Technikon: F-Theta Objektive

Übersicht

Allgemeine Informationen

Objektive, die in Kombination mit XY-Galvanometerscannern oder Polygonscannern verwendet werden, sind als ƒ-Theta Objektive, Flachfeldobjektive oder auch Scanobjektive bekannt.

Unsere ƒ-Theta Objektive finden ihre Anwendung in unterschiedlichen Einsatzgebieten, wie der industriellen Materialbearbeitung (z.B. Strukturieren, Bohren, Schweißen, Schneiden etc.), in der Medizintechnik und Biotechnik (konfokale Mikroskopie, Ophthalmologie) und in Wissenschaft und Forschung. Das Design und die Qualität der optischen Komponenten spielen dabei eine entscheidende Rolle.

Standardlinsen würden in Kombination mit einem Scan-System den Laserstrahl auf eine Kugelschale abbilden, jedoch nicht auf ein ebenes Feld. Mit ƒ-Theta Objektiven wird der Laserfokus auf einem ebenen Bildfeld positioniert, wobei die Fokusgröße nahezu konstant bleibt. Die Lage des Fokuspunktes (Bildhöhe) ist proportional zum Scanwinkel.

Den Berechnungen der Scanlänge und des Scanbereichs unserer ƒ-Theta Objektive, liegt das geometrische Design typischer Scan-Systeme mit gegebenen Spiegelabständen zugrunde. Werden die Optiken in Ablenksystemen eingesetzt, die hiervon abweichen bzw. wird ein anderer Strahldurchmesser verwendet, können sich Scan-Längen und Scan-Bereiche verändern. Bei diesen Systemen sollte der „Aperturabstand“ in der geometrischen Mitte der beiden Spiegelabstände zur Fassungskante des Objektivs stehen. Die Werte berücksichtigen eine Vignettierung von max. 1%.

Kurzpulslaser (KP Laser) und Ultrakurzpulslaser (UKP Laser) stellen für Optiken besondere Herausforderungen dar:

KP Laser im Pikosekundenbereich emittieren relativ schmalbandig. Die Bandbreite liegt gewöhnlich im Bereich von 1 nm. Die Pulsspitzenleistungen können allerdings so hoch werden, dass nichtlineare Effekte (Farbzentren, Selbstfokussierung, Multiphotonenabsorption) in bestimmten Gläsern auftreten können.

Bei UKP Lasern im Femtosekundenbereich sind nichtlineare Effekte aufgrund der höheren Pulsspitzenleistungen deutlich wahrscheinlicher. Zudem emittieren die Laser spektral breiter. Dies führt zu sogenannten Farbfehlern, da Wellenlängenanteile quer und entlang zur Ausbreitungsrichtung versetzt fokussiert werden. Eine Verbreiterung des Fokus hat eine Reduzierung der Energiedichte zur Folge, womit der Vorteil der ultrakurzen Pulse zunichte gemacht wird. Hierzu bietet Sill eine spezielle Reihe farbkorrigierter Objektive an.

Eine generelle Aussage über die Verwendbarkeit bestimmter Objektive, ist aufgrund der deutlich unterschiedlichen verfügbaren Laser und Anwendungen im KP- und UKP-Bereich nicht möglich.

Optischer und mechanischer Scanwinkel

Der optische Scanwinkel beschreibt den maximalen Winkel, den der Laserstrahl bei Eintritt in die Optik haben darf um Vignettierung zu vermeiden. Verwechslungsgefahr besteht dabei mit dem mechanischen Scanwinkel, der die Verkippung der Galvo-Spiegel eines Scansystems beschreibt. Eine mechanische Verkippung um einen bestimmten Winkel führt zu einem doppelt so großen Winkel bezogen auf den optischen Strahlengang.

Scanlänge

Die Scanlänge ist die Diagonale des maximalen Bearbeitungsfeldes. Sie hängt vom Scanwinkel und dem Arbeitsabstand des Objektivs ab. Wichtig für die Auswahl eines telezentrischen Objektivs ist, dass die maximale freie Ausgangsapertur bzw. die Öffnung mindestens so groß sein muss, wie die gewünschte Scanlänge.

Apertur-Blende und Spiegel Positionen

F-Theta Objektive sind dazu ausgelegt, für verschiedenste Anwendungen einen Laserstrahl auf ein ebenes Bildfeld zu fokussieren. Sie werden sehr häufig mit einem Scansystem aus zwei Galvanometer-Spiegeln verwendet. Dabei deckt ein Spiegel eine Richtung und der zweite Spiegel die dazu senkrechte Richtung ab. Außerdem wird für Simulationsmethoden die Apertur-Blende genau mittig zwischen beide Spiegel gesetzt und ist heute eher noch als historisches Artefakt zu verstehen. An dieser Position befindet sich in der realen Anwendung keine Blende durch mechanische Begrenzungen oder Ähnlichem. Folgende Zeichnung illustriert eine schematische Aufreihung der Elemente entlang der optischen Achse.

Spot-Radius-Diagramm

Das Spot-Radius-Diagramm zeigt den Laserstrahlradius auf der Bearbeitungsfläche in Abhängigkeit der Position in X- und Y-Richtung anhand eines Farbverlaufs. Diese Skala reicht vom kleinsten Wert in Blau (alle Angaben sind in Mikrometer [μm]), bis hin zum größten Wert in Rot. Die Achsen decken dabei den gesamten maximalen Scanbereich ab. Dieser ist für das S4LFT4010/292 zum Beispiel 35x35mm. Die Achsenskala (PRAM) sind dabei die mechanischen (nicht die optischen!) Winkel der beiden Scanner-Spiegel.

