Laseroptiken
Was sind Laseroptiken?
Laseroptiken sind Komponenten, die speziell für die Manipulation von Laserlicht vorgesehen sind, das typischerweise kohärent und monochromatisch, häufig polarisiert und manchmal von hoher Intensität ist. Die Form und die Anwendungen von Laseroptiken sind so vielfältig, dass es schwierig ist, sie zu verallgemeinern, aber sie müssen fast immer mit hoher Präzision hergestellt werden, um erfolgreich zu funktionieren.
Laseroptiken sind so vielfältig wie die Anwendungen, die sie bedienen. Sie reichen von Mikrooptiken für die Faserkommunikation bis zu Teleskopspiegeln der Meterklasse. Sie manipulieren Laserstrahlen durch praktisch jede Art von Licht-Materie-Wechselwirkung, einschließlich Brechung, Reflexion, Beugung, Polarisation und spektral selektiver Prozesse, nichtlinearer Effekte und sogar Streuung.
Bei der Herstellung von Laseroptiken kommt ein ähnlich vielfältiger Werkzeugkasten zum Einsatz. Dies reicht vom traditionellen Schleifen und Polieren (mit ihren automatisierten und computergesteuerten Varianten) bis hin zum Einpunkt-Diamantdrehen, die Lithographie, einer Reihe von Abform- und Replikationsverfahren, holografischen Techniken und einem Spektrum von Dünnschicht-Beschichtungsverfahren.
Es gibt jedoch einige gemeinsame Faktoren in der Laseroptik. Erstens müssen sie fast immer die ursprüngliche Wellenfrontqualität des Laserstrahls beibehalten. Dies ist unbedingt erforderlich, um die Eigenschaften zu bewahren, die das Laserlicht so einzigartig machen, wie etwa räumliche Helligkeit und Kohärenz. Durch die Optik verursachte Wellenfrontverzerrungen begrenzen die Systemleistung und die Fähigkeit, den Laser zu fokussieren und sein Strahlprofil beizubehalten. Dies gilt für die meisten Anwendungen, sei es Materialbearbeitung, Chirurgie, Mikroskopie, Durchflusszytometrie oder Telekommunikation. Aus fertigungstechnischer Sicht erfordert die Minimierung der Wellenfrontverzerrung in der Regel die Herstellung von Optiken mit hochpräzisen Oberflächenformen und die Verwendung sehr homogener Materialien.
Außerdem darf die Streuung bei Laseroptiken normalerweise nur minimal sein, da diese die Effizienz des Lasersystems verringern und Rauschen verursachen kann. Dies reduziert die Leistung in allen Bereichen, von der Bildgebung bis zur Materialbearbeitung. Die Minimierung der Streuung ist auch ein Schlüsselfaktor zur Vermeidung laserinduzierter Schäden an Hochleistungslaseroptiken. Der erste Schritt bei der Herstellung streuarmer Optiken besteht üblicherweise darin, Komponentenoberflächen mit geringer Oberflächenrauheit zu erzeugen.
Laseroptiken sind, mit Ausnahme der Brewster-Fenster, nahezu immer dünnschichtbeschichtet. Auch dies wird normalerweise getan, um die Leistung zu verbessern. Beispielsweise verwenden die meisten transmissiven Laseroptiken Antireflexbeschichtungen, um den Durchsatz zu maximieren und störende (Geister-)Reflexionen zu minimieren. Dünnschichtbeschichtungen sind häufig haltbarer als das Substratmaterial der Optik, daher können Beschichtungen auch zum Schutz der optischen Oberfläche und zur Verlängerung der Komponentenlebensdauer verwendet werden. Der Coherent Diamond Over-Coat (DOC) ist ein hervorragendes Beispiel dafür.
Angesichts der enormen Reichweite dieses Themengebiets bietet dieser Artikel lediglich einen Überblick über einige der bedeutendsten und weitreichendsten Klassen in der Laseroptik. Diese werden im Folgenden beschrieben und diese Liste ist keineswegs vollständig.
Linsen
Linsen sind lichtbrechende, lichtdurchlässige Optiken, die Laserlicht in einer oder zwei Dimensionen konzentrieren oder streuen. Da sie überwiegend mit monochromatischem Licht verwendet werden, ist die chromatische Aberration (die Änderung der Objektivbrennweite mit der Wellenlänge) bei Laserobjektiven selten ein Problem. Aus diesem Grund sind Ein-Element-Objektive (ohne Farbkorrektur) für viele einfache Aufgaben ausreichend, bei denen die Optik vollständig auf der Achse arbeitet. Beispiele sind Strahlaufweitungsteleskope sowie Fokussier- und Kollimationslinsen. Tatsächlich kann ein Ein-Element-Fokussierobjektiv mit einer asphärischen Oberflächenform eine Leistung auf der Achse liefern, die im Wesentlichen an der Beugungsgrenze liegt (beste theoretisch mögliche Leistung).
