Strahlaufweitung - Ein einzigartiges System aus asphärischen Linsen

Konventionelle Strahlaufweitungs-Systeme können nur mit Aufwand angepasst werden, sind verhältnismäßig groß und nur für eine bestimmte Wellenlänge geeignet. Der weltweit erstmalige Einsatz einer asphärischen Linse in Beam Expandern zur Strahlaufweitung eröffnet gänzlich neue Möglichkeiten. Sphärische Aberrationen werden korrigiert und ein afokales System für große Eingangsstrahldurchmesser realisiert. Die asphärische Optik reduziert die Systemgröße um bis zu 50% im Vergleich zu aktuell marktüblichen Komponenten. Das asphericon System um den a|BeamExpander ermöglicht die Abdeckung eines breiten Spektrums: die Design-Wellenlängen reichen von 355, über 532, 632 und 780, bis hin zu 1064 nm. Ein intelligentes Montagekonzept erspart zeitraubende Anpassungen und sorgt für Präzision und Flexibilität. Entdecken Sie für Ihre Applikation die Vorteile der asphärischen Strahlaufweitung!

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a|BeamExpander

Entdecken Sie den weltweit ersten asphärischen und beugungsbegrenzten Strahlaufweiter. Der a|BeamExpander ist ein monolithisches Laserzubehör mit nur einer asphärischen Linse für höchste Präzision. Erleben Sie nahezu unbegrenzte Möglichkeiten mit bis zu 32-facher Strahlvergrößerung und optimierter Leistung für verschiedene Designwellenlängen (355, 532, 632, 780, 1064 nm) - individuell gemessen und zertifiziert. Dank seines innovativen Designs ist asphericon's Beam Expander sowohl als Einzelelement als auch in Kaskaden mit bis zu fünf weiteren beschichteten Elementen vollständig beugungsbegrenzt. Es stehen drei Vergrößerungsstufen zur Verfügung (1.5, 1.75, 2.0), die eine Aufweitung bis zum 32fachen erzielen können.

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  • Laser Beam Expander erhältlich in fünf Designwellenlängen [355 nm / 532 nm / 632 nm / 780 nm / 1064 nm]
  • max. Eingangsapertur 10,6 - 14,7 mm, max. Ausgangsapertur 22,5 mm
  • Verfügbar in den Vergrößerungsstufen 1,5 | 1,75 | 2,0
  • Bis zu fünf BeamExpander kombinierbar für eine Strahlaufweitung bis zum 32-fachen sowie über 230 Zwischenstufen
  • Vollständig beugungsbegrenzt - individuell gemessen und garantiert durch ein original asphericon Zertifikat
  • Laserzerstörschwelle: 12 J/cm², 100 Hz, 6 ns, 532 nm
  • Intelligentes Montagekonzept für einfache Handhabung

 

Strahlaufweitungssysteme (auch Beam Expander genannt) dienen der 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.

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).

 

Asphärisierung und flexible Vergrößerungsstufen

Bei 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) \( z(h) = \frac {h^2}{R(1+\sqrt{(1-(1+k) \frac{h^2}{R^2}}} + \sum_{i=2}^{n} A_{2i} h^{2i}\)

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.

 

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) \(V = \frac {d}{r} * \frac {n-1}{n}\)

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).

 

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.

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.

Die Qualität aller BeamTuning Elemente garantiert asphericon basierend auf einer hochauflösenden Wellenfront- bzw. Strahlprofilmessung für ausgewählte Komponenten auch durch eine Zertifizierung.

Den für Ihre Anwendung passenden Laser Beam Expander von asphericon finden? Mit unserem Konfigurator schnell und einfach nach gewünschter Zielaufweitung und/oder der Anzahl an a|BeamExpandern scannen und die errechneten Ergebnisse mit den eigenen Anforderungen abgleichen.
 

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Wellenfront- und Divergenzabweichungen sowie den Einfluss auf ultrakurze Laserpulse können Sie mit unserer BeamTooling App berechnen. Diese steht Ihnen zum kostenfreien Download in den App Stores von Apple und Google zur Verfügung.

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a|Waveλdapt

Der a|Waveλdapt ermöglicht die Verwendung von a|BeamExpandern außerhalb ihrer Designwellenlänge [532 nm / 632 nm / 780 nm / 1064 nm]. Er deckt den gesamten Spektralbereich von 500 nm bis 1600 nm ab, passt Divergenzen an und korrigiert Wellenfrontabweichungen unter Beibehaltung des Strahldurchmessers. Dank metrischem Feingewinde kann der a|Waveλdapt, wie alle BeamTuning-Elemente, problemlos in jedes optische System integriert werden.

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  • Verfügbar für die vier a|BeamExpander Designwellenlängen [532 nm / 632 nm / 780 nm / 1064 nm]
  • Optimierte Anpassung an alle Wellenlängen zwischen 500 nm bis 1600 nm
  • Anpassung divergenter Eingangsstrahlen bis zu 1 mrad
  • Kombinierbar mit bis zu fünf anderen BeamTuning Elementen - vollständig beugungsbegrenzt
  • Einhaltung der angepassten Vergrößerung
  • Max. Eingangsapertur 22,5 mm, max. Ausgangsapertur 22,5 mm
  • Einfache und flexible Handhabung

Der ausgehende Laserstrahl ist entweder divergent oder konvergent, wenn ein a|BeamExpander bei einer anderen Wellenlänge als der Designwellenlänge verwendet wird. Zusätzlich treten Wellenfrontabweichungen höherer Ordnung auf, da die Asphäre und die Mittendicke nicht mehr der Konstruktionsabsicht entsprechen.
Ein passender a|Waveλdapt kann diese Probleme leicht in seinen Anwendungsbereich einstellen und erhöht so die Flexibilität von asphericon's Beam Expandern. Mit einem a|Waveλdapt 780 nm beispielsweise, können Strahlen mit einer Wellenlänge von 850 nm mit einem a|BeamExpander 780 nm kollimiert werden. Die beugungsbegrenzte Leistung wird durch die Kollimation des abgehenden Strahls bei einer neuen Wellenlänge erreicht.

