Was ist Laseroptik?
Laseroptik Komponenten, die speziell für die Manipulation von Laserlicht bestimmt sind, das in der Regel kohärent und monochromatisch, häufig polarisiert und mitunter von hoher Intensität ist. Die Formen und Anwendungsbereiche der Laseroptik so vielfältig, dass es schwierig ist, allgemeine Aussagen darüber zu treffen; sie müssen jedoch fast immer mit hoher Präzision gefertigt werden, Präzision einwandfrei zu funktionieren.
Laseroptik ebenso vielfältig wie die Anwendungen, für die sie eingesetzt werden – von der Mikrooptik für die Glasfaserkommunikation bis hin zu Teleskopspiegeln im Meterbereich. Sie lenken Laserstrahlen mithilfe nahezu aller Arten von Licht-Materie-Wechselwirkungen, darunter Brechung, Reflexion, Beugung, Polarisation und spektral selektive Prozesse, nichtlineare Effekte und sogar Streuung.
Bei der Fertigung von Laseroptik ein ähnlich vielfältiges Instrumentarium Laseroptik . Dies reicht vom traditionellen Schleifen und Polieren (einschließlich ihrer automatisierten und computergesteuerten Varianten) über das Einpunkt-Diamantdrehen und die Lithografie bis hin zu einer Vielzahl von Form- und Reproduktionsverfahren, holografischen Techniken und einem breiten Spektrum an Dünnschichtbeschichtungsverfahren.
Es gibt jedoch einige gemeinsame Merkmale bei Laseroptik. Erstens muss fast immer die ursprüngliche Wellenfrontqualität des Laserstrahl erhalten bleiben. Dies ist unerlässlich, um genau jene Eigenschaften zu bewahren, die Laserlicht so einzigartig machen, wie beispielsweise die räumliche Helligkeit und die Kohärenz. Durch die Optik verursachte Wellenfrontverzerrungen schränken die Systemeffizienz sowie die Fähigkeit ein, den Laser zu fokussieren und sein Strahlprofil beizubehalten. Dies gilt für die meisten Anwendungen, sei es in der Materialbearbeitung, der Chirurgie, der Mikroskopie, Durchflusszytometrie oder der Telekommunikation. Bei der Herstellung erfordert die Minimierung von Wellenfrontverzerrungen in der Regel die Fertigung von Optiken mit hochpräzisen Oberflächenformen und die Verwendung sehr homogener Materialien.
Laseroptik in der Regel auch eine minimale Streuung aufweisen, da diese Lasersystem verringern und Rauschen verursachen kann. Dies beeinträchtigt die Leistung in allen Bereichen, von der Bildgebung bis hin zur Materialbearbeitung. Die Minimierung der Streuung ist zudem ein entscheidender Faktor, um laserinduzierte Schäden bei Laseroptik zu vermeiden. Der erste Schritt bei der Herstellung von Optik mit geringer Streuung besteht in der Regel darin, Komponentenoberflächen mit geringer Oberflächenrauheit zu erzeugen.
Laseroptik fast immer dünnbeschichtet, mit der bemerkenswerten Ausnahme von Brewster-Fenstern. Auch dies geschieht in der Regel, um die Leistung zu verbessern. So Laseroptik beispielsweise bei Laseroptik meisten durchlässigen Laseroptik Antireflexbeschichtungen Laseroptik , um den Durchsatz zu maximieren und unerwünschte (Geister-)Reflexionen zu minimieren. Dünnschichtbeschichtungen sind oft widerstandsfähiger als das Substratmaterial der Optik, sodass Beschichtungen auch zum Schutz der optischen Oberfläche und zur Verlängerung der Lebensdauer der Komponente eingesetzt werden können. Die Coherent Diamond Over-Coat (DOC)ist ein herausragendes Beispiel hierfür.
Angesichts der enormen Bandbreite dieses Themas gibt dieser Artikel lediglich einen Überblick über einige der wichtigsten, übergeordneten Bereiche der Laseroptik. Diese werden im Folgenden beschrieben, wobei diese Aufzählung keineswegs vollständig ist.