In mindestens zwei anderen Fällen sind jedoch ausnahmslos komplexere Linsensysteme mit mehreren Elementen erforderlich. Erstere sind Systeme mit niedriger Blendenzahl (Blendenzahl = Brennweite/Blende des Objektivs). Insbesondere unter f/3 weicht die Leistung der meisten einelementigen sphärischen Linsen erheblich von der Beugungsgrenze ab. Um dieses Problem zu lösen, werden mehrteilige Fokussierlinsen mit sphärischen Oberflächen sowie asphärische Oberflächen verwendet.
Letztere Anwendungen für Mehrelementsysteme sind solche, die nicht rein axial arbeiten, sondern ein bestimmtes Sichtfeld abdecken müssen. F-Theta-Scan-Objektive sind ein Beispiel hierfür. Zur Schaffung einer Optik, die über einen Winkelbereich auf eine Ebene (und nicht auf eine gekrümmte Oberfläche) fokussiert und die auch an den Rändern des Feldes eine gute fokussierte Punktgröße erreicht, sind mehrere Elemente erforderlich.
Spiegel
Metallbeschichtete Spiegel, insbesondere mit Silizium, Kupfer, Aluminium und Gold, werden häufig zur Reflexion sichtbarer und infraroter Laserstrahlen verwendet. Bei CO₂-Lasern mit einer Ausgabegröße von etwa 10 µm ist es nicht unüblich, Spiegel aus Metallsubstraten herzustellen und einfach die blanke polierte Metalloberfläche als Spiegel zu verwenden. Der Vorteil von Metall- und metallbeschichteten Spiegeln liegt typischerweise in den geringeren Kosten.
Dünnschichtbeschichtungen werden eingesetzt, wenn ein höherer Reflexionsgrad erforderlich ist, um höhere Laserzerstörschwellenwerte zu erreichen, oder wenn eine präzise Polarisationssteuerung erforderlich ist. Der einfachste Laserlinien-Dünnschichtreflektor besteht in der Regel aus einem Stapel von Materialien mit abwechselnd hohem und niedrigem Brechungsindex, von denen jedes bei der Laserwellenlänge eine Viertelwelle dick ist. Durch den Aufbau vieler solcher Schichten werden regelmäßig Reflexionswerte von über 99,9 % erreicht.
Allerdings ist ein derart beschichteter Spiegel relativ schmalbandig. Das bedeutet, dass er nicht mit anderen Wellenlängen als der exakten Laserwellenlänge verwendet werden kann, für die er entwickelt wurde. Außerdem verschiebt sich der Spitzenreflexionsgrad aller Dünnschichtspiegelbeschichtungen mit dem Winkel. Ein Laserlinienspiegel, der für einen Einfallswinkel von 0° ausgelegt ist, kann daher nicht bei 45° verwendet werden und umgekehrt. Es können breitbandige, volldielektrische (Dünnschicht-)Spiegel entwickelt werden, die über einen größeren Wellenlängen- und Einfallswinkelbereich einsetzbar sind. Allerdings ist der Wert der Spitzenreflexion bei diesen Modellen etwas geringer.
Strahlteiler
Strahlteiler sind optische Elemente, die einen Teil der einfallenden Laserenergie reflektieren und den Rest durchlassen. Dieser Effekt kann stark polarisationsabhängig sein. Manchmal ist dies ein Nachteil, in anderen Fällen wird es jedoch gezielt ausgenutzt, um orthogonale Polarisationen entweder zu trennen oder zu kombinieren.
Ein Strahlteiler kann auch wellenlängenabhängig sein. In diesem Fall könnte es zum Trennen zweier koaxialer Laserstrahlen mit unterschiedlichen Wellenlängen verwendet werden. Ein Beispiel hierfür ist ein dichroitischer Strahlteiler, der die Grundwellenlänge (1064 nm) eines Nd:YAG-Lasers reflektiert und seine zweite Harmonische (532 nm) überträgt.
