Warum sollte ich einen Flat-Top-Laserstrahl nutzen?

Die meisten Laserstrahlen haben ein gaußförmiges Profil, in bestimmten Fällen kann es allerdings von Vorteil sein, dass die Strahlen ein nicht-gaußförmiges Bestrahlungsprofil aufweisen. Die symmetrischen Bestrahlungsstärkeprofile von Gaußstrahlen nehmen mit zunehmender Entfernung vom Zentrum des Laserstrahlquerschnitts ab. Flat-Top- oder Top-Hat-Strahlen haben ein konstantes Bestrahlungsstärkeprofil über den Querschnitt des Laserstrahls (Abbildung 1). Einige Anwendungen profitieren von einer konstanten Intensität über einen bestimmten Bereich, z. B. die Bearbeitung von Halbleiterwafern, die nichtlineare Frequenzumwandlung bei hohen Leistungen und die Materialbearbeitung. Im Vergleich zu Gaußstrahlen führen Flat-Top-Strahlen oft zu genaueren und vorhersehbareren Ergebnissen, z. B. zu saubereren Schnitten und schärferen Kanten, sind aber mit zusätzlicher Systemkomplexität und Kosten verbunden. 

Abbildung 1: Gaußstrahlen „vergeuden“ Energie sowohl durch überflüssige Energie, die über dem für die Anwendung erforderlichen Schwellenwert liegt, als auch durch Energie, die in den äußeren Bereichen des Gaußstrahls unter dem Schwellenwert liegt. Flat-Top-Strahlen sind effizienter, da sie den Schwellenwert überschreiten und gleichzeitig die ungenutzte Energie minimieren.

Gaußstrahlen

Hochwertige Einzelmodenlaser erzeugen ein Gauß-Bestrahlungsstärkeprofil niedriger Ordnung, die TEM00-Mode. Ein Gaußlaserstrahl mit der gleichen mittleren optischen Leistung wie ein Flat-Top-Laserstrahl hat eine doppelt so hohe Spitzenfluenz wie der Flat-Top-Laserstrahl (Abbildung 2). Gaußstrahlen bleiben bei Transformationen konstant, daher ist bei Ausbreitung durch das System das Strahlprofil immer noch gaußförmig, selbst wenn sich die Strahlgröße ändert. Der Grund hierfür ist, dass die Fourier-Transformation einer Gaußfunktion eine andere Gaußfunktion ist. Licht durchläuft eine Fourier-Transformation, wenn es sich unendlich weit ausbreitet oder durch eine perfekte Linse fokussiert wird. Weitere Informationen über Lasermodi wie TEM00 finden Sie in unserem Anwendungshinweis „Laserresonator und Resonatormoden“.

Abbildung 2: Gaußstrahlen und Flat-Top-Strahlen mit gleicher optischer Leistung, wobei die Spitzenintensität des Gaußstrahls doppelt so hoch ist wie die des Flat-Top-Strahls.

Gaußlaser sind häufiger anzutreffen und kostengünstiger als andere Laser, aber sie haben einige Nachteile, wie z. B. ihre "Flügel", das heißt Bereiche mit geringer Intensität, die sich über den nutzbaren zentralen Teil des Strahls hinaus erstrecken. Die Flügel eines Gaußstrahls führen oft zu Energieverschwendung, wenn sie eine geringere Intensität haben als die für die Anwendung benötigte (Abbildung 1). Außerdem können sie die umliegenden Bereiche beschädigen und die durch Wärme beeinflusste Zone vergrößern, was bei Anwendungen wie der Laserchirurgie und der präzisen Materialbearbeitung nachteilig ist. Die Verwendung eines Gaußstrahls zum Schneiden oder Formen von feinen Merkmalen führt zu einer geringeren Genauigkeit als die Verwendung eines Flat-Top-Strahls, da die durch Wärme beeinflusste Zone größer ist, sodass ein Flat-Top-Strahl für diese Art von Anwendung die bessere Wahl ist.

Flat-Top-Strahlen

Eine Möglichkeit zur Bewertung, wie nahe ein realer Strahl einem idealen Flat-Top-Strahl kommt, ist der Ebenheitsfaktor (F_η). Dieser Wert wird ermittelt, indem der Durchschnittswert der Bestrahlungsstärke durch den Höchstwert der Bestrahlungsstärke geteilt wird, wie in ISO 13694 beschrieben.¹

Das Fehlen von Flügeln und steilere Kantenübergänge bei den Flat-Top-Strahlen ermöglicht eine effizientere Energieabgabe sowie eine kleinere Wärmeeinflusszone.¹ Dies ist bei einer Vielzahl von Anwendungen von Vorteil, bei denen eine hohe Genauigkeit und eine möglichst geringe Schädigung der umliegenden Bereiche im Vordergrund stehen. Bei messtechnischen Anwendungen, wie z. B. der Prüfung der laserinduzierten Zerstörschwelle (LIDT), verringert das gleichmäßige und gut definierte Profil der Flat-Top-Strahlen die Messunsicherheit und die statistische Streuung. Die gleichmäßige Ausleuchtung durch Flat-Top-Strahlen ist auch für eine Vielzahl von anderen Anwendungen vorteilhaft, wie z. B. für die Fluoreszenzmikroskopie, Holographie und Interferometrie.² Weitere Informationen über den Zusammenhang zwischen laserinduzierten Schäden und Gaußstrahlen sowie Flat-Top-Strahlen finden Sie in unserem Anwendungshinweis „Hintergrundinformationen und Spezifikationen zu LIDT bei Laserkomponenten“ .