Abgedeckter Wellenlängenbereich des a|Waveλdapts für die Designwellenlängen [nm] 532, 632, 780, 1064.

a|AspheriColl

Der a|AspheriColl ist ein justierbarer Faserkollimator und ermöglicht die perfekte Ausrichtung von FC/PC-Patchfasern in Ihrem Setup. Kombinieren Sie den ab Lager erhältlichen Faserkollimator für NAs bis zu 0,275 mit BeamTuning oder anderen Strahlformungselementen, um jeden gewünschten Ausgangsstrahl unter Beibehaltung einer beugungsbegrenzten Wellenfront zu erhalten.

a|AspheriColl kaufen

  • Faserkollimator für NA's bis 0,275
  • Brennweite: f = 20 mm, bei Øe = 11,5 mm
  • Optimiert für den Wellenlängenbereich 500 nm - 1600 nm
  • Einfache Wellenlängenanpassung durch Einstellung der Justiereinheit mit SW2-Inbusschlüssel
  • Stets optimal lateral ausgerichtet
  • Komplett beugungsbegrenzt (Strehl > 0,95) bei Verwendung mit FC/PC-Patchfasern
  • Dank passender Adapter auch für APC-Fasern verwendbar.
  • Keine Abschneideeffekte im Vergleich zu anderen verfügbaren Faserkopplern
  • Dank größerer Strahldurchmesser ist keine zusätzliche Erweiterung erforderlich (kürzere Systemlänge)

Der Durchmesser des von einem a|AspheriColl erzeugten kollimierten Ausgangsstrahls hängt von der NA der Faser ab. Diese ist eine Funktion der Wellenlänge.
Der Basisdurchmesser wird, wie in der folgenden Grafik dargestellt, eingestellt. Vorjustiert für die Wellenlängen [nm] 532, 632, 780 und 1064 kollimiert der a|AspheriColl Ausgangsstrahlen von Singlemode-Fasern mit NA's bis 0,275.

Abgedeckter Wellenlängenbereich des a|AspheriColls für die Designwellenlängen [nm] 532, 632, 780, 1064.

a|Adapter

Cross-system und intra-system a|Adapter verbinden alle BeamTuning-Elemente bequem mit jedem optischen Aufbau - ohne zusätzliche Anpassungen.

a|Adapter kaufen

Intra-system a|Adapter ermöglichen, alle BeamTuning-Elemente zu kombinieren, z.B. um einen a|BeamExpander in beide Funktionsrichtungen zu verwenden, den Strahldurchmesser zu erweitern oder zu reduzieren.

Kombinieren Sie alle BeamTuning-Elemente bequem durch die passenden cross-system a|Adapter (C-Mount, SM1) mit anderen optische Systeme (z.B. von Qioptiq, OWIS oder Edmund Optics).  Durch seinen Außendurchmesser kann der 1,2" Umfangsadapter sowohl als systeminterner als auch als systemübergreifender Adapter verwendet werden.

a|BeamBox Essential

Kombinieren Sie asphericon's Strahlaufweitungsprodukte mit MountedOptics, und/oder Strahlformungskomponenten passend zu Ihren Anforderungen. Für einen besseren Überblick haben wir bereits verschiedene Kombinationen der a|BeamBoxen entwickelt. Die “Essential”-Serie umfasst fünf Boxen für die Strahlaufweiterung verschiedener Wellenlängen.

Individuelle a|BeamBox anfragen

  • Kombiniert bis zu acht a|BeamExpander mit einem a|AspheriColl, einem a|Waveλdapt und passenden a|Adaptern
  • Optimiert für Wellenlängen 355 nm, 532 nm, 632 nm, 780 nm oder 1064 nm
  • Qualität: beugungsbegrenzte Wellenfront
  • Set Lösung mit attraktiven Kostenersparnissen

Kombinieren Sie a|BeamExpander, a|Waveλdapt, a|TopShape, a|AiryShape und a|AspheriColl mit a|Adaptern (intra-system und cross-system) und MountedOptics individuell und passend zu Ihren Anforderungen. Nahezu jede Kombination ist möglich! Kontaktieren Sie uns.

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Präzise Aufweitung und Formung von Laserstrahlen – BeamTuning

Zum Sortiment gehören neben dem a|BeamExpander zur Aufweitung von Lasern, dem Faserkollimator a|AspheriColl, der a|Waveλdap zur Verwendung der BeamExpander außerhalb ihrer Designwellenlänge, intra- und cross-system Adapter auch gefasste asphärische Optiken (MountedOptics). Ergänzend – ebenfalls basierend auf einer asphärischen Optik – erhalten Sie vielfältig einsetzbare Strahlformer.

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Sabrina Matthias