Die gängigsten Formate für Strahlteiler sind der Würfeltyp und der Plattentyp. Ein Strahlteiler vom Würfeltyp besteht aus zwei rechtwinkligen Prismen, die an ihren Hypothenusen miteinander verbunden sind und so einen Würfel bilden. Die Strahlteilerbeschichtung befindet sich auf der Hypothenuse eines der Prismen. Die anderen vier Flächen sind normalerweise entspiegelt.
Würfel- und plattenförmige Strahlteiler erfüllen die gleiche Funktion, sind aber sehr unterschiedlich aufgebaut. Dadurch ergeben sich unterschiedliche Eigenschaften, die in verschiedenen Anwendungen Vor- und Nachteile mit sich bringen.
Ein Plattenstrahlteiler ist eine planparallele (oder oft leicht keilförmige) Platte. Die Strahlteilerbeschichtung befindet sich typischerweise auf der ersten Oberfläche und die zweite Oberfläche weist eine Antireflexbeschichtung auf.
Sowohl Würfel- als auch Plattenstrahlteiler haben ihre einzigartigen Eigenschaften, die bei verschiedenen Anwendungen zu Vor- und Nachteilen führen. Plattenförmige Strahlteiler sind beispielsweise typischerweise kompakter und leichter, aber auch kostengünstiger in der Herstellung. Wenn sie jedoch bei einem anderen Einfallswinkel als 0° verwendet werden, erzeugen sie eine unerwünschte Sekundärreflexion, die vom reflektierten Hauptstrahl versetzt ist. Außerdem versetzen sie den Sendestrahl, was das Systemdesign komplexer und die Ausrichtung schwieriger machen kann.
Würfelförmige Strahlteiler beseitigen das Problem einer unerwünschten Sekundärreflexion sowie jeglicher Verschiebung im übertragenen Strahl. Sie funktionieren normalerweise auch über einen größeren Einfallswinkelbereich besser. Darüber hinaus ist es einfacher, Strahlteilerwürfel mit Beschichtungen herzustellen, die weniger polarisationsempfindlich sind und über einen größeren Wellenlängenbereich funktionieren. Würfelförmige Strahlteiler sind jedoch unter Umständen weniger langlebig und reagieren empfindlicher auf Temperaturschwankungen.
Polarisationskomponenten
Die meisten Laser emittieren polarisiertes Licht, und es gibt zahllose verschiedene Optiken und Geräte, die diese Polarisation manipulieren, analysieren oder ausnutzen können. Die konzeptionell einfachste Optik ist der lineare Polarisator. Er lässt nur Licht mit einer Polarisation in einer bestimmten Richtung durch und blockiert Licht mit jeder anderen Polarisationsrichtung. Mit einem linearen Polarisator können viele Funktionen ausgeführt werden. Wenn er in einem polarisierten Laserstrahl gedreht wird, wirkt er wie ein variabler Abschwächer – ein Dimmschalter für einen Laser!
Eine der grundlegendsten optischen Vorrichtungen zur Änderung des Polarisationszustands eines Laserstrahls ist die Viertelwellenplatte. Diese wandeln linear polarisiertes Licht in zirkular polarisiertes Licht um oder umgekehrt. Halbwellenplatten drehen die Polarisationsrichtung von linear polarisiertem Eingangslicht. Diese Drehung kann stufenlos von 0° bis 90° variiert werden, da die Halbwellenplatte selbst physisch gedreht wird.
Polarisationsdreher und Linearpolarisatoren (oder polarisierende Strahlteiler) können zu Faraday-Isolatoren kombiniert werden. Dies sind „Einwegventile“ für Licht. Das sind besonders nützliche Vorrichtungen, um zu verhindern, dass reflektiertes Licht wieder in einen Laser eindringt, was zu Schäden oder Betriebsinstabilitäten führen könnte. Faraday-Isolatoren übernehmen diese Funktion häufig in industriellen Hochleistungslasersystemen.
Faraday-Isolatoren verwenden eine Kombination aus polarisierenden Strahlteilern und einem magnetoaktiven Kristall (der die Polarisationsebene des Lichts um 45° dreht), um ein Gerät zu erzeugen, das einen Laserstrahl nur in eine Richtung durchlässt.
Eine ausgefeiltere, auf Polarisation basierende Laseroptik ist der elektrooptische Modulator (EOM). Wie der Faraday-Isolator verwendet er einen Kristall, der die Polarisationsebene des übertragenen Lichts dreht. Allerdings wird der Effekt in diesem Fall durch ein angelegtes elektrisches Feld und nicht durch ein magnetisches Feld gesteuert. Dies wird als Pockels-Effekt bezeichnet.
