Kann ein Strahlaufweiter auch umgekehrt eingesetzt werden?

Laserstrahlaufweiter können umgekehrt verwendet werden, um den Strahldurchmesser zu reduzieren, anstatt ihn aufzuweiten (Abbildung 1).

Abbildung 1: Strahlaufweiter verwenden typischerweise zuerst eine kleine und dann eine größere Linse, um den Strahldurchmesser zu vergrößern, sie können aber auch umgekehrt verwendet werden, um den Strahldurchmesser zu verringern.

Strahlaufweiter werden typischerweise eingesetzt, um den Durchmesser eines Laserstrahls zu vergrößern, um die Divergenz zu verringern, um die Größe des fokussierten Punkts durch Aufweitung des Strahls vor dem Fokussierelement zu minimieren oder um laserinduzierte Schäden innerhalb eines Systems durch Reduzierung der Leistungsdichte zu verhindern. Bei einer typischen Strahlaufweitung trifft der Strahl zunächst auf eine kleinere Linse und wird dann durch eine größere Abbildungslinse kollimiert (Abbildung 1). Die Beziehungen zwischen Strahldurchmesser, Divergenz und Vergrößerung (MP) sind:

(1)$$ \frac{\text{Eingangsstrahldivergenz} \left( \theta_I \right)}{\text{Ausgangsstrahldivergenz} \left( \theta_O \right)} = \frac{\text{Ausgangsstrahldurchmesser} \left( D_O \right)}{\text{Eingangsstrahldurchmesser} \left( D_I \right)} $$

Die Vergrößerung (MP) kann jetzt abhängig von den Strahldivergenzen oder Strahldurchmessern ausgedrückt werden.

(2)$$ \text{MP} = \frac{\theta _I}{\theta _O}$$

(3)$$ \text{MP} = \frac{D_O}{D_I} $$

Wenn Sie die Ausrichtung eines Strahlaufweiters umkehren, kehrt sich auch die Vergrößerung um. Wird z. B. ein 5x-Strahlaufweiter in umgekehrter Richtung verwendet, so hat er nun eine neue Vergrößerung von 1/5 statt 5. Der Strahldurchmesser wird erfolgreich reduziert, aber Gleichungen 1 und 2 zeigen, dass die Divergenz des Strahls zunehmen wird. Im vorherigen Beispiel hat ein Strahl, der den 5x-Strahlaufweiter verlässt, eine Ausgangsstrahldivergenz von 1/5 der Eingangsstrahldivergenz. Bei umgekehrter Verwendung ist die Ausgangsstrahldivergenz jedoch 5x so groß wie die Eingangsstrahldivergenz. Das bedeutet, dass in vielen Fällen ein umgekehrt eingesetzter Strahlaufweiter den Strahldurchmesser in der Nähe des Strahlaufweiters verringert, die Divergenz bewirkt jedoch, dass der Durchmesser in der Entfernung größer wird. Wenn das Ziel des Benutzers also ein kleiner Strahl auch in großer Entfernung ist, kann es sein, dass dies nicht erreicht wird.

Die Strahldivergenz eines Lasers kann in der Regel in einem Benutzerhandbuch oder Datenblatt nachgelesen werden. Sie kann außerdem näherungsweise bestimmt werden, indem der Strahldurchmesser in einem Abstand 1 vom Laser und wieder in einem Abstand 2 vom Laser gemessen wird:

(4)$$ \text{Laser-Divergenz } \left( \theta_L \right) = \theta_I = 2 \, \arctan{\left[ \frac{D_2 - D_1}{2 \left( \text{Abstand zwischen Punkt 1 und 2} \right) } \right]} $$

Zusätzliche Hinweise

Bei der Verwendung eines Strahlaufweiters in umgekehrter Richtung entstehen neben der erhöhten Divergenz noch weitere Nachteile, da die Strahlaufweiter in der Regel für die Vergrößerung von Strahlen ausgelegt sind.

Geisterreflexionen - Typische Strahlaufweitungsdesigns verhindern Geisterreflexionen oder unerwünschte interne Reflexionen von Linsenelementen, wenn sie zur Vergrößerung des Strahldurchmessers verwendet werden. Wenn der Strahlaufweiter nicht speziell für eine umgekehrte Ausrichtung konzipiert wurde, wurde er wahrscheinlich nicht auf Geisterreflexionen für den umgekehrten Einsatz überprüft. Geisterreflexionen können zu einer internen Fokussierung führen, die die Strahlqualität verringert und möglicherweise interne Elemente beschädigen kann. Dieses Problem tritt nicht besonders häufig auf, da ein Strahlaufweiter, der in der typischen Ausrichtung keine Geisterreflexionen hat, diese höchstwahrscheinlich auch in der umgekehrten Ausrichtung nicht erzeugt. Geisterreflexionen sind jedoch immer noch möglich und sollten daher beachtet werden, insbesondere bei der Verwendung von Lasern mit hoher Leistung.

Laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) - Zerstörschwellen werden üblicherweise als maximale einfallende Leistung oder Energie an der Eingangsapertur spezifiziert. Wenn Sie den Strahlaufweiter in umgekehrter Richtung verwenden, ist die ehemalige Austrittsapertur nun die "neue" Eintrittsapertur. Diese Oberfläche ist nun einer höheren Energie ausgesetzt, als es normalerweise der Fall wäre, und dies sollte bei der Überprüfung der Leistungs- oder Energiebeständigkeit des Strahlaufweiters berücksichtigt werden.