Objektive
Linsen sind refraktive, durchlässige Optiken, die Laserlicht in einer oder zwei Dimensionen bündeln oder streuen. Da sie überwiegend mit monochromatischem Licht eingesetzt werden, spielt die chromatische Aberration (die Änderung Linse mit Wellenlänge) beiLaserlinsenselten eine Rolle.Aus diesem Grund sind Einzellinsen (ohne Farbkorrektur) für viele einfache Aufgaben ausreichend, bei denen die Optik vollständig auf der Achse arbeitet. Beispiele hierfür sind strahlverbreiternde Teleskope sowie Fokussier- und Kollimationslinsen. Tatsächlich kann eine einelementige Linse asphärischer Oberflächenformeine Leistung auf der Achse liefern, die im Wesentlichen der Beugung entspricht (theoretisch bestmögliche Leistung).
In mindestens zwei weiteren Fällen sind jedoch stets komplexere Linse mit mehreren Elementen erforderlich. Der erste Fall betrifft Systeme mit niedriger Blendenzahl (Blendenzahl = Brennweite Linse / Öffnung). Insbesondere unterhalb von f/3 weicht die Leistung der meisten sphärischen Einzellinsen erheblich von der Beugung ab. Um diesem Problem zu begegnen, werden sphärische Fokussierlinsen mit mehreren Elementen sowie asphärische Oberflächen eingesetzt.
Eine zweite Anwendungsmöglichkeit für Mehrlinsensysteme sind Systeme, die nicht rein achsial arbeiten, sondern ein bestimmtes Sichtfeld abdecken müssen.F-Theta-Scan-Objektivesind ein Beispiel hierfür. Es sind mehrere Linsen erforderlich, um eine Optik zu schaffen, die über einen bestimmten Winkelbereich auf eine Ebene (anstatt auf eine gekrümmte Oberfläche) fokussiert und zudem auch an den Rändern des Sichtfeldes eine gute fokussierte Spotgröße erzielt.
Spiegel
Metallbeschichtete Spiegel, insbesondere mit Silizium, Kupfer, Aluminium und Gold, werden häufig zur Reflexion von sichtbaren und infraroten Laserstrahlen verwendet. Bei CO₂ mit einer Wellenlänge von etwa 10 µm ist es nicht ungewöhnlich, Spiegel aus Metallsubstraten herzustellen und einfach die polierte Metalloberfläche als Spiegel zu nutzen. Der Vorteil von Metall- und metallbeschichteten Spiegeln liegt in der Regel in den geringeren Kosten.
Dünnschichtbeschichtungen kommen zum Einsatz, wenn ein höherer Reflexionsgrad erforderlich ist, um höhere Zerstörschwelle zu erreichen, oder wenn eine präzise Polarisationssteuerung notwendig ist. Der einfachste Dünnschichtreflektor für Laserlinien besteht in der Regel aus einem Stapel abwechselnder Brechungsindex hohem und niedrigem Brechungsindex , von denen jedes bei der Wellenlänge eine Viertelwellenlänge dick ist. Durch den Aufbau vieler Schichten dieser Art werden routinemäßig Reflexionswerte von über 99,9 % erreicht.
Ein Spiegel mit einer solchen Beschichtung ist jedoch relativ schmalbandig. Das bedeutet, dass er nur bei genau der Wellenlänge eingesetzt werden kann, für Wellenlänge ausgelegt ist. Zudem verschiebt sich die Spitzenreflexion aller Dünnschicht-Spiegelbeschichtungen mit dem Einfallswinkel. Ein Laserlinienspiegel, der für einen Einfallswinkel von 0° ausgelegt ist, kann daher nicht bei 45° verwendet werden und umgekehrt. Es lassen sich breitbandige, vollständig dielektrische (Dünnschicht-)Spiegel entwickeln, die über einen größeren Bereich von Wellenlängen und Einfallswinkeln einsetzbar sind. Allerdings geht dies mit einer geringfügigen Einbuße bei der Spitzenreflexion einher.
Strahlteiler
Strahlteiler sind optische Elemente, die einen Teil der einfallenden Laserenergie reflektieren Laserenergie den Rest durchlassen. Dieser Effekt kann stark polarisationsabhängig sein. Manchmal stellt dies einen Nachteil dar, in anderen Fällen wird er jedoch gezielt genutzt, um orthogonale Polarisationen entweder zu trennen oder zu kombinieren.
Ein Strahlteiler auch Wellenlänge sein. In diesem Fall kann er dazu dienen, zwei koaxiale Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen zu trennen. Ein Beispiel hierfür ist ein dichroitischer Strahlteiler, der die Wellenlänge 1064 nm) eines Nd:YAG-Lasers reflektiert und dessen zweite Harmonische (532 nm) durchlässt.