Um einen Intensitätsmodulator herzustellen, wird der elektrooptische Kristall mit einem linearen Polarisator gepaart. Wenn die Polarisationsebene des eingehenden Laserstrahls mit dem linearen Polarisator übereinstimmt, wird der Strahl übertragen. Wenn die angelegte Spannung so eingestellt wird, dass der Kristall die Strahlpolarisation im Verhältnis zum linearen Polarisator um 90° dreht, wird der Strahl blockiert. Durch Variation der Spannung kann die Intensität des übertragenen Laserstrahls moduliert werden, typischerweise mit Geschwindigkeiten von bis zu mehreren MHz.
Hochenergielaseroptik (HEL)
Es gibt keine spezifische Definition dessen, was genau eine Hochenergielaseroptik ausmacht, im Wesentlichen handelt es sich dabei jedoch um Komponenten, die mit Lasern verwendet werden, die hohe Spitzenenergie- oder Fluenzwerte aufweisen. Konkret bedeutet dies Leistungspegel, die die meisten mit herkömmlichen Mitteln hergestellten Optiken beschädigen oder zumindest ihre Nutzungsdauer erheblich verkürzen würden.
Es gibt viele Mechanismen laserinduzierter Schäden und sie hängen von mehreren Faktoren ab, einschließlich der Laserwellenlänge, der Pulsenergie, der Spitzenleistung, der Pulsform und mehr. Die meisten Schäden entstehen jedoch entweder durch Erhitzung aufgrund von Massenabsorption, durch dielektrischen Durchbruch aufgrund des hohen elektrischen Feldes des Laserpulses oder durch Lawinendurchbruch aufgrund von Multiphotonen-Absorption.
Die Funktionsweise der Hochenergielaseroptik ist die gleiche wie bereits beschrieben (Linsen, Spiegel, Polarisatoren etc.). Allerdings müssen die Materialien, die Polierung und die Beschichtung dieser Komponenten äußerst sorgfältig kontrolliert werden, um die verschiedenen Schadensmechanismen im Betrieb zu minimieren.
Dies beginnt oft bereits bei der Materialauswahl. Nämlich die Auswahl von Substratmaterialien, die von Natur aus eine hohe laserinduzierte Zerstörschwelle (LIDT) und eine geringe Absorption bei der Betriebswellenlänge aufweisen. Natürlich müssen die eigentlichen Materialien selbst eine hohe Reinheit und Qualität aufweisen. Anschließend muss jeder Schritt der Weiterverarbeitung (Formgebung, Beschichtung und sogar Verpackung) sorgfältig überwacht und kontrolliert werden, um Verunreinigungen zu minimieren. HEL-Optiken werden normalerweise in Reinraumumgebungen hergestellt.
Da bei LIDT oft die Oberflächenrauheit eine Rolle spielt, werden bei der HEL-Herstellung oft spezielle Poliertechniken eingesetzt. Die verwendeten Poliermittel können sogar speziell ausgewählt werden, um Verunreinigungen und Folgeschäden zu minimieren.
Die Herstellung von Dünnschichtbeschichtungen für HEL-Optiken ist eine eigenständige Disziplin. Auch hier sind die verwendeten Materialien und deren Reinheit von grundlegender Bedeutung. Darüber hinaus kann das Beschichtungsdesign gezielt optimiert werden, um die Wärmeleitfähigkeit und Wärmeableitung zu verbessern. Die Beschichtungen könnten außerdem so gestaltet sein, dass sie nichtlineare optische Effekte wie die Erzeugung von Oberwellen oder die Selbstfokussierung unterdrücken, die bei hohen Energieniveaus stärker ausgeprägt sind.
Ultrakurzpulsoptik
Eine weitere eigenständige Komponentenklasse sind Optiken und Beschichtungen für Ultrakurzpulslaser (Pulsdauern im Femtosekunden- oder Pikosekundenbereich). Dafür gibt es zwei Hauptgründe.
Erstens sind Ultrakurzpulslaser nicht so monochromatisch wie die meisten anderen Laser. Dies liegt daran, dass die grundlegende Physik von Ultrafastlasern vorschreibt, dass die spektrale Bandbreite (Wellenlängenbereich) des Ausgangssignals mit kürzerer Pulsbreite zunimmt. Beispielsweise sind die vom Coherent Vitara Laser erzeugten 12-fs-Impulse auf 800 nm zentriert, haben aber eine Bandbreite von etwa 100 nm.
