Strahlaufweitung

Strahlaufweitung ist ein Verfahren zur Vergrößerung oder auch Verkleinerung eines Licht- oder Laserstrahls, welches anhand eines optischen Systems (Strahlaufweitungssystem) realisiert wird.

Strahlaufweitungssysteme

Strahlaufweitungssysteme (auch Strahlaufweiter oder Beam Expander genannt) dienen der optimalen Anpassung der Strahlquerschnitte zwischen Lichtquellen (z.B. Lasern) und den nachfolgenden optischen Elementen. Speziell für Strahlformung und Fokussierung mit hohen numerischen Aperturen ist eine zielgenaue Ausleuchtung der optisch wirksamen Fläche essentiell. Die verbreitetsten Grundprinzipien afokaler Strahlaufweitungssysteme gehen auf die Fernrohre nach Kepler und Galilei zurück.

Klassische Strahlaufweitungssysteme

Der Aufbau eines Kepler Fernrohrs stellt das einfachste Prinzip eines Strahlaufweitungssytems dar. Hierbei werden zwei Sammellinsen mit unterschiedlichen Brennweiten kombiniert. Die Vergrößerung bzw. Verkleinerung des Strahlquerschnittes ergibt sich dabei aus dem Quotient der Brennweiten

(1) $V=\frac{f_2}{f_1}$

Die Gesamtlänge dieses optischen Systems wird im Wesentlichen durch den Abstand der beiden Linsen bestimmt, welche über die Summe der Brennweiten abgeschätzt werden kann,

(2) $e=f_1+f_2$

Beim Galilei-Fernrohr wird die erste Sammellinse durch eine Zerstreuungslinse ersetzt, wodurch die Baulänge unter Beibehaltung des Vergrößerungsgrades verkürzt wird. Abbildung 1 zeigt sowohl ein Kepler (a) als auch ein Galilei (b) Fernrohr für eine 10-fache Vergrößerung (V=10).

Abbildung 1: Vergleich klassicher Systeme zur Strahlaufweitung für eine 10-fache Vergrößerung; (a) Kepler-Fernrohr, (b) Galilei-Fernrohr

Asphärisierung und flexible Vergrößerungsstufen

Bei den klassischen Strahlaufweitungssystemen werden sphärische Einzellinsen eingesetzt. Dadurch machen sich rasch sphärische Aberrationen bemerkbar. Bei einer hohen Anforderung an die Qualität der Wellenfront schafft die Asphärisierung einer der Linsenoberflächen Abhilfe. Die Form der Linsenoberfläche kann durch

(3) $z(h)=\frac{h^2}{R(1+\sqrt{(1-<!--\; -\; -->(1+k)\frac{h^2}{R^2}}}+\underset{i=2}{\overset{n}{\sum <!--\; \sum \; -->}}{A}_{2i}{h}^{2i}$

beschrieben werden.

Solche Systeme zur Strahlaufweitung sind typischerweise hinsichtlich der Form der optischen Flächen und der Linsenabstände für eine Wellenlänge optimiert. Sphärische Aberrationen können auf ein Minimum reduziert werden.

Mit dem Hinzufügen einer weiteren optischen Gruppe erhält das Strahlaufweitungssystem zusätzliche Flexibilität hinsichtlich der einstellbaren Vergrößerungsstufen. Dies kann am einfachsten mit einem symmetrischen Zoomsystem realisiert werden, welches aus drei Einzellinsen besteht (Sammellinse-Zerstreuungslinse-Sammellinse). Dabei müssen zwei Linsen ihre Position ändern können, damit für jede Vergrößerungsstufe ein afokaler Strahlengang gewährleistet wird. Je nach Anforderung kann ein solches System sehr komplex werden, wodurch die Anforderungen an die mechanische Fassung steigen.

Monolithische Strahlaufweitungssysteme

Einen leicht veränderten Ansatz verfolgen monolithische Strahlaufweitungssysteme, die in ihrem Wirkprinzip einem Galilei Fernrohr entsprechen, aber aus nur einem optischen Element – einer Meniskuslinse – bestehen. Die beiden optisch wirksamen Flächen haben einen gemeinsamen Krümmungsmittelpunkt. Das Prinzip dieser sogenannten Nulllinsen ist schon sehr lange bekannt, allerdings weisen sie in ihrer ursprünglichen Ausführung mit zwei sphärischen Flächen starke Öffnungsfehler auf und sind damit nur für sehr kleine Eingangsstrahldurchmesser und sehr geringe Vergrößerungen einsetzbar.

