Strahlaufweitung - Ein einzigartiges System aus asphärischen Linsen

Bei klassischen Beam Expansion Systemen 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, wie es Abbildung 2(b) zeigt, 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).