Die gängigsten Bauformen für Strahlteiler sind der Würfel- und der Plattentyp. Ein Strahlteiler vom Würfeltyp Strahlteiler aus zwei rechtwinkligen Prismen, die an ihren Hypotenusen miteinander verbunden Strahlteiler und so einen Würfel bilden. Die Strahlteiler befindet sich auf der Hypotenuse eines der Prismen. Die anderen vier Flächen sind in der Regel entspiegelt.
Würfel- und plattenförmige Strahlteiler erfüllen dieselbe Funktion, sind jedoch ganz unterschiedlich aufgebaut. Dadurch weisen sie unterschiedliche Eigenschaften auf, was bei verschiedenen Anwendungen Vor- und Nachteile mit sich bringt.
Ein plattenförmiger Strahlteiler eine ebene, parallele (oder oft leicht keilförmige) Platte. Die Strahlteiler befindet sich in der Regel auf der ersten Oberfläche, während die zweite Oberfläche mit einer Antireflexbeschichtung versehen ist.
Sowohl würfelförmige als auch plattenförmige Strahlteiler weisen jeweils eigene Eigenschaften auf, die in verschiedenen Anwendungsbereichen Vor- und Nachteile mit sich bringen. So sind plattenförmige Strahlteiler in der Regel kompakter und leichter und zudem kostengünstiger in der Herstellung. Werden sie jedoch bei einem Einfallswinkel von mehr als 0° eingesetzt, erzeugen sie eine unerwünschte Sekundärreflexion, die gegenüber dem Hauptreflexionsstrahl versetzt ist. Zudem versetzen sie den durchgelassenen Strahl, was die Systemkonstruktion komplexer und die Ausrichtung schwieriger machen kann.
Würfel-Strahlteiler beseitigen das Problem unerwünschter Sekundärreflexionen sowie jeglicher Versetzung des durchgelassenen Strahls. Außerdem funktionieren sie in der Regel über einen größeren Bereich von Einfallswinkeln hinweg besser. Es ist zudem einfacher, Würfel-Strahlteiler mit Beschichtungen herzustellen, die weniger polarisationsempfindlich sind und über einen größeren Wellenlängenbereich funktionieren. Allerdings können Würfel-Strahlteiler weniger langlebig und empfindlicher gegenüber Temperaturschwankungen sein.
Polarisationskomponenten
Die meisten Laser senden polarisiertes Licht aus, und es gibt zahlreiche verschiedene optische Elemente und Geräte, die dazu dienen, diese Polarisation zu manipulieren, zu analysieren oder zu nutzen. Das konzeptionell einfachste optische Element ist der linearer Polarisator. Er lässt lediglich Licht durch, dessen Polarisation in eine bestimmte Richtung ausgerichtet ist, und blockiert Licht, das in einer anderen Richtung polarisiert ist. Ein linearer Polarisator für viele Funktionen eingesetzt werden. Wird er in einem polarisierten Laserstrahl gedreht, wirkt Laserstrahl als variabler Dämpfungsglied – ein Dimmer für einen Laser!
Eines der grundlegendsten optischen Elemente, das den Polarisationszustand eines Laserstrahl verändert, Laserstrahl die Viertelwellenplatte. Diese wandelt linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht um oder umgekehrt. Halbwellenplatten drehen die Polarisationsrichtung des linear polarisierten Eingangslichts. Diese Drehung lässt sich stufenlos von 0° bis 90° variieren, indem die Halbwellenplatte selbst physisch gedreht wird.
Polarisationsrotatoren und lineare Polarisatoren (oder polarisierende Strahlteiler) lassen sich zu Faraday-Isolatoren kombinieren . Dabei handelt es sich um „Einwegventile“ für Licht. Diese Vorrichtungen sind besonders nützlich, um zu verhindern, dass reflektiertes Licht wieder in einen Laser gelangt, was zu Schäden führen oder den Betrieb instabil machen könnte. Faraday-Isolatoren erfüllen diese Funktion häufig in industriellen Hochleistungslasersystemen.
Faraday-Isolatoren nutzen eine Kombination aus polarisierenden Strahlteilern und einem magnetoaktiven Kristall (der die Polarisationsebene des Lichts um 45° dreht), um ein Bauteil zu schaffen, das einen Laserstrahl nur Laserstrahl eine Richtung durchlässt.
