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Shape it ‘til you make it – Top-Hat Strahlformung mit Asphären

18.09.2017 | Thema: Asphäre, Strahlformung

In den meisten Laseranwendungen kommen gaußförmige Strahlprofile zum Einsatz. Allerdings gibt es Einsatzfelder, in denen eine homogene Intensitätsverteilung (sogenannte Top-Hat-Verteilung) innerhalb des gesamten Strahldurchmessers benötigt wird, beispielsweise um eine optimale Ausleuchtung zu erzeugen. Vor allem in den Bereichen Messtechnik, Mikroskopie oder Materialbearbeitung spielen deshalb homogene Intensitätsverteilungen eine Rolle. Wie Asphären zur Strahlformung bzw. der Erzeugung von Top-Hat Profilen eingesetzt werden können, zeigt der folgende Beitrag.

Erzeugung homogener Intensitätsverteilungen mit a|TopShape

Eine kollimierte Top-Hat Verteilung kann, ausgehend von einem kollimierten Gaußstrahl, durch Strahlformung mit Asphären erzeugt werden. Die Idee dahinter ist nicht neu: Man verwendet eine asphärische Linse, welche die Strahlen des eingehenden Strahlbündels so umverteilt, dass sich in einem bestimmten Abstand eine homogene Intensitätsverteilung einstellt. Mit einer zweiten Asphäre wird das Strahlbündel anschließend wieder kollimiert. Ein Nachteil bestehender Systeme ist der große Anstand zwischen den Asphären und die daraus resultierende Baugröße. Benötigt wird dieser Abstand, um fertigungsbedingte Unvollkommenheiten der Linsenoberfläche zu kompensieren.

Schematische Darstellung des Strahlformungssystems a|TopShape zur Erzeugung von Top-Hats

Abbildung 1) Schematische Darstellung des Strahlformungssystems a|TopShape in Kombination mit dem Faserkollimator a|AspheriColl und a|BeamExpander zur flexiblen Anpassung der Eingangs- und Ausgangsstrahldurchmesser.

asphericon bietet mit dem a|TopShape ein sehr kompaktes System, welches nur noch halb so groß ist, wie bisherige Systeme zur Strahlformung. Möglich ist die verringerte Baulänge unter anderem durch die hohe Genauigkeit der asphärischen Flächen. Im Ergebnis erhält man ein Top-Hat Profil, welches mit Hilfe von a|BeamExpandern und a|AspheriColl flexibel an die unterschiedlichsten Aufgaben angepasst werden kann. Ein Beispiel für einen Aufbau mit Faserkopplung und die Skalierung von Ein- und Ausgangsstrahl ist in Abbildung 1 dargestellt.

Anwendung des a|TopShape im Labor

Die Abbildung 2 zeigt einen experimentellen Aufbau aus a|TopShape in Verbindung mit zwei a|BeamExpander und einem a|AspheriColl zur Faserkopplung. Der komplette Aufbau beansprucht hier nur einen Bauraum von ca. 200 mm. Mittels einer Strahlprofilkamera (Ophir SP928) wurde die resultierende Intensitätsverteilung bei einer Wellenlänge von 635 nm im Arbeitsabstand von 100 mm gemessen (vgl. Abbildung 3). Die Intensitätsverteilung weist für diesen Aufbau eine ISO Plateau Homogenität von 0,33 und eine ISO Flankensteilheit von 0,4 auf. Dabei ist zu beachten, dass das aufgenommene Strahlprofil nach dem Durchgang durch 12 Flächen, 6 davon sind asphärisch, entstanden ist.

Abbildung 2) Experimenteller Aufbau bestehend aus: a|AspheriColl, zwei a|BeamExpandern und a|TopShape.

Abbildung 2) Experimenteller Aufbau bestehend aus: a|AspheriColl, zwei a|BeamExpandern und a|TopShape.

Des Weiteren wurde die resultierende Wellenfront mit einem hochgenauen Sensor von Phasics SID4-HR-307c (300 x 400 pts) erfasst. Aufgrund der limitierten Sensorgröße, wurde der Aufbau zur Strahlformung in Abbildung 2 um einem weiteren a|BeamExpander ergänzt und somit der Strahldurchmesser auf das erforderliche Maß reduziert. Die resultierende Wellenfront hat, nach Durchgang durch 14 Flächen, 7 davon asphärisch, einen RMS Wellenfrontfehler von 0,05 λ, was einem Strehl von 0,9 entspricht (λ = 632).

Abbildung 3a) Gemessenes Strahlprofil und 3b) gemessene Wellenfront unter Verwendung einer kohärenten Laserquelle.

Abbildung 3a) Gemessenes Strahlprofil und 3b) gemessene Wellenfront unter Verwendung einer kohärenten Laserquelle.

Im Experiment konnte eine stabile Top-Hat-Intensitätsverteilung über mindestens 300 mm entlang der optischen Achse beobachtet werden. Anwendung findet der a|TopShape häufig in den Bereichen Beleuchtung und Messtechnik, aber auch in der Fluoreszenzmikroskopie.

