Laserstrahlqualität verbessern

Digitaler Wellenfrontsensor zur Vermessung von Laserstrahlen

  • Die Wellenfrontanalyse eines Laserstrahls  (λ= 633 nm) in einer Ebene ermöglicht die Voraussage der Strahleigenschaften am Fokuspunkt und die Berechnung der Position sowie den Durchmesser der Strahltaille und auch der Divergenz des LaserstrahlsDie Wellenfrontanalyse eines Laserstrahls (λ= 633 nm) in einer Ebene ermöglicht die Voraussage der Strahleigenschaften am Fokuspunkt und die Berechnung der Position sowie den Durchmesser der Strahltaille und auch der Divergenz des Laserstrahls
  • Die Wellenfrontanalyse eines Laserstrahls  (λ= 633 nm) in einer Ebene ermöglicht die Voraussage der Strahleigenschaften am Fokuspunkt und die Berechnung der Position sowie den Durchmesser der Strahltaille und auch der Divergenz des Laserstrahls
  • Digitale Wellenfrontsensoren werden in der Messung von Laserstrahlen eingesetzt um Informationen über die Fokussierungsparameter des Strahls zu erhalten. Dabei werden gleichzeitig die Phase und die Intensität an lediglich einer Ebene rechtwinklig

Laserstrahlprofile spielen bei Anwendungen wie Laserschweissen, Laserfokussierung und Laser-Kommunikation eine wichtige Rolle. Bei diesen Anwendungen ermöglicht die ­Messung der Laserstrahlprofile Aussagen über die Änderung der Strahlbreite, Strahlform und lokale Intensitäten des Laserstrahls zu machen.

Die Leistung des Lasers in der Materialbearbeitung hängt wesentlich von Parametern des Laserstrahls ab. Die Auslegung eines Lasersystems mit optimalen Strahleigenschaften im Arbeitsbereich ist jedoch keine leichte Sache. Zunächst muss ein qualitativ hochwertiger Strahl, mit den gewünschten Eigenschaften, erzeugt werden und danach muss dieser effizient zum Arbeitsbereich gebracht werden ohne dass sich bis dort die Eigenschaften ändern.

Messung von Laserstrahl Profilen
Nebst Strahlstärke und Polarisation sind der Strahlquerschnitt bzw. dessen Änderung während der Ausbreitung die wichtigsten Eigenschaften eines Laserstrahls. Die lateralen Ausbreitungseigenschaften eines stigmatischen Strahls werden durch die Strahltaillierung, den Abstand von der Taillierung und dem Divergenzwinkel vollständig bestimmt.
Eine kombinierte Bestimmung aller Strahlparameter wird üblicherweise durch Aufzeichnung des Strahlquerschnitts an verschiedenen Stellen entlang der Strahlausbreitung gemacht. Für elliptische Strahlen wird die Messung in den zwei Richtungen X und Y durchgeführt. Da die numerische Bestimmung der Strahlbreite durch parabolische Interpolation der Strahlungsintensität gemacht wird, ist der Strahlausbreitungsfaktor M2 sehr anfällig auf Fehler der Strahlbreitenmessung. Daher werden zahlreiche Messungen an unterschiedlichen Stellen benötigt um einen verlässlichen Wert für M2 zu erhalten. Gemäss der ISO 11146 Norm muss die Messung der Strahlintensitätsverteilung an mindestens fünf Stellen innerhalb einer Rayleigh-Distanz von der Strahltaille und fünf weiteren Stellen von zweimal der Rayleigh-Distanz durchgeführt werden. ZR = w02/λ, wobei w0 die Strahltaille und λ die Wellenlänge ist.
Die Profile werden als Konturabbildungen der Strahlintensität, als 3D Darstellungen oder als Profil dargestellt. Der Strahlausbreitungsfaktor M2 vergleicht quantitativ die Ausbreitungseigenschaften des Strahls zu einem rein TEM00 gaussschen Strahl.

Der Vergleich erlaubt für einen Strahl mit bestimmter Anfangsstrahlbreite uns Linsen Fokuslänge die genaue Strahlgröße am Fokuspunkt zu bestimmen. Zudem kann die Strahlungsintensität an einem Fokuspunkt, der Rayleigh Bereich in dem der Strahl relativ parallel verläuft sowie die Weit-Feld Divergenz vorausgesagt werden. In der Praxis müssen an 20 bis 60 Stellen Messungen der Strahleigenschaften durchgeführt werden um eine +/-5 % Genauigkeit des M2 Wertes, mit einer Sensitivität von +/-2 % zu erhalten.