In Abbildung 2(a) ist der Strahlenverlauf in einer solchen sphärischen Linse schematisch dargestellt. Werden diese optischen Elemente an einer der beiden Flächen asphärisiert, lassen sich die Öffnungsfehler korrigieren und ein afokales System auch für große Eingangsstrahldurchmesser realisieren.

Abbildung 2: Schematisch Vergleich zwischen sphärischer und asphärischer Strahlaufweitung

Die Verbesserung der optischen Eigenschaften ist im Vergleich in Abbildung 2 deutlich sichtbar. Die Vergrößerung entspricht in beiden Fällen V=2, wobei der Eingangsstrahldurchmesser um Faktor 2 verschieden ist. Die maximal erreichbare Vergrößerung eines solchen Einzelelements liegt bei V = 2. Abgeschätzt wird dies über die paraxiale Vergrößerung

(4) $V=\frac{d}{r}\ast <!--\; \ast \; -->\frac{n-<!--\; -\; -->1}{n}$

wobei n der Brechungsindex des Glases, r der Radius der konkaven Seite und d die Mittendicke sind.

Wie sich zeigt, sind die Einzelelementvergrößerungen der monolithischen Galilei Fernrohre aufgrund der Baulängenbegrenzung verhältnismäßig gering. Da es sich aber um afokale Strahlaufweitungssysteme handelt, können sie „in Reihe geschaltet“ hintereinander im Strahlengang den Eingangsstrahl sukzessive vergrößern (Abbildung 3c).

Vergleich der Strahlaufweitungssysteme Kepler- und Galilei-Fernrohr mit dem a|BeamExpander in einer Kaskade Abbildung 3: Vergleich der Systeme für eine 10-fache Strahl­auf­wei­tung ((a) Kepler-Fernrohr, (b) Galilei-Fernrohr) erweitert um as­pher­icons a|Bea­m­Ex­pan­der. Dieser erreicht eine bis zu 50 % kürzere Ge­samt­län­gen - auch bei Anwendung in einer Kaskade.

Verschiedene Vergrößerungsstufen ermöglichen sowohl starke Vergrößerungen mit minimalem Platzbedarf (Nutzung V = 2) als auch feinere Schrittweiten (Nutzung V = 1,5 und V = 1,75). Aufgrund der afokalen Auslegung der Einzelelemente können die Meniskuslinsen auch beliebig orientiert im Strahlengang stehen.

Die Verwendung monolithischer Strahlaufweitungssysteme im Kaskadenaufbau involviert wesentlich mehr optische Flächen als die konventionellen Optiksysteme (siehe Abbildung 3). Darüber hinaus ist jede zweite Fläche asphärisch! Für ein solches Kaskadensystem zur flexiblen Strahlaufweitung sind sehr hohe Oberflächengüten der Einzelelemente erforderlich. Voraussetzung für eine vielfältige Kombinationsmöglichkeit bei der späteren Nutzung ist, dass jedes einzelne Element über die gesamte freie Apertur deutlich besser als die Anforderung „beugungsbegrenzt“ sein muss, d.h. Wellenfrontfehler RMS< λ/14.

Werden zudem auch gleichzeitig die Mittendicke und die Dezentrierung der Flächen sehr genau gefertigt, so kann man von einem völlig justagefreien Strahlaufweitungssystem sprechen, da alle Justagefreiheitsgrade durch die Fertigung als monolithisches Element bereits in einem Optimum fixiert sind. Auch das Einbringen weiterer monolithischer Elemente zur Veränderung der Vergrößerungsstufe erfolgt damit völlig justagefrei und somit schnell und unkompliziert.

Anwendungsgebiete

Beam Expander werden hauptsächlich für Forschungsarbeit im Optiklabor eingesetzt, wo sie beispielsweise zur Lasernachverstärkung oder zur Verbesserung der Nutzbarkeit des Optikaufbaus verwendet werden. Auch in den Forschungs- und Entwicklungsabteilungen von Luft- und Raumfahrt, Biotechnologie, Bildgebung, Materialforschung sowie Materialverarbeitung, insbesondere der Lasermaterialbearbeitung, kommen Strahlaufweitungssysteme zum Einsatz.