Erzeugung homogener Intensitätsverteilungen im Fokus mit a|AiryShape

Die Materialbearbeitung mit Lasern ist weit verbreitet, beispielsweise werden sie zum Bohren oder Schneiden von Metall eingesetzt. Nutzt man dafür einen Laser mit gaußförmigem Strahlprofil, wirkt sich die am Rand des Strahls abfallende Intensität auf die Qualität der Schneidkante aus (Vgl. Abbildung 4). Für hochwertige Ergebnisse sind weitere Schnitte notwendig, was wiederum Auswirkungen auf die Effizienz des Prozesses hat.

Abbildung 4) Einflüsse des Strahlprofils auf die Ergebnisse der Materialbearbeitung

Abbildung 4) Einflüsse des Strahlprofils auf die Ergebnisse der Materialbearbeitung; nach Kanzler, K., “How much Energy are you throwing away?” Photonics Spectra 7(40), (2006).

Eine homogene Intensitätsverteilung im Fokus kann das Problem beheben, denn sie ermöglicht einen gleichmäßigen Wärmeeintrag ins Material, wodurch glatte Schnittkanten entstehen.

Durch die Verwendung des a|AiryShape in Kombination mit einer Fokussieroptik können, je nach Anforderung, verschiedene Strahlprofile (Top-Hat- oder Donut-Verteilung) in unterschiedlichen Größen erzeugt werden. Das Wirkprinzip des a|AiryShape basiert auf der Beugungstheorie und Fourier-Transformation. Dabei wird die gaußförmige Intensitätsverteilung eines kollimierten Strahls zunächst mit Hilfe einer Phasenplatte in eine Bessel-sinc-Verteilung (Airy-Verteilung) umgewandelt. Anschließend entsteht aufgrund der Fouriertransformation eine Top-Hat Verteilung im Fokus einer Linse.

Abbildung 5 zeigt schematisch einen Aufbau zur Strahlformung aus a|AirySape in Kombination mit a|BeamExpander zur Strahlanpassung und a|AspheriColl zur Faserkopplung sowie einer Fokussierlinse. Der Durchmesser des Top-Hat-Profils im Fokus lässt sich hier über die Wahl der Brennweite skalieren.

Schematische Darstellung des Strahlformungssystems a|TopShape zur Erzeugung von Top-Hat Profilen

Abbildung 5) Schematische Darstellung des Strahlformungssystems a|AiryShape in Kombination mit a|BeamExpander sowie einem a|AspheriColl und einer Fokussierlinse (f = 200 mm).

Ein weiteres Einsatzfeld des fokussierten Top-Hat ist die additive Materialbearbeitung, das sogenannte 3D Drucken. Hier wird der Top-Hat Fokus eingesetzt, um durch Lasersintern größere Flächen innerhalb von zuvor gesinterten feinen Kontouren zu füllen.

Anwendung des a|AiryShape im Labor

Experimenteller Aufbau bestehend aus den folgenden Komponenten: a|AspheriColl, zwei a|BeamExpander, a|AiryShape und einer Fokussierlinse (f = 200 mm) zur Erzeugung Top-Hat Fokus

Abbildung 6) Experimenteller Aufbau bestehend aus den folgenden Komponenten: a|AspheriColl, zwei a|BeamExpander, a|AiryShape und einer Fokussierlinse (f = 200 mm).

Ein experimenteller Aufbau, bestehend aus a|AspheriColl zur Faserkopplung und a|BeamExpander zur Skalierung des Strahls sowie einem a|AiryShape-Element und einer Fokusierlinse (f=200 mm), zur Charakterisierung des beschriebenen Strahlformungssystems, ist in Abbildung 6 dargestellt. Die Gesamtlänge des Systems beträgt ca. 150 mm. Der a|AiryShape bietet gemäß seines Wirkprinzips den Vorteil, dass mit einem Aufbau mehrere Intensitätsverteilung in unterschiedlichen Ebenen erzeugt werden können. Um die Strahlprofile mit der Strahlprofilkamera (Ophir SP928) sichtbar zu machen, muss also lediglich die Bildebene entlang der optischen Achse verschoben werden. Die fünf charakteristischen Strahlprofile (drei verschiedene Top-Hat-Verteilungen, die Strahltaille und eine Donut-Verteilung) wurden ebenfalls mit der Strahlprofilkamera detektiert und sind in der Abbildung 7 dargestellt. Zusätzlich sind Größen und Abstände angegeben.

Übersicht zur Strahlprofilmessung beim a|AiryShape, 2D- und Querschnittsdarstellung der charak-teristischen Strahlprofile (λ=635 nm)

Abbildung 7) Übersicht zur Strahlprofilmessung beim a|AiryShape, 2D- und Querschnittsdarstellung der charakteristischen Strahlprofile (λ=635 nm)

Flexible und robuste Strahlformung mit Asphären

Die zwei vorgestellten Strahlformungssysteme ermöglichen eine flexible und qualitativ hochwertige Strahlformung. Ein entscheidender Vorteil beider Komponenten liegt in der modularen Auslegung. Damit können beide Systeme nicht nur mit einem kollimierten Freistrahl, sondern auch mit einer fasergekoppelten Quelle verwendet werden. Darüber hinaus lässt sich der Ein- und Ausgangsstrahl skalieren, sodass beide Systeme auch einfach in bestehende Aufbauten integriert werden können. Für die reibungslose Handhabung sorgen hier außerdem metrische Feingewinde an allen Komponenten. Die hochgenaue Montage der optischen Elemente in ihrer Fassung ermöglicht die perfekte Ausrichtung innerhalb des Strahlengangs.