Wellenfront eines Laserstrahls
Die Wellenfront ist eine andere Charakterisierung des Strahls welche Informationen über den lokalen Energiefluss innerhalb des Strahls gibt. Bei einem Laserstrahl mit flacher Wellenfront fliesst alle Energie entlang paralleler Linien, so dass der Strahl perfekt parallel entlang der Ausbreitungsrichtung verläuft. Fokussierte Strahlen hingegen haben konkave Wellenfronten welche es erlauben ein Maximum an Energie an einem Punkt, der Strahltaille zu konzentrieren. Die Wellenfront zeigt die Richtung in welche sich ein bestimmtes Segment eines Laserstrahls bewegt. Es zeigt intuitiv und direkt welche Anteile im Strahl schlussendlich zur Divergenz beitragen. In dieser Hinsicht liefert es mehr Erkenntnis als eine einfache Messung des Divergenzwinkels.
Die Abbildung der Wellenfront liefert eine intuitive Information der Strahlstruktur. Durch Berechnungen von der Wellenfront ausgehend kann die Strahlqualität bestimmt werden. Wellenfrontmessungen liefern Informationen zu den Aberrationen im Laserstrahl und verwenden diese um die Modulations-Transferfunktion (MTF) zu berechnen. Diese wird als Indikator der Durchlässigkeitsqualität von optischen Elementen im Strahl des Lasers verwendet.
Die Information über die Wellenfront ist eine wertvolle Ergänzung zu den Strahlprofildaten. Es liefert die Informationen welche notwendig sind um mögliche zukünftige Strahlverteilungen vorauszusagen, ohne die Notwendigkeit den Strahl an mehreren Stellen zu messen. Dadurch wird auch die Bestimmung der Strahltaille verbessert. Zudem liefert die Wellenfront auch detailliertere Informationen zu den Ausbreitungseigenschaften des Strahls in einem optischen System. Wellenfront Messdaten liefern auch präzisere Informationen über einen Strahl der auf einen Fokuspunkt zuläuft wie auch über die genaue Position des Fokuspunktes entlang der optischen Achse.