Eine komplexere, auf Polarisation basierende Laseroptik ist der elektrooptische Modulator (EOM). Wie der Faraday-Isolator nutzt auch er einen Kristall, der die Polarisationsebene des durchgelassenen Lichts dreht. In diesem Fall wird der Effekt jedoch nicht durch ein Magnetfeld, sondern durch ein angelegtes elektrisches Feld gesteuert. Dies wird als Pockels-Effekt bezeichnet.
Zur Herstellung eines Intensitätsmodulators wird der elektrooptische Kristall mit einem linearer Polarisator kombiniert. Wenn die Polarisationsebene des einfallenden Laserstrahl mit dem linearer Polarisator Laserstrahl , wird der Strahl durchgelassen. Wird die angelegte Spannung so eingestellt, dass der Kristall die Strahlpolarisation um 90° relativ zum linearer Polarisator dreht, wird der Strahl blockiert. Durch Variieren der Spannung lässt sich Laserstrahl durchgelassenen Laserstrahl modulieren, typischerweise mit Geschwindigkeiten von bis zu mehreren MHz.
Optik für Hochleistungslaser (HEL)
Es gibt keine konkrete Definition dafür, was genau unter Laseroptik zu verstehen ist, doch im Wesentlichen handelt es sich dabei um Komponenten, die in Lasern mit hohen Spitzenenergie- oder Fluenzwerten zum Einsatz kommen. Konkret bedeutet dies Leistungsstufen, die die meisten mit herkömmlichen Verfahren hergestellten optischen Komponenten beschädigen oder zumindest deren Lebensdauer erheblich verkürzen würden.
Es gibt zahlreiche Mechanismen für laserinduzierte Schäden, die von verschiedenen Faktoren abhängen, darunter die Wellenlänge, Pulsenergie, die Spitzenleistung, die Pulsform und weitere. Die meisten Schäden entstehen jedoch in der Regel entweder durch Erwärmung infolge von Absorption, durch dielektrischen Durchschlag, der durch das starke elektrische Feld des Laserpulses ausgelöst wird, oder durch Lawinendurchschlag, der durchAbsorption verursacht wird.
Die Funktionsweise der Laseroptik der bereits beschriebenen (Linsen, Spiegel, Polarisatoren usw.). Allerdings müssen die Materialien, die Politur und die Beschichtung dieser Komponenten äußerst sorgfältig kontrolliert werden, um die verschiedenen Schadensmechanismen im Betrieb zu minimieren.
Dies beginnt oft bereits bei der Materialauswahl. Dabei geht es insbesondere um die Wahl von Substratmaterialien, die von Natur aus Zerstörschwelle hohe laserinduzierte Zerstörschwelle LIDT) und Absorption geringe Absorption der Wellenlänge aufweisen. Selbstverständlich müssen die Materialien selbst von hoher Reinheit und Qualität sein. Anschließend muss jeder Schritt der weiteren Verarbeitung (Formgebung, Beschichtung und sogar Verpackung) sorgfältig überwacht und kontrolliert werden, um Verunreinigungen auf ein Minimum zu reduzieren. HEL-Optiken werden in der Regel in Reinraumumgebungen hergestellt.
Da die Oberflächenrauheit bei LIDT oft eine Rolle spielt, kommen bei der Herstellung von HEL häufig spezielle Poliertechniken zum Einsatz. Die verwendeten Poliermittel können sogar gezielt ausgewählt werden, um Verunreinigungen und daraus resultierende Schäden zu minimieren.
Die Herstellung von Dünnschichtbeschichtungen für HEL-Optiken ist ein eigenständiges Fachgebiet. Auch hier sind die verwendeten Materialien und deren Reinheit von grundlegender Bedeutung. Darüber hinaus kann das Beschichtungsdesign gezielt optimiert werden, um Wärmeleitfähigkeit die Wärmeableitung zu verbessern. Außerdem können die Beschichtungen so ausgelegt werden, dass nichtlineare optische Effekte wie die Erzeugung von Oberwellen oder die Selbstfokussierung unterdrückt werden, die bei hohen Energien stärker ausgeprägt sind.
Ultrafast
Optik und Beschichtungen für ultrafast (mit Pulsdauern im Femtosekunden- oder Pikosekundenbereich) bilden eine weitere eigenständige Klasse von Komponenten. Dafür gibt es zwei Hauptgründe.