Flat-Top-Strahlen sind nicht so kosteneffizient wie Gaußstrahlen, da eine zusätzliche Strahlformungseinheit erforderlich ist, um den Laserausgangsstrahl in einen Flat-Top-Strahl umzuwandeln (Abbildung 3). Diese Strahlformungseinheit kann in die Laserquelle eingebaut oder außerhalb des Lasers platziert werden. Die zusätzlichen Strahlformungsbaugruppen sind empfindlich hinsichtlich der x-y-Ausrichtung und abhängig vom Eingangsstrahldurchmesser. Flat-Top-Laserstrahlen bleiben außerdem bei Transformationen nicht konstant, folglich bleibt das Strahlprofil eines einfallenden Flat-Top-Strahls bei der Ausbreitung des Strahls nicht erhalten. Die Fourier-Transformierte einer Flat-Top-Funktion ist eine Airy-Scheibchen-Funktion, d. h. der Flat-Top-Strahl wird in ein Airy-Scheibchen umgewandelt.

Abbildung 3: Animation eines Strahlprofils, das zwischen einer Gaußverteilung und einer Flat-Top-Verteilung wechselt.

Wie erzeuge ich einen Flat-Top-Strahl?

In einigen kostengünstigen Systemen mit schwächerer Leistung werden Gaußstrahlen mit Hilfe einer Blende physikalisch abgeschnitten, um einen Pseudo-Flat-Top-Strahl zu erzeugen. Dies verschwendet die Energie aus den Randbereichen, kann aber effektiv sein, wenn die Kosten ein wichtiger Faktor sind. Für Anwendungen, die eine höhere Leistung und eine effiziente Nutzung der Laserenergie erfordern, werden Strahlformungsoptiken eingesetzt, die Gaußprofile in Flat-Top-Profile umwandeln. Refraktive Strahlformer ermöglichen eine gleichmäßige Bestrahlungsstärkeverteilung und flache Phasenfronten. Die refraktiven AdlOptica πShaper Flat-Top-Laserstrahlkonverter erzeugen einen kollimierten, flachen Flat-Top-Strahl und zeichnen sich durch einen Wirkungsgrad von nahezu 100% ohne interne Fokussierung aus, sodass Eingangsstrahlen mit hoher Leistung möglich sind (Abbildung 4 und Abbildung 5). Ihr optisches Design eignet sich für Holographie und Mikroskopie (insbesondere bei großen Entfernungen) und kann einfach in Systeme integriert werden.

Abbildung 4: Refraktive Umwandlung eines einfallenden Gaußstrahls in ein Flat-Top-Profil mit einem AdlOptica πShaper Flat-Top-Laserstrahlkonverter.³

 

Abbildung 5: Experimentelle Intensitätsprofile eines Gaußstrahls (links) und eines Flat-Top-Strahls, der einen AdlOptica πShaper Flat-Top-Laserstrahlkonverter verlässt (rechts).³

Die refraktiven AdlOptica Focal-πShaper Q Flat-Top-Laserstrahlkonverter sind eine weitere Art von Strahlformern, die einen einfallenden Gaußstrahl in ein kollimiertes Airy-Scheibchen-Profil umwandeln. So entsteht nach der Fokussierung durch eine beugungsbegrenzte Linse ein Flat-Top-Punkt (Abbildung 6). Durch die kompakte Bauweise und das Gewinde dieser Komponenten lassen sie sich leicht in verschiedene Systeme integrieren. Sie weisen außerdem einen Wirkungsgrad von nahezu 100% auf und eignen sich für Anwendungen, bei denen ein Flat-Top-Profil an einer fokussierten Stelle erwünscht ist, wie z. B. bei der Lithografie, Mikrobearbeitung und dem Mikroschweißen.^4,5

Abbildung 6: Einige Strahlformer, wie z. B. der AdlOptica Focal-πShaper Q Flat-Top-Laserstrahlkonverter, wandeln einfallende Gaußstrahlen in Airy-Scheibchen-Profile um, sodass sie nach der Fokussierung zu Flat-Top-Profilen werden.

Neben refraktiven Strahlformern führt Edmund Optics auch andere Typen, darunter reflektierende, holographische und diffraktive Designs. Weitere Informationen finden Sie auf unserer Übersichtsseite zu Strahlformern, bei Fragen wenden Sie sich gerne an unsere Anwendungsingenieurinnen und -ingenieure .

Literatur:

1. International Organization for Standardization. (2018). Optics and photonics -- Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser beam power (energy) density distribution (ISO 13694-3:2018).
2. Eryilmaz, Marion, et al. “Localization Microscopy Analyses of MRE11 Clusters in 3D-Conserved Cell Nuclei of Different Cell Lines.” Cancers, vol. 10, no. 1, 22 Jan. 2018, doi:10.3390/cancers10010025.
3. Laskin, Alexander, et al. “Laser Beam Shaping for Biomedical Microscopy Techniques.” Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care V, 27 Apr. 2016, doi:10.1117/12.2217927.
4. Hung, Yung-Jr, et al. “Employing Refractive Beam Shaping in a Lloyds Interference Lithography System for Uniform Periodic Nanostructure Formation.” Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics: Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, vol. 35, no. 3, 11 Apr. 2017, doi:10.1116/1.4980134.
5. Laskin, Alexander, et al. “Refractive Beam Shapers for Focused Laser Beams.” Laser Beam Shaping XVII, 27 Sept. 2016, doi:10.1117/12.2235712.