Technikon: Strahlaufweiter

Strahlaufweiter sind optische Systeme zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Laserstrahldurchmessers. Ein Strahlaufweiter kann einen Eingangsstrahldurchmesser um den Faktor M vergrößern, oder bei umgekehrtem Einsatz auf den Faktor 1/M verringern.

Üblicherweise werden Strahlaufweiter eingesetzt, um den Durchmesser von Laserstrahlbündeln zu vergrößern. Dabei sinkt die Divergenz im gleichen Faktor, da das Produkt aus Strahldurchmesser und Divergenz konstant ist.

Dieser physikalische Zusammenhang gilt sowohl für Strahlaufweiter mit festem Aufweitungsfaktor, als auch die Zoom-Aufweiter, deren Vergrößerung variabel einstellbar ist.

Prinzipiell kann eine Strahlaufweiter durch zwei verschiedene Typen realisiert werden.

Bei einem Aufbau nach dem Kepler Prinzip werden zwei fokussierende Linsengruppen verwendet, wobei die erste Linsengruppe den Strahl fokussiert. Die zweite Linsengruppe sitzt hinter dem gemeinsamen Brennpunkt und kollimiert das nun divergente Licht erneut.

Der Galilei Aufbau hingegen besteht aus einer streuenden und einer sammelnden Linsengruppe. Dabei weitet die vordere, divergierende Gruppe den Strahl auf, während der hintere Teil den Strahl kollimiert, sodass sowohl der Eingangsstrahl als auch der Ausgangsstrahl parallel zur optischen Achse geführt werden.

Mit Hilfe des Galilei Prinzips können Strahlaufweiter mit sehr kurzen Baulängen entworfen werden. Im Gegensatz zum Aufbau nach Kepler gibt es keinen internen Fokus, welcher bei einem geringen Abstand zu einer Linse zu einer kritischen Temperaturerhöhung im Objektiv führen kann. Daher ist dieser Typ auch für Kurzpulslaser geeignet. Auf Grund dieser entscheidenden Vorteile gegenüber dem Kepler Prinzip wird das Galilei Prinzip häufig bevorzugt.

Alle Strahlaufweiter von Sill Optics verfügen über eine mechanische oder per Motor ansteuerbare Divergenzeinstellung. Dadurch kann die inhärente Divergenz des Lasers ausgeglichen werden um eine optimale Kollimation zu erreichen. Der Strahl kann damit auch in gewissem Maße gezielt fokussiert (konvergenter Strahlengang) oder defokussiert (divergenter Strahlengang) werden.

Bei einer Verringerung des Abstandes zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe divergiert der Ausgangsstrahl (siehe Bild mittig), während er bei einer Vergrößerung des Abstands konvergiert (siehe Bild unten).

Bei einem großen Aufweitungsfaktor reagiert die Divergenzeinstellung besonders sensibel. Im Umkehrschluss kommt es gelegentlich vor, dass die standardmäßige Divergenzeinstellung bei besonders geringen Vergrößerungen nicht ausreicht.

Die Skala für die Divergenzeinstellung von Sill Objektiven gibt an, um welchen Wert [mm] der Linsenabstand geändert wird. Üblicherweise kann dieser in einem Bereich von ± 3 mm variiert werden. Bei kundenspezifischen Sonderentwicklungen kann der Verstellbereich auch 3 mm übersteigen.

Die Serie der Zoom Strahlaufweiter bietet den Vorteil einer variablen Vergrößerung. Durch eine manuelle oder motorisierte stufenlose Einstellung kann die Strahlaufweitung in einem Bereich von 1- bis  3-fach bzw. 1- bis 8-fach beliebig variiert werden. Dadurch sind die Zoom Strahlaufweiter deutlich flexibler als Strahlaufweiter mit einer festen Vergrößerung. Ein Nachteil ist eine leichte Verringerung der Strahlqualität. Außerdem bedürfen die meisten Zoom Strahlaufweiter einer kurzfristigen internen Verkleinerung des Strahls. Dies kann zu hohen Leistungs- bzw. Energiedichten auf Linsenelementen führen. Daher sind Zoom Strahlaufweiter nur zu empfehlen, wenn die Zoom Funktion zwingend notwendig ist. Die Tauglichkeit für leistungsstarke und Kurpuls-Laser sollte im Vorfeld abgeklärt werden.

Auch die Zoom Strahlaufweiter verfügen über eine separate Divergenzeinstellung, die unabhängig von dem Vergrößerungsfaktor verstellt werden kann.

Je nach Wunsch kann entweder die Divergenzeinstellung oder die Vergrößerung oder beides motorisiert über einen PC gesteuert werden. Anleitungen und Details sind auf Anfrage erhältlich.

Insbesondere bei Zoom Strahlaufweitern spielt die Positionierung des Aufweiters im Gesamtaufbau eine entscheidende Rolle. Jegliche Verkippung zur optischen Achse des Systems kann sich in einem deutlichen Pointing-Fehler zeigen. Als Pointing wird das laterale „Wandern“ des Laserstrahls, also eine Änderung der Richtung des Laserstahls nach dem Strahlaufweiter, während der Verstellung der Vergrößerungsstufe bezeichnet. Da dies u.U. jegliche Ausrichtung der darauf folgenden Optiken hinfällig machen kann ist eine exakte Positionierung oder alternativ ein Aufbau, der solche Positionsschwankungen einfach ausgleichen kann zwingend notwendig.

Als Zubehör zu dieser Justage werden die Justierhalter (S5SET0125 und S5SET0150) mit Verstellungsmöglichkeiten in diversen Höhen angeboten.

Weiterhin empfiehlt es sich die lang aufbauenden Zoom Strahlaufweiter bei einer horizontalen Anordnung nicht nur beispielsweise am vorhandenen C-Mount zu fassen, sondern besser mit Klemmringen zu fixieren. Für Details stehen wir Ihnen natürlich gerne beratend zur Seite.