Erstens sind ultrafast nicht so monochromatisch wie die meisten anderen Laser. Das liegt daran, dass die physikalischen Grundlagen ultrafast vorgeben, dass mit abnehmender Pulsbreite die spektrale Bandbreite (Wellenlängenbereich) des Ausgangssignals zunimmt. Beispielsweise erzeugen die 12-fs-Pulse des Coherent Vitara erzeugt, haben eine Mittenwellenlänge von 800 nm, aber eine Bandbreite von etwa 100 nm.
Ein weiteres Unterscheidungsmerkmal der ultrafast ist, dass sie oft sehr hohe Spitzenleistungen aufweist. Diese Leistungswerte können zu den zuvor erwähnten Problemen mit laserinduzierten Schäden führen.
Das Hauptproblem, das durch die größere Bandbreite ultrafast verursacht wird, ist nicht die chromatische Aberration, wie es bei der Bildgebungsoptik im sichtbaren Licht der Fall sein könnte. Vielmehr handelt es sich um die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD).
GVD entsteht, weil sich die verschiedenen Wellenlänge eines ultrafast mit leicht unterschiedlichen Geschwindigkeiten durch ein Material ausbreiten. Wenn also ein ultrafast ein optisches Element oder eine Beschichtung durchläuft, treten die kürzeren Wellenlängen etwas später aus als die längeren. Dadurch verlängert sich die Impulsdauer.
Ultrafast sind nicht monochromatisch, sondern bestehen aus einem Spektrum verschiedener Wellenlängen. Je kürzer der Impuls, desto breiter ist diese spektrale Streuung. Wenn ein ultrafast ein Material durchläuft, bewirkt die Dispersion, dass sich die kürzeren Wellenlängen langsamer ausbreiten als die längeren. Dadurch wird der Impuls zeitlich gestreckt – die Impulsbreite nimmt zu. Ein impulsverdichtender Spiegel sorgt dafür, dass die schnelleren Wellenlängen tiefer in die Beschichtung eindringen, um diesen Effekt umzukehren.
Eine Verlängerung der Pulsdauer bringt je nach Anwendungsbereich verschiedene Probleme mit sich. Zum einen verringert sie die zeitliche Auflösung bei Anwendungen wie der zeitaufgelösten Spektroskopie. Zudem verringert sie die Spitzenleistung des Pulses, was sich auf alle Anwendungen auswirkt, die auf nichtlinearen Phänomenen beruhen, wie beispielsweise Multiphotonen oder die CARS-Spektroskopie.
Eine wichtige Klasse der ultrafast sind „dispersive Spiegel“. Dabei handelt es sich um dünnbeschichtete Hochreflektoren, die speziell dafür entwickelt wurden, dispersive Effekte in ultrafast zu kontrollieren.
Diese Optiken funktionieren nach einem konzeptionell einfachen Prinzip. Sie bestehen im Wesentlichen aus einem Stapel mehrerer hochreflektierender Beschichtungen, die jeweils auf eine leicht unterschiedliche Wellenlänge abgestimmt sind.
Betrachten wir nun eine Konstruktion, bei der sich Wellenlänge kürzere Wellenlänge oben in der Beschichtung befinden und Wellenlänge längere Wellenlänge tiefer im Stapel angeordnet sind. Die längeren Wellenlängen müssen einen längeren Weg durch die Beschichtung zurücklegen, bevor sie reflektiert werden; dies dauert länger und ermöglicht es den „langsameren“ Anteilen des Impulses, zu ihnen aufzuschließen. Dies bewirkt eine erneute Kompression eines Impulses, der zuvor durch das Durchlaufen einer anderen dispersiven Komponente aufgeweitet wurde.
Dispersive Spiegel werden häufig eingesetzt, um einen Impuls gezielt zu verlängern. So kann beispielsweise ein Impuls vor dem Eintritt in einen Verstärker mit einem dispersiven Spiegel verlängert werden. Dies senkt seine Spitzenleistung und verringert das Risiko einer Beschädigung der Verstärkeroptik durch sehr hohe Laserfluenz. Nachdem der Puls verstärkt wurde, wird er mit einem weiteren dispersiven Spiegel, der den entgegengesetzten Effekt zum ersten hat, wieder auf seine ursprüngliche, kürzere Pulsbreite komprimiert. Dies wird als Chirped-Pulse-Amplification (CPA) bezeichnet.
Dieser Überblick hat nur einige wenige Arten von Laseroptik angesprochen und vereinfachte Erklärungen zu ihrer Funktionsweise und ihrem Einsatzzweck gegeben. Erfahren Sie mehr, indem Sie das umfangreiche Sortiment an Laseroptik erkunden .