Axicons zur Strahlformung - Erzeugung und Anwendung von Bessel-Strahlen

Axicons ssind konische Linsen, welche ein ringförmiges Strahlprofil erzeugen und in der wissenschaftlichen Forschungsarbeit bzw. bei verschiedenen Laser-Anwendungen eingesetzt werden. Sie können sowohl konvex als auch konkav sein und aus nahezu jedem optischen Material hergestellt werden. Durch die Kombination mit weiteren Axicons oder Linsen lassen sich vielfältige Strahlprofile erzeugen, von ringförmigen Verteilungen bis hin zu sogenannten Bessel-Strahlen. Die Bessel-Strahlformung mittels Axicon zählt dabei zu den am häufigsten genutzten Methoden in Forschung und Industrie.

Was ist Bessel-Strahlung? Eigenschaften von Bessel-Strahlen

Ein Bessel-Strahl ist ein spezielles, idealerweise nicht beugendes Lichtfeld, dessen Intensitätsverteilung quer zur Ausbreitungsrichtung der mathematischen Bessel-Funktion folgt. Im Gegensatz zu einem klassischen Gaußstrahl, der sich mit zunehmender Propagationsdistanz aufweitet, behält ein idealer Bessel-Strahl über einen langen Bereich nahezu seinen Durchmesser bei. Charakteristisch ist außerdem ein zentrales, intensives Maximum, das von konzentrischen, schwächeren Ringen umgeben ist.

Zu den wichtigsten Eigenschaften von Bessel-Strahlen zählen:

• Geringe Beugung über eine vergleichsweise große Distanz (sog. “non-diffracting beam”)
• Selbstheilungseffekt: Wird der Strahl teilweise durch ein Hindernis blockiert, stellt sich das ursprüngliche Profil nach kurzer Distanz wieder her
• Konstante zentrale Intensität entlang der Bessel-Zone

Wie erzeugt man einen Bessel-Strahl? Erzeugung von Bessel-Strahlen mittels Axicons

Abb. 1 Erzeugen von Besselstrahlen

Axicons werden üblicherweise verwendet, um eine ringförmige Lichtverteilung in einer beliebigen Bildebene zu erzeugen (Abb. 1). Diese Form der Bessel-Strahlformung mittels Axicon (Bessel-Verfahren) gilt als eine der einfachsten und zuverlässigsten Methoden, einen Bessel-ähnlichen Strahl aus einem gewöhnlichen Laserstrahl zu erzeugen.

Die Besonderheit besteht dabei in der Generierung von (nicht beugenden) Bessel-ähnlichen Strahlen, deren Eigenschaften hauptsächlich vom Axiconwinkel α bestimmt werden (Abb. 1). Für eine Vielzahl von Anwendungen gibt es folglich zwei Bereiche von Interesse:

• ein langer Bereich mit einer fast konstanten Intensitätsverteilung (a) und
• eine ringförmige Fernfeldintensitätsverteilung (d).

Die Länge (a) hängt vom Winkel (α) des Axicons und dem Durchmesser (ØEP) des Eingangsstrahls ab, wobei die Höhe des Besselstrahls nur vom Winkel abhängt. Der Durchmesser der ringförmigen Fernfeldintensitätsverteilung (d) hängt von der Entfernung (l) ab und verhält sich proportional zur Länge (l). Dabei beträgt die Ringweite ca. die Hälfte des Durchmessers des Eingangsstrahls.

Abb. 1 Erzeugen von Besselstrahlen

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Abb. 2 Erzeugen von Besselstrahlen durch ein Axicon

Alternative Methoden der Erzeugung von Bessel-Strahlen

Neben dem klassischen Axikon-Bessel-Strahl-Ansatz gibt es weitere Verfahren zur Erzeugung von Bessel-Strahlen, die je nach Anwendung zum Einsatz kommen:

• Ringschlitz-Blende mit Fourier-Linse: Eine ringförmige Apertur in der Brennebene einer Linse erzeugt im Fernfeld ein Bessel-ähnliches Profil
• Diffraktive Optische Elemente (DOE): Speziell berechnete diffraktive Strukturen können das Strahlprofil eines Gaußstrahls direkt in ein Bessel-Profil überführen
• Kombination aus Axicon und Zylinderlinse: Für bestimmte Anwendungen, etwa zur Erzeugung linienförmiger Foki, wird das Axicon mit einer Zylinderlinse kombiniert, um eine Bessel-ähnliche Verteilung entlang einer Achse zu erzeugen

In der Praxis bietet der Axicon-Ansatz jedoch meist die beste Kombination aus Effizienz, Robustheit und einfacher Integration in bestehende Laserstrahlformung-Systeme.

