Diffraktive Elemente zur Strahlprofil-Änderung

Bei der Materialbearbeitung ist das Strahlprofil des Lasers in der Bearbeitungsebene häufig ausschlaggebend für die Qualität des Endergebnisses. Durch gezielte Änderung dieses Profils können Optimierungen im Bearbeitungsprozess erreicht werden. Folgende Möglichkeiten stehen zur Verfügung:

• Top Hat Strahlformer
• Stable Top Strahlformer
• M-Shaper für Scanneranwendung
• Homogenisierer/Diffusor
• Elliptische Diffusoren
• Vortex-Linsen
• Diffraktive Axikon-Elemente
• DOEs für strukturiertes Licht
• Modul zur Erzeugung eines verlängerten Fokus

DOEs werden eingesetzt für optimiertes Laserschneiden, Laserbohren und zum Materialabtrag.

Ein DOE erzeugt in einer Arbeitsebene aus einem gaußförmigen Strahl ein so genanntes Top Hat Strahlprofil mit hoher Kantensteilheit. Dabei sind nahezu beliebige Querschnitte möglich. Die gängigsten sind rund oder quadratisch.

Das Stable Top Element hat die gleiche Funktion wie ein Top Hat Element. Durch ein optimiertes Design können jedoch größere Toleranzen des Eingangsstrahls (Qualität, Größe und Position) akzeptiert werden. Im Strahlprofil sind dabei kleine Seitenbanden und geringe Intensitätsschwankungen im Zentrum zu beobachten.

Homogenisierer, auch Diffusor genannt, glätten den Strahlquerschnitt.

Diese Elemente werden häufig bei medizinischen Anwendungen, beispielsweise bei der Haarentfernung oder der Entfernung von Tätowierungen, eingesetzt. Ausschlaggebend ist dabei die Vermeidung von Hot Spots, um ein Verbrennen der Haut zu vermeiden.

Elliptische Diffusoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie Homogenisierer. Die senkrecht aufeinander stehenden Strahlkomponenten besitzen unterschiedliche Streuwinkel, sodass sich im Fernfeld ein homogener elliptischer Strahlquerschnitt ergibt.

Vortex-Linsen werden verwendet, um eine plane Wellenfront in eine helikoide (schraubenförmige) Wellenfront umzuwandeln. Durch diese Verdrehung löschen sich die Wellenfronten im Zentrum aus. Die Umformung erfolgt durch eine wendeltreppenförmige Struktur auf einem Plansubstrat.

Diese Elemente formen den Laserstrahl in ein Ringprofil, ähnlich dem Vortex-Element.

Der große Vorteil gegenüber Vortex-Elementen ist die Unabhängigkeit des Eingangsstrahls. Diffraktive Axikons können mit Lasern verwendet werden, deren Beugungsmaßzahl M² zwischen 1 und 20 liegt; das M² beeinflusst nur die Ringbreite.

Neben einfachen Ringprofilen können diese DOEs auch für die Formung von multiplen Ringen hergestellt werden.

Gegenüber einem nicht-diffraktiven Axikon sind mit den DOEs sehr kleine Öffnungswinkel möglich und es kann mit sehr kleinen Strahldurchmessern gearbeitet werden. Eine weitere Option ist die Herstellung von negativen Axikons.

Diese strahlteilenden und -formenden DOEs erreichen einen Öffnungswinkel bis zu 80 Grad (bei 850 nm). Das austretende Licht deckt somit einen besonders großen Bereich ab. Diese Optiken werden vor allem bei LiDAR-Anwendungen und zur 3D-Bilderfassung verwendet. Je nach Substratmaterial eignen sie sich für geringe Laserleistungen im Milliwattbereich oder für High-Power-Laser mit mehreren Kilowatt.

Das DeepCleave Modul von Holo/OR ist eine vollständig optische Lösung zum Schneiden transparenter Materialien – zum Beispiel von Flat Panels für Mobiltelefone. Der einfallenden Monomode-Laser wird über die gesamte Fokuslänge (1-2 mm typisch) auf einen Spot-Durchmesser von ca. 1,8 µm fokussiert.

Ohne zusätzliche Objektive oder andere kostenintensive Optiken entspricht das DeepCleave Modul einem Objektiv mit Numerischer Apertur von 0,35. Im Gegensatz zu den Holo/ORs Standardelementen zur Fokusverlängerung erzielt DeepCleave entlang des gesamten Fokusbereichs eine konstante Leistungsdichte. Voraussetzung dafür ist ein Eingangsstrahl mit einer genau definierten Größe und einem geringen M².

Mittels eines planen diffraktiven Elements können symmetrische und asymmetrische Strahlprofile erzeugt werden.

Mikrolinsen-Arrays (MLA) werden meist zur Homogenisierung und Formung von Laserstrahlen verwendet – zum Beispiel, wenn es darum geht, das Licht in eine Faser einzukoppeln. Sie bestehen aus zahlreichen Mikrolinsen, die rechteckig oder als Sechseck angeordnet sind. Die von LASER COMPONENTS vertriebenen MLAs sind mit einer Antireflex-Beschichtung versehen. Sie halten daher auch hohen Laserleistungen stand, wie sie in der Medizintechnik oder bei Industrielasern vorkommen.