Das zweite Unterscheidungsmerkmal der Ultrafastoptik besteht darin, dass sie häufig über sehr hohe Spitzenleistungen verfügt. Diese Leistungspegel können die zuvor erwähnten Probleme mit laserinduzierten Schäden verursachen.
Das Hauptproblem, das durch die größere Bandbreite von Ultrafastpulsen entsteht, ist nicht die chromatische Aberration, wie es bei Abbildungsoptiken mit sichtbarem Licht der Fall sein könnte. Das Problem ist vielmehr die Gruppengeschwindigkeitsdispersion (GVD).
GVD tritt auf, weil die verschiedenen Wellenlängenkomponenten eines Ultrafastpulses mit leicht unterschiedlicher Geschwindigkeit durch ein Material wandern. Wenn also ein ultraschneller Puls durch eine Optik oder Beschichtung geht, treten die kürzeren Wellenlängen etwas später hervor als die längeren Wellenlängen. Dadurch erhöht sich die Pulslänge.
Ultrakurzpulse sind nicht monochromatisch, sondern bestehen aus einem Wellenlängenbereich. Je kürzer der Puls, desto breiter ist diese spektrale Ausbreitung. Wenn ein ultraschneller Puls durch ein Material geht, führt die Dispersion dazu, dass sich die kürzeren Wellenlängen langsamer bewegen als die längeren Wellenlängen. Dadurch wird der Puls zeitlich gestreckt – die Pulsbreite vergrößert sich. Um diesen Effekt umzukehren, sorgt ein Pulskompressionsspiegel dafür, dass die schnelleren Wellenlängen tiefer in die Beschichtung eindringen.
Eine Erhöhung der Pulslänge kann je nach Anwendung verschiedene Probleme mit sich bringen. Zum einen verringert es die zeitliche Auflösung bei Anwendungen wie der zeitaufgelösten Spektroskopie. Darüber hinaus wird dadurch die Pulsspitzenleistung verringert, die sich auf alle Anwendungen auswirkt, die auf nichtlinearen Phänomenen beruhen, wie etwa die Mehrphotonenbildgebung oder die CARS-Spektroskopie.
Eine wichtige Klasse der ultraschnellen Optik sind „Dispersionsspiegel“. Dabei handelt es sich um mit einer dünnen Schicht beschichtete Hochreflektoren, die speziell für die Beherrschung von Dispersionseffekten in Ultrafast-Laserpulsen entwickelt wurden.
Diese Optik funktioniert nach einem konzeptionell einfachen Prinzip. Sie bestehet im Wesentlichen aus einem Stapel mehrerer hochreflektorischer Beschichtungen, die jeweils auf eine leicht unterschiedliche Wellenlänge abgestimmt sind.
Stellen Sie sich nun ein Design vor, bei dem sich die Reflektoren mit kürzerer Wellenlänge oben auf der Beschichtung befinden und die Reflektoren mit längerer Wellenlänge tiefer im Stapel platziert sind. Die längeren Wellenlängen müssen eine größere Distanz durch die Beschichtung zurücklegen, bevor sie reflektiert werden. Dies nimmt mehr Zeit in Anspruch und ermöglicht den „langsameren“ Komponenten des Pulses, sie einzuholen. Dies hat zur Folge, dass ein Puls, der gestreut wurde, weil er zuvor durch eine andere dispersive Komponente gegangen ist, erneut komprimiert wird.
Um einen Puls gezielt zu verlängern, werden oft Dispersionsspiegel eingesetzt. Beispielsweise könnte ein Puls mit einem Dispersionsspiegel verlängert werden, bevor er in einen Verstärker gelangt. Dadurch wird die Spitzenleistung verringert und die Gefahr einer Beschädigung der Verstärkeroptik durch eine sehr hohe Laserfluenz reduziert. Nachdem der Puls verstärkt wurde, wird er mit einem weiteren Dispersionsspiegel, der die entgegengesetzte Wirkung wie der erste hat, wieder auf seine ursprüngliche, kürzere Pulsbreite komprimiert. Dies wird als Chirped Pulse Amplification (CPA) bezeichnet.
In dieser Übersicht wurden nur einige wenige Arten der Laseroptik angesprochen und ihre Funktionsweise und Einsatzzwecke vereinfacht erklärt. Erfahren Sie mehr, indem Sie das umfangreiche Sortiment der Laseroptiken von Coherent erkunden.