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Coherent Flat-Top Optiken

Effiziente Umwandlung Gaußscher Strahlen in eine homogene Intensitätsverteilung

Coherent Strahlformungsoptiken stellen eine effiziente Methode dar, kreisförmige Gaußsche Laserstrahlen in sehr homogene ein- bzw. zweidimensionale (Linie /Rechteck) Intensitätsverteilungen zu transformieren. Insbesondere Systemintegratoren schätzen ihre Vorteile gegenüber Alternativtechnologien.

Einführung und Überblick

Die meisten Laser haben entweder kreisförmige oder elliptische Strahlprofile mit Gaußscher oder nahezu Gaußscher Intensitätsverteilung. Zur vollständigen und gleichmäßigen Ausleuchtung einer Fläche ist allerdings ein sogenanntes Flat-Top Strahlprofil erforderlich. Das ist erwünscht wenn identische Strukturen unter Laserbeleuchtungen gleich hell erscheinen sollen, unabhängig von ihrer Position im Gesichtsfeld des Lasers. Das ist z.B. erwünscht beim Einsatz von Lasern in der Bildverarbeitung, kann aber auch auf eine Großzahl andere Anwendungen übertragen werden, wie Inspektion, Bioinstrumentation (z.B. Zytometrie) und Anwendungen in der Medizin.

Homogene Ausleuchtung

Bei der einfachsten Methode zur Erzeugung einer homogenen Ausleuchtung wird ein Laserstrahl mit einer Blende beschnitten, die lediglich den homogensten Bereich des Strahlzentrums passieren lässt. Die Nachteile dieser Methode liegen auf der Hand: 1. Ein großer Teil der Laserleistung (bis zu 75%) wird blockiert - 2. Der resultierte Laserstrahl zeigt immer noch eine spürbare Intensitätsänderung von der Mitte zum Rand. Hinzu kommt, dass weitere optische Komponenten benötigt werden, um die entstandenen Seitenschwingungen, die durch die Beugung am Aperturrand hervorgerufen werden, zu entfernen.

Zur Umwandlung Gaußscher Strahlen in Flat-Top Profile ohne erheblichen Lichtverlust, benötigt man daher Alternativtechnologien. Diffraktive Optiken sind ein weitere Möglichkeit aus Gaußschen Intensitätsverteilungen nahezu jedes beliebige Intensitätsprofil, inklusive Flat-Top zu erzeugen. Eine diffraktive Optik beugt einen einfallenden Lichtstrahl in Abhängigkeit von der Wellenlänge, und führt Interferenzen zwischen den entstehenden Strahlkomponenten herbei. Die Wellenlängabhängigkeit wird allerdings problematisch, bei der Kombination von diffraktiven Optiken mit Diodenlasern, da diese eine relativ große spektrale Bandbreite und Laser-zu-Laser Variation im Vergleich zu anderen Lasertypen aufweisen. Des Weiteren verläuft die Winkeltrennung bei diffraktiven Optiken nicht immer optimal, wodurch es zu unerwünschten Effekten kommen kann. Optische Fertigungstoleranzen führen bei einfachen binär geätzten Gittern zu einer erheblichen Abnahme der Gittereffizienz. Daraus folgt: 1. der Gesamt-Wirkungsgrad liegt unter 70% - 2. Der nutzbare Arbeitsabstand ist limitiert. Für die Erzeugung einer großen Anzahl anderer Muster, wie Strukturen aus Punkten, Kreisen oder Quadraten sind diffraktive Optiken aber weiterhin eine interessante Lösung.

Technologie

Pros

Cons

Apertur

Einfach und günstig

Geringe Effizienz und Homogenität

Diffraktiv

Unabhängig von Spotgröße, variable Form

Teuer, geringe Effizienz, Wellenlängenabhängigkeit, hohes Rauschen

ALG

Effizient, sehr homogen, unabhängig von Wellenlänge, geringes Rauschen

Abhängigkeit von der Spotgröße


Ein anderes, rein refraktives Strahlformungssystem besteht aus einer Anordnung zylindrischer Linsen. Der einfallende Strahl verteilt sich über mehrere Linsen, wobei durch Überlagerung der Abbildung einzelner Linsen im Fernfeld die gewünschte gleichförmige Intensitätsverteilung generiert wird.
Trifft ein Gaußscher-Strahl auf ein Zylinderlinsenarray wird eine annähernd homogene Intensitätsverteilung erreicht, die allerdings häufig einen erheblichen Anteil hochfrequenter Modulation aufweist. Der zulässige Arbeitsabstand ist auch hier limitiert.

Die Coherent Flat-Top Technologie

Um solche Nachteile zu vermeiden, kommen bei den Produkten von Coherent‚ asphärische Liniengeneratoren‘ (ALGs) zum Einsatz. Der Aufbau ähnelt einer asphärische Zylinderlinse mit einer gezielten Abberation, die im Fernfeld des kollimierten Gaußschen Laserstrahls die Energie effizient von der Mitte hin  zum äußeren Rand umverteilt. Ein Laserstrahl wird so in einen homogenen Flat-Top umgewandelt.

Die Coherent Technologie hat eine hohe Effizienz (> 90%), und erzeugt steile Flanken mit einem äußerst geringem Lichtanteil außerhalb des gewünschten Bereichs. Die maximalen Intensitätsänderungen können wiederholbar weniger als ±5% über die projizierte Linie betragen, ohne dass eine Wellenlängenselektion der verwendeten Laserdioden nötig wird.

Die Coherent Flat-Top Technologie verfügt über ein flexibles Design und kann daher einfach in spezifische Anforderungen integriert werden. So sind z.B. Öffnungswinkel zwischen 1° und 120° möglich. Weiterhin können komplette optische System entsprechend Ihrer Vorgaben oder der Anforderungen einer spezifischen Applikation gefertigt werden. ALGs können im Weiteren mit diffraktiven Optiken zur Erzeugung von Multilinien-Mustern kombiniert werden, wie sie in der Bildverarbeitung Einsatz finden.

Fazit

Die Coherent Flat-Top Technologie bietet eine hocheffiziente Lösung, aus einem runden oder elliptischen Strahlprofil hochgradig homogene, Linien oder rechteckige Strukturen zu erzeugen. Die eingesetzten optischen Systeme sind hochstabil. Sie erlauben die Verwendung relativ günstiger Lasermodule auf Dioden-Basis da sie ihre ausgezeichneten Eigenschaften auch bei Wellenlängenänderungen während des Betriebs und/oder durch Produktionsschwankungen von Laser-zu-Laser behalten. Die Technologie kommt bei den intelligenten Bildverarbeitungslasern der StingRay Baureihe zum Einsatz.


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Telefon (06071) 968-331 oder -333

 



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