Ein unerwarteter Ansatz: Ausbalancierung der Strahlaufweitereigenschaften zur Maximierung der Fokuspunktintensität

Autoren: Jay Small

Bei Laseranwendungen, die mit einem fokussierten Strahl arbeiten, besteht das Ziel häufig darin, eine fokussierte Punktgröße mit einer für den jeweiligen Prozess ausreichend hohen Leistungsdichte zu erreichen. Das optische System umfasst hierbei den Ausgangslaser, einen Kollimator und ein abschließendes Fokussierelement. Ein Strahlaufweiter kann den Strahldurchmesser vor der Fokussierung vergrößern und so die Punktgröße verringern.

Häufig wird angenommen, dass die freie Apertur des Strahlaufweiters mindestens das Zweifache des Eingangsstrahldurchmessers betragen sollte, um die Qualität des Laserstrahls nicht zu beeinträchtigen, die Laserleistung nicht zu reduzieren und eine minimale Punktgröße zu erreichen. Dies führt zwar zu einer höheren Punktintensität als eine kleinere Öffnung, doch würden bei handelsüblichen Strahlaufweitern mit 5X Aufweitung oder mehr sehr kleine Eingangsstrahlen benötigt werden, wenn diese Regel eingehalten werden soll.

Tatsächlich kann in der Realität eine höhere Strahlintensität mit einer Systemkonfiguration erreicht werden, bei der der Strahldurchmesser leicht beschnitten, also verkleinert, wird. Bei diesem Ansatz gibt es zwei konkurrierende Faktoren, die die finale Punktintensität beeinflussen. Die Vergrößerung des Strahldurchmessers vor der Fokussierung verringert die Punktgröße und erhöht die Intensität, während eine Verkleinerung des Strahls die Punktgröße vergrößert und die Intensität verringert. Der optimale Kompromiss zur Erzeugung der höchsten Punktintensität ist ein beschnittener Strahl in Kombination mit einem Aufweiter mit hoher Vergrößerung, obwohl dies vielleicht erstmal nicht sehr intuitiv erscheint.

Dieser Anwendungshinweis veranschaulicht, wie durch die Wahl optischer Komponenten, die einen Teil der Laserleistung abschneiden, eine höhere Punktintensität erreicht werden kann als durch die Wahl von Komponenten, die mehr als 99% der Strahlleistung durchlassen. Die Intensitäten werden mit der „Physical Optics Propagation“ (POP) in OpticsStudio von Ansys für eine Reihe von Strahlverkleinerungen analysiert.

Abbildung 1: Überraschenderweise kann die Verwendung eines Strahlaufweiters mit höherer Vergrößerung, der die Ränder des Strahls abschneidet, nach der Fokussierung zu einer höheren Intensität des Fokuspunkts führen als ein Aufweiter mit geringerer Vergrößerung und ohne Beschnitt.

Beispiel: Verkleinerung des Strahls zur Maximierung der Leistungsdichte

Betrachten wir ein System mit einem Nd:YAG-Laser mit 100 W und kontinuierlichem Strahl (CW) bei 532 nm, das einen Mindestarbeitsabstand von 100 mm und eine Spitzenintensität des fokussierten Punkts von 10 kW/mm² erfordert. Der Laser hat einen Ausgangsstrahldurchmesser von 2,5 mm (Second-Moment-Durchmesser $1⁄e^2$). Um die Analyse zu vereinfachen, nehmen wir die Strahlqualität als M² = 1 an, wobei wir davon ausgehen, dass es sich um einen idealen Gaußstrahl handelt. Mit der kürzesten möglichen Brennweite von 100 mm lässt sich die erforderliche Punktintensität nicht erreichen, es werden nur 0,35 kW/mm² erreicht.

Wir müssen daher einen Strahlaufweiter verwenden, um den Strahl vor der Fokussierung zu vergrößern. Aus der Vega^®-Serie von Edmund Optics^® stehen zwei Strahlaufweiter zur Verfügung: #39-738, ein 5X-Aufweiter, und #39-739, ein 7X-Aufweiter. Beide haben den gleichen Außendurchmesser und einen ähnlichen Preis. Wir sehen, dass die freie Eingangsapertur von 5,0 mm beim 5X-Aufweiter doppelt so groß wie unser Strahldurchmesser ist, aber die resultierende Punktintensität liegt nur bei 8,6 kW/mm². Da die 7X-Aufweiter die gleiche Ausgangsapertur haben, bedeutet die höhere Vergrößerung, dass die freie Eingangsapertur kleiner ist (3,3 mm) und unser Strahl beschnitten wird.

Die Auswirkung der beiden Strahlaufweiter auf unsere Punktintensität als Funktion der Aperturgröße ist in Abbildung 2 dargestellt. Die Daten zur Spitzenintensität wurden mit der POP-Analyse von OpticStudio erzeugt, die das Beschneiden des Strahls und die dadurch entstandene Vergrößerung des fokussierten Punkts sowie den damit verbundenen Leistungsverlust berücksichtigt. In beiden Fällen beträgt der Durchmesser des Eingangsstrahls 2,5 mm. Das Diagramm beginnt bei einer Aperturgröße von einem Strahldurchmesser, wodurch 13,5% der Laserleistung abgeschnitten werden. Wir sehen jedoch, dass der 7X-Strahlaufweiter die von uns geforderte Punktintensität von 10 kW/mm² erreicht, bevor die begrenzende Eingangsapertur von 3,3 mm erreicht wird, während der 5X-Aufweiter diesen Wert nie erreicht.

Abbildung 2: Spitzenintensität als Funktion der freien Eingangsapertur: Die Begrenzung des Strahls durch den 7X-Aufweiter erzielt eine höhere Leistungsdichte als der 5X-Aufweiter ohne Begrenzung.

In diesem Beispiel wird durch den 7X-Aufweiter die Laserleistung um 3% verringert, aber die endgültige Punktintensität entspricht unseren Anforderungen. Die „verlorene“ Leistung von 3 W erfordert möglicherweise eine thermisch gesteuerte Blende vor dem Aufweiter, um eine Überhitzung zu vermeiden, aber dies hat keinen weiteren Einfluss auf die Punktintensitäten.

Strahlaufweiter von Edmund Optics^®

Foto der verschiedenen Arten von Laserstrahlaufweitern

Edmund Optics^® bietet eine Vielzahl von Laserstrahlaufweitern an. Zu den verfügbaren Optionen gehören zahlreiche Beschichtungen für verschiedene Laserwellenlängen, Divergenzeinstellung, eine variable Vergrößerung und sogar reflektierende Strahlaufweiter. Egal, ob Sie kleine Mengen von Standardprodukten mit sofortigem Versand oder große Mengen von kundenspezifischen Strahlaufweitern benötigen, wir haben Lösungen passend für Ihr Lasersystem.