Digitaler Wellenfrontsensor
Bis heute waren kommerziell erhältliche Wellenfront Analysatoren lediglich in der Lage eine geringe Auflösung zu liefern und, im besten Falle, konnte die Intensitätsverteilung mit geringer Auflösung gemessen werden. Für eine umfassende Lasermessung mussten daher mindestens zwei Messgeräte verwendet werden, ein Strahl-Profilometer sowie ein Wellenfrontsensor. Bei diesen „analogen" Wellenfrontsensoren wandeln spezielle Hardwarekomponenten den Lichtstrahl in Interferenzstreifen (wie in shearing Interferometern) oder in eine Serie von Punkten (wie bei Shack-Hartmann sensoren) um, so dass die ursprünglichen hochauflösenden Daten verloren gehen und die Informationen lediglich mit einer zusätzlichen Kamera aufgenommen werden können.
Der neue digitale Wellenfrontsensor von PhaseView misst sowohl hochauflösende Wellenfrontdaten wie auch hochauflösende Intensitätsdaten in Echtzeit und in einer Messung. Auf diese Weise ist es möglich gleichzeitig die wichtigen Größen M2 und andere Strahlausbreitungsparameter wie auch die Wellenfrontparameter zu messen. Dabei genügt ein Gerät und die Messung muss lediglich an einer Stelle, senkrecht zur Ausbreitungsrichtung, durchgeführt werden. Dies ist besonders hilfreich für gepulste Laser wo die Strahltaille und die Wellenfront sich sehr schnell verändern.
Der Ausdruck „digital" welcher bei der PhaseView digitalen Wellenfrontmessung verwendet wird bezieht sich auf einen minimalen Einsatz von Hardware und im Gegenzug eine intensive Nutzung spezieller Software-Algorithmen worauf auch die technische Innovation hauptsächlich basiert.
Die digitalen Wellenfrontsensoren basieren auf der Messung der Energiedistribution im dreidimensionalen Raum. Es wird die Variation der elektromagnetischen Wellenintensität in Richtung der optischen Achse gemessen. Zudem, wie bei Interferometern, wird die Verteilung der Lichtintensität in transversaler Richtung gemessen. Im Gegensatz zur Interferometrie wird jedoch bei den DWS kein Referenzspiegel benötigt; das gemessene Objekt agiert selbst als Referenz.
Die Intensitätsmessung in drei Dimensionen und in Echtzeit führt zur hochauflösenden Messung der Wellenfront ohne Verwendung von Diffraktionselementen oder Mikrolinsen. Einzig der Rechenaufwand fällt ins Gewicht, ist aber dank moderner PC Technologie problemlos lösbar. Die Strahlausbreitung durch den Raum wird durch eine Projektion des Strahls, entsprechend verschiedener Ebenen rechtwinklig zur optischen Achse, auch eine CCD Kamera gemessen. Die Bilder werden dann mittels komplexer und schneller Differentialgleichungen verarbeitet und analysiert wodurch schlussendlich die Wellenfront des Strahls als Resultat erhalten wird. Der optische Sensor ist unempfindlich gegenüber Vibrationen, kompakt (25 x 32 x 43 mm) und leicht (0,3 kg). Trotz dem erheblichen Rechenaufwand der die Technologie erst ermöglicht, können Messfrequenzen von 15 Hz oder mehr erreicht werden.
Heutige digitale Sensoren haben typischerweise eine Sensitivität von λ/100 über das gesamte dynamische Spektrum von einigen hundert Wellenlängen. Eine Auflösung von ca. 250.000 Messpunkten über die Öffnung von 6,4 x 4,8 mm wird erreicht. Ohne zusätzliche Hardwarekomponenten können digitale Wellenfrontsensoren über ein weites Spektrum der Beleuchtungsfrequenz eingesetzt werden. Die Messung von Steigungen, Divergenz und Konvergenz der Wellenfronten reduzieren die Komplexität der optischen Systeme und erlauben dadurch die Messung schnell ablaufender Phänomene. Die digitalen Wellenfrontsensoren bieten Flexibilität bei der Auflösung und dem Messbereich, wodurch sowohl Messungen höherer wie auch niedriger Ordnung möglich sind.
DWS kommuniziert mit dem Computer mittels USB 2.0 Anschluss. Sowohl CW und gepulste Laser wie auch fokussierte Strahlen können analysiert werden und der Ausbreitungsfaktor M2 erhalten werden. Die Position des Fokuspunktes kann auch für komplexe Lasersysteme berechnet werden. Die digitale Rekonstruktion der Wellenfront wie auch die Berechnung der charakteristischen Parameter des Laserstrahls werden durch die GetWave Software von PhaseView durchgeführt. Aus einer Berechnung der Wellenfront in einer Ebene rechtwinklig zur optischen Achse können, ohne weitere Bilder aufzunehmen, folgende Werte errechnet werden: Strahltaille wx und wy, deren Positionen zx und zy im Bezug auf die Fokuslinse, Rayleigh Abstände zR,x und zR,y, mit 2 -4 % Genauigkeit und Sensitivität besser als 2 %. Der Astygmatismus des Strahls, dessen Asymmetrie und Divergenz werden ebenfalls berechnet.
Digitale Sensoren eröffnen bei der Charakterisierung von Laserstrahlen neue Möglichkeiten. Im Vergleich zu den herkömmlichen Methoden der Parameterbestimmung durch Messung der Strahlbreite entlang der Ausbreitungsrichtung, bietet die Aufnahme eines hochauflösenden Bildes und dessen numerische Verarbeitung eine schnelle Rekonstruktion des Strahlprofils mit höherer Genauigkeit. Die umständliche und zeitraubende Messung von mehreren Ebenen entfällt dadurch. Bei der Messung von Aberrationen (Verformungen der Wellenfront) in Laserstrahlen erlaubt die hohe Auflösung der DWS Wellenfrontmessung, gekoppelt mit der einfachen Messung der Lichtintensität eine verlässliche Voraussage des Verhaltens des Lasers beim Fokuspunkt. Dadurch kann die genaue Position des Fokuspunktes bestimmt werden und die Strahltaille sowie die Divergenz und somit der Ausbreitungsfaktor M2 genauer berechnet werden als mit analogen Wellenfrontsensoren.

Zusammenfassung
Hochauflösende Wellenfrontsensoren sind eine Hilfe bei der Ausrichtung optischer Systeme welche Laser enthalten. Die Form des Laserstrahls kann gemessen und Vorausgesagt werden. Auch die Fokussierung des Strahls und kleinste Aberrationen, hervorgerufen durch optische Elemente im optischen Aufbau, können bestimmt werden. Kombiniert mit Wellenfront Korrektur-Elementen und Kontrollsystemen in einem integrierten optischen Adaptationsaufbau helfen die DWS Sensoren die Laserstrahl Qualität zu verbessern.

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