden Katalogartikel. Dort befindet sich auch in der Spalte "Download" in jeder Zeile ein kleines Menü zum Herunterladen von Datenblättern. Auch technische Zeichnungen und 3D CAD-Dateien stehen bereit.

< zurück zur Übersicht

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.

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 532 nm entwickelt und spezifiziert wurde, ist eine Nutzung im Bereich von 515 nm bis 545 nm trotzdem ohne weiteres möglich.

Absorption und thermische Fokusverschiebung

Grundproblematik

Immer leistungsstärkere Laser bringen heutzutage normale optische Gläser in Bezug auf akzeptable thermische Effekte an ihre Grenzen: Bei der Bestrahlung der optischen Gläser wird ein Teil der Laserenergie im Material absorbiert. Das führt zu einer Erhitzung, die sich durch zwei Haupteinflüsse auf die optischen Eigenschaften auswirkt. Einerseits ändert die Erwärmung den Brechungsindex von Glas. Andererseits führt die thermisch bedingte Ausdehnung zu einer Änderung der Linsenkrümmung und somit zu einer Änderung der Brechungseigenschaften. Bereits bei der Anwendung von Lasern mit einer mittleren Leistung von 50 W bei 1064 nm führt eine Fokusverschiebung zu einer sinkenden Prozessqualität und somit zu notwendigem Nachjustieren während des Prozesses.

 

Mögliche Lösung

Eine Alternative zu optischen Gläsern ist die Anwendung von Quarzglas. Es ist eine sehr harte Glassorte, die sich durch ihren geringen Absorptionskoeffizient von optischen Gläsern abhebt. Daher wird es typischerweise zur Reduktion thermischer Effekte und zur Steigerung der Zerstörschwelle genutzt.

 

Andere Einflüsse auf die Absorption

Die Sauberkeit von optischen Komponenten spielt eine wichtige Rolle für Absorption und thermische Effekte. Gerade größere Staubpartikel absorbieren Laserstrahlung besonders stark. Aber auch Mikropartikel oder andere Verunreinigungen (z.B. Fingerabdrücke) auf Linsenflächen können die Absorption erhöhen. Diese Partikel sind für das menschliche Auge nicht sichtbar, aber dennoch messbar. Messungen zeigen, dass die Absorption mit der Dauer seit der letzten Reinigung steigt. Durch eine erneute Linsenreinigung lassen sich die Absorptionswerte wieder auf den Ursprungszustand zurücksetzen.

Daher wird bei Objektiven eine regelmäßige Reinigung der außen liegenden Flächen empfohlen. Bei internen Linsenelementen konnte eine solche Absorptionserhöhung nicht beobachtet werden. Eine regelmäßige Reinigung ist in diesem Fall nicht notwendig.

Hier finden Sie weitere Informationen über die Sauberkeit von Linsen und Objektiven:

 

> Handhabung und Reinigung von Optiken

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. 

< zurück zur Übersicht

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

Rückwärtsbetrieb

Für einige Anwendungen ist eine Strahlverkleinerung statt einer -vergrößerung nötig. Da sich Licht im Vorwärtsstrahlengang genauso verhält, wie im Rückwärtsbetrieb, kann man einen Strahlaufweiter mit der Vergrößerung x umdrehen und erhält eine Vergrößerung von 1/x. Auch f-Theta Objektive werden gelegentlich im Rückwärtsbetrieb genutzt. Wegen der veränderten Linsenreihenfolge sind Strahlaufweiter oder f-Theta Objektive, die im normalen Betrieb geistfrei sind, nicht zwingend auch im Rückwärtsbetrieb geistfrei.

Die Zeile „no internal ghosts, reversed usage“ aus dem Datenblatt gibt an, ob ein Strahlaufweiter auch im Rückwärtsbetrieb geistfrei und somit UKP tauglich ist. Falls Sie bei einer Rückwärtsanwendung von f-Theta Objektiven oder Strahlaufweitern unsicher sind, können Sie jederzeit gerne nachfragen. Mit Hilfe der Systemdaten (Wellenlänge, Eingangsstrahldurchmesser, Pulsdauer, Pulsenergie und cw Leistung) lässt es sich sowohl im Vorwärts- als auch im Rückwärtsbetrieb leicht prüfen, ob ein Objektiv für einen Laser geeignet ist.

< zurück zur Übersicht

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.

< zurück zur Übersicht

 

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 (1/e²)

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 = 6,00 mm und einmal für d= 10,0 mm eines Gaußstrahles berechnet. Annahme: Benutzung des f-Theta Objektivs S4LFT4010/292, mit einem frequenzverdoppeltem Nd:YAG Laser bei 532 nm mit einer Beugungsmaßzahl M² = 1,2. Das Objektiv besitzt eine Brennweite von f‘ = 100 mm. Ein weiterer sehr wichtiger Wert zur Bestimmung des Beschneidungsverhältnisses T, ist die freie Apertur. Diese ist nicht die freie Apertur des f-Theta Objektivs (Ø 35 mm), sondern meist ist der begrenzende Faktor die Strahleneigangsöffnung am Scan-System. Nehmen wir in diesem Fall einen sehr typischen Wert von dEP = 10,0 mm an.

Beispielrechnung 1

f’ = 100 mm, λ = 532 nm, dEP = 10,0 mm, M² = 1,2, dL = 6,00 mm

Beispielrechnung 2

f’ = 100 mm, λ = 532 nm, dEP = 10,0 mm, M² = 1,2, dL = 10,0 mm

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.

Faserabbildung

Für viele Anwendungen ist es vorteilhaft große Fokusdurchmesser zu verwenden (z.B. Schweißen). Hier kommen dann oft fasergeführte Laser zum Einsatz, die im Gegensatz zu Faserlasern eine eher schlechte Strahlqualität (M² Wert) haben. Zur Kollimation werden immer mehr Asphären eingesetzt, die wir auch kundespezifisch anbieten. Die Fokussierung übernimmt dann in Schneidköpfen typischerweise eine Asphäre oder bei Scannersystemen ein f-Theta Objektiv.

Die erreichte Fokusgröße lässt sich recht gut über das Verhältnis der verwendeten Brennweiten berechnen: Der Quotient aus Brennweite der Fokussierung f2 zu Brennweite der Kollimation f1 ist der Faktor M = f2 / f1, um den der Faserkern vergrößert abgebildet wird. Eine Verkleinerung ist auch denkbar, aber weniger gebräuchlich und hat eine physikalische Grenze.

Beispielrechnung

dfiber = 200 µm, f1 = 50,0 mm, NAfiber = 0,22, f2 = 150,0 mm

dfocus = Spotdurchmesser
dfiber = Faserkerndurchmesser
f1 = Kollimationsbrennweite
NAfiber = NA der Faser
f2 = Fokussierbrennweite

 

Die obige Berechnung ist dabei nur eine grobe Abschätzung, deren Wert bei unterschiedlichen Brennweiten stark abweichen kann. Einen genaueren Wert erhält man unter Verwendung der numerischen Aperturen wie folgt:

α =halber Öffnungswinkel
dcoll = Durchmesser des kollimierten Strahls
NAfocus = Numerische Apertur auf der Fokusseite
MNA = genaue Vergrößerung (NA-Berechnung)

< zurück zur Übersicht