Die Radiuswerte sind von der Strahlqualität des Lasers (Beugungsmaßzahl) und dem Eingangsstrahldurchmesser abhängig. Sill nimmt M² = 1 für die Simulationen an, sodass bei abweichenden Werten für die Beugungsmaßzahl, die Spotgrößen im Diagramm einfach mit dieser multipliziert werden können. Der Strahldurchmesser ist aber nicht immer bezogen auf den maximalen Eintrittsstrahldurchmesser des Objektivs. In manchen Anwendungen sind die nötigen Intensitäten so hoch, dass eine Vignettierung ab 1/e² inakzeptabel wäre. Details zum genutzten Eintrittsstrahl bei der Berechnung stehen daher immer unterhalb des Diagramms.

Wie im Beispielbild zu sehen ist, verändert sich der Spotradius je nach Position. Der Grund hierfür liegt darin, dass keine Optik komplett frei von Abbildungsfehlern sein kann. Die meisten sind darauf ausgelegt, Abbildungsfehler so zu minimieren, dass sie unterhalb der Beugungsgrenze liegen und damit nicht bemerkbar sind. Jedoch zeigen auch beugungs-begrenzte Objektive einen veränderlichen Spotradius, da die Beugungsbedingungen für jede einzelne Position auf der Bearbeitungsfläche schwanken.

Maximaler telezentrischer Fehler

Der maximale telezentrische Fehler gibt den maximalen Winkel an, den der Laserstrahl zur Senkrechten der Bearbeitungsfläche einnimmt. Während der Einfallswinkel auf der optischen Achse des Systems, also auch dem Mittelpunkt der Bearbeitungsfläche, Null ist, ist der maximale Telezentriefehler immer in den Ecken des Scanfeldes zu erwarten. Der Wert ist ein Qualitätsmerkmal für telezentrische Objektive oder die Angabe des maximalen Einfallswinkels für entozentrische optische Systeme. Perfekte Telezentrie ist nur mit einer perfekten Punktquelle möglich. Da aber in der typischen Anwendung zwei Spiegel vor dem Objektiv zum Auslenken genutzt werden, ist dies nicht gegeben. Allgemein gilt daher: je kleiner die Brennweite, je größer der Eingangsstrahldurchmesser und je größer die Spiegel, desto größer wird der  Telezentriefehler.

Objektivtyp Auswahlrichtlinie

Wie vorherige Erklärungen aufzeigen ist die richtige Auswahl eines Objektivs passend zum Laser und den Anforderungen eines Prozesses nicht einfach und eine allgemeingültige Aussage nicht möglich. Im Folgenden werden einige Eigenschaften von Sill Objektiven näher erläutert, um die Auswahl etwas zu vereinfachen.

Frei von Geistern

Geister (oder Rück-) Reflexionen entstehen durch die Reflexion von Licht an Linsenoberflächen, welche in einem anderen Objektivelement fokussiert werden.

Glasoberflächen reflektieren typischerweise etwa 4% des gesamten auf die Fläche einfallenden Lichtes. Linsen für Laseranwendungen werden daher oft mit einer Antireflexbeschichtung versehen, welche den Übergang des Lichts vom optisch dünnen Medium Luft in das optisch dichtere Medium des Glases überführen. Das reduziert die Reflexionen häufig unter 0,2%. Obwohl 0,2% wenig erscheinen, können bei einem gepulsten Laser die Spitzenleistungen im Geist Fokus Punkt die Zerstörschwelle der Beschichtung oder des Glases überschreiten.

Die meisten Objektive sind aus 2-6 Linsen aufgebaut. Die Lösung besteht darin, das Objektiv schon vom Design so auszulegen, dass keine Geister in oder nahe von Objektivelementen oder Scanner-Spiegeln entstehen. Für Laser mit hoher mittlerer Leistung (Kilowatt Bereich) und Kurzpulslaser werden solche „Geist freie“ Objektive sehr empfohlen.

Quarzglas mit absorptionsarmer Beschichtung

Quarzglas ist ein sehr widerstandsfähiges Material und weist außerdem einen geringen Temperaturausdehnungskoeffizienten im Vergleich zu anderen optischen Gläsern auf. Daher ist es eine beliebte Wahl für die Minimierung thermischer Fokusverschiebungseffekte. Sill verwendet zusätzlich besonders absorptionsarme Beschichtungen auf Quarz um thermische Einflüsse weiter zu verringern und die Zerstörschwelle zu erhöhen. Daher empfehlen wir diese Kombination sehr für eine Anwendung mit leistungsstarken oder kurz gepulsten Lasern.

Farbkorrektur

Farbkorrektur kann in zwei Arten verstanden werden: Sill bietet zum einen Objektive für die Verwendung mit mehreren Wellenlängen (z.B. 1064nm und 532nm) oder einem breitem Wellenlängenbereich (z.B. 405nm – 650nm) an. Die zweite Art der Farbkorrektur betrifft Ultrakurzpulslaser. Durch die sehr kurzen Pulse, ergibt sich auf Grund der Heisenbergschen Unschärferelation ein breiterer Wellenlängenbereich, bei dem Farbfehler normaler Objektive nicht mehr vernachlässigt werden können. Dies hat durchaus großen Einfluss auf die Qualität eines Prozesses. Dafür hat Sill eine neue Auswahl an extra farbkorrigierten Objektiven entworfen, die zusätzlich für eine Nutzung mit Ultrakurzpulslasern ausgelegt sind.