Anwendungsgebiete von Axicons und Bessel-Strahlen

Axicons werden in der wissenschaftlichen Forschungsarbeit und bei verschiedenen Laseranwendungen eingesetzt, welche ein ringförmiges Strahlprofil erfordern (Abb. 3). Hauptsächlich kommen sie in folgenden Bereichen zur Anwendung:

• Astronomie
• Medizin (z.B. bei der Augenchirurgie)
• Biologie
• Wellenoptik
• Materialbearbeitung mit ultrakurzen Laserpulsen (Bessel-Strahlen Anwendungen zum Bohren feinster Löcher und Schneiden transparenter Materialien)
• …

Um einen kollimierten Ringstrahl zu erzeugen, werden zwei Axicons miteinander kombiniert. Durch die Variation des Abstandes zwischen diesen, kann der Durchmesser des Rings eingestellt werden (Abb. 3). Auch in der Laser-Augenchirurgie werden Axicons genutzt (Abb. 4). Die Fähigkeit, einen Laserstrahl in ein ringförmiges Strahlprofil zu fokussieren, ist bei der Glättung und dem Abtrag von Hornhautgewebe hilfreich.

Abb. 3 Erzeugung eines kollimierten ringförmigen Strahls mit variablen Durchmesser durch Veränderung des Abstands zwischen den Axicons.

Abb. 4 Erzeugung von variablen Ringfoki. Durch Verschieben des letzten Axicons variiert der Ringdurchmesser.

Des Weiteren werden Axicons für optische Fallen verwendet. Der Ringfokus (Abb. 5) wirkt anziehend oder abstoßend auf Mikropartikel und Zellen, wodurch diese im Zentrum des Ringes gefangen und gehalten werden können.

Eine weitere Anwendungsmöglichkeit ist die Erzeugung von Besselstrahlen, deren Breite und Länge vom Eingangsstrahldurchmesser abhängt (Abb. 6). Um die Breite und Länge des Besselstahls zu variieren, wird das Axicon mit verschiedenen Beam Expandern kombiniert.

Abb. 5 Erzeugung eines Ringfokus – Änderung des Abstandes durch die Brennweite der Linse, Änderung des Durchmessers durch den Axiconwinkel.

Abb. 6 Optimierung der Ausleuchtung des Axicons, um die Länge des Besselstrahls zu variieren.

Korrektur sphärischer Aberration mit Axicons

Die sphärische Aberration gehört zu den grundlegendsten Abbildungsfehlern sphärischer Linsen. Hierbei bilden achsparallele Strahlen nach dem Durchgang durch die Sphäre keinen gemeinsamen Brennpunkt. Die Verwendung von Axicons kann auch hier Abhilfe schaffen. Wird der ausgeleuchtete Bereich der Linse auf einen Ring reduziert (Abb. 7), verbessert sich die Fokusqualität der Linse. Dieses Phänomen kann mit der sogenannten zonalen Zerlegung der sphärischen Oberfläche erklärt werden. Wird nur eine dieser Ebenen mit einem ringförmigen Eingangsstrahl beleuchtet, können Effekte der sphärischen Aberration minimiert werden. Durch eine Änderung des Abstandes zwischen den Axicons ist es möglich, die ringförmigen Zonen zu variieren und folglich den erzeugten Fokus entlang der optischen Achse zu verschieben. Wird im selben Aufbau die Sphäre durch eine Asphäre ausgetauscht (Abb. 8), ist sogar eine Fokussierung unterhalb der Beugungsgrenze möglich.

Abb. 7 Brennweitenanpassung einer sphärischen Linse durch Veränderung des Abstands zwischen den Axicons.

Abb. 8 Verkleinerung der Fokusbreite einer Asphäre – Fokussierung unterhalb der Beugungsgrenze wird möglich.

Ausrichtung und Verkippung: Herausforderungen bei der Justage von Axicons

Im optischen Design bildet der Verbund von zwei Axicons einen perfekt kollimierten ringförmigen Strahl. Diese Ausrichtung zueinander stellt in der Realität eine Herausforderung dar.

Zum einen muss der Axiconwinkel beider Linsen innerhalb einer Abweichung von 0.05° zueinander liegen. Zum anderen müssen die optischen Achsen beider Komponenten zueinander ausgerichtet werden. Bereits kleinste Verkippungen (>1ʺ) führen zu erheblicher Verzeichnung der Ringform.

Eine Möglichkeit, dies zu vermeiden, ist die Verwendung von gefassten Axicons. asphericon hat speziell für Axicons Fassungen mit einem Außendurchmesser von 30 mm entwickelt, die einfach via Adapter in vorhandene optische Systeme integriert werden können. Die perfekt zur optischen und mechanischen Achse ausgerichteten Axicons bieten auch komfortable Lösungen für Laseranwendungen. Erfahren Sie mehr über die gefassten Optiken und Adapter in unserem Webshop.

Fazit

Axicons sind ein vielseitiges Werkzeug der Laserstrahlformung und ermöglichen die effiziente Erzeugung von Bessel-Strahlen mit ihren charakteristischen Eigenschaften wie z.B. geringer Beugung. Ob in der Augenchirurgie, der Materialbearbeitung oder bei optischen Fallen — die Bandbreite der Bessel-Strahlen Anwendungen macht Axicons zu einer wichtigen Komponente moderner Optik.

Weiterführende Informationen

„Beam shaping concepts with aspheric surfaces“ von U. Fuchs, D. Braun und S. Wickenhagen. Erschienen in Proc. SPIE 9581, Laser Beam Shaping XVI, doi:10.1117/12.2186524, September 2015