OPTIK FÜR FASERLASERANWENDUNGEN
Faserlaser haben eine Bearbeitungs- und Forschungslücke gefunden, in der Nd: YAG-Laser zu teuer sind oder unerwünschte Strahlungseigenschaften aufweisen (z. B. große M2-Werte). Benutzer von Faserlasern befassen sich möglicherweise mit der Austauschbarkeit ihres vorhandenen Angebots an optischen Komponenten oder mit der Spezifikation neuer Optiken. Dieser Artikel befasst sich mit solchen Problembereichen und hebt hervor, welche Merkmale besonders sorgfältig spezifiziert werden sollten.
Faserlaser gewinnen in einer Vielzahl von Anwendungen wie Bohren, Schweißen, Folienschneiden, Lasermarkieren und präziser Mikrobearbeitung an Bedeutung. Forscher finden sie auch aufgrund ihrer geringen Stellfläche und der geringen M2-Werte als Quellen sehr nützlich. Der Erfolg von Faserlasern beruht auf ihrer einzigartigen Kombination von Strahleigenschaften, die aus anderen Quellen im gleichen Wellenlängenbereich nicht verfügbar sind: optionaler CW- oder gepulster Betrieb, Polarisationssteuerung (zufällig, linear oder zirkular), enge spektrale Bandbreite und TEM00 M2-Werte nahe 1 Mit einer solchen Verbesserung von M2 gegenüber Nd: YAG-Lasern können signifikant höhere Leistungsdichten realisiert werden. Eng fokussierte Strahlen sind möglich, was zu schärferen Bildern für die Markierung und feineren Schnitten für die Mikrobearbeitung führt. Die Fertigungsarbeitsabstände können ebenfalls erhöht werden. Daher erwartet der Markt eine wachsende Nachfrage nach speziellen optischen Komponenten für Faserlaseranwendungen.
1 Effekte der Strahlqualität
Der Auswahlprozess der Komponenten wird stark von den mit Faserlasern erzielbaren hohen Leistungsdichten beeinflusst. Der optische Hohlraum eines Faserlasers ist der Faserkern, der so ausgelegt werden kann, dass die Anzahl der Moden minimiert wird, so dass Hersteller Laser mit M2 = 1,05 kommerziell herstellen können. M2 ist das Verhältnis des Multimode-Durchmesserdivergenzprodukts des Laserstrahls zum idealen beugungsbegrenzten (TEM00) Strahldivergenzprodukt:
Dabei ist Θ0 die Strahldivergenz in Millirad und w0 die Breite der Taille des Ausgangsstrahls (wenn der Strahl kreisförmig ist, kann w0 durch den Strahldurchmesser d0 ersetzt werden). Oder für den erreichbaren Brennfleckdurchmesser d0:
1 zeigt die in Gleichung (2) verwendeten Parameter. Faserlaserhersteller liefern typischerweise einen Strahlabgabekopf mit einer kollimierten Ausgangsleistung zwischen 5 mm und 20 mm Durchmesser (D0). Berechnungen zeigen, dass mit einer Linse mit 19 mm Brennweite ein theoretischer Brennfleckdurchmesser d0 von 10 μm erreichbar ist. Für einen 50-W-Faserlaser bei 1075 nm hat der fokussierte Strahl daher eine enorme optische Leistungsdichte
Weitere Kombinationen sind in Tabelle 1 aufgeführt. Während die Strahllenkoptik möglicherweise nie einen perfekt fokussierten Punkt sieht, gibt es einen Sicherheitsfaktor, den der Konstrukteur berücksichtigen möchte. Diese hohen, beugungsbegrenzten Leistungsdichten können während der Ausrichtung auf optische Elemente treffen.
Für Niedrigenergie-Pulsfaserlaser und CW-Laser im mittleren Leistungsbereich (in der Größenordnung von 1-5 W Durchschnittsleistung) ist N-BK7-Glas von Schott chott.de ein geeignetes und kostengünstiges Substratmaterial für sowohl reflektierende als auch durchlässige Optiken, bei denen die Energie benötigt wird an der optischen Oberfläche ist <50 mw=""> N-BK7 ist ein Borosilikat-Kronenglas mit hoher Homogenität und hoher Transmission im sichtbaren und nahen Infrarot. Antireflexbeschichtungen (AR) können für Fenster, Linsen und Teilreflektoren verwendet werden, um die Gesamttransmission durch das Bauteil zu erhöhen. Bei diesen Energien können entweder schmalbandige ("V" -Beschichtung) AR-Beschichtungen oder mehrschichtige breitbandige AR-Beschichtungen verwendet werden, um das Reflexionsvermögen pro Oberfläche von etwa 4% auf <0,25% bei="" einer="" einzelnen="" wellenlänge="" oder=""><0,5% über="" eine="" bandbreite="" zu="" verringern="" von="" 250-400nm="" für="" abstimmbare="" lasersysteme="" (siehe="" abbildung="">
Schmalbandige "V" -Beschichtungen sind mehrschichtige (typischerweise zweischichtige) dielektrische Antireflexionsbeschichtungen, die ein theoretisches Mindestreflexionsvermögen bei einem schmalen Wellenlängenband erreichen. Das Reflexionsvermögen steigt auf beiden Seiten dieses Minimums schnell an, wodurch es im Diagramm für das Reflexionsvermögen gegenüber der Wellenlänge eine "V" -Form erhält. In der Regel verwenden US-Hersteller die Terminologie „V-Coat“ oder „Laserline“, um diese Beschichtung von ihren Breitband-AR-Angeboten zu unterscheiden.
Eine weitere Materialoption für den Einsatz mit den 1-5W-Faserlasern ist N-SF11-Glas von Schott mit einem Brechungsindex n = 1,754 bei 1060 nm, der höher ist als der von N-BK7 (1,507). Dies bietet Flexibilität, wenn für die Anwendung ein Objektiv mit kurzer Brennweite benötigt wird. Da sowohl N-SF11 als auch N-BK7 Wärmeausdehnungskoeffizienten im Bereich von 8 x 10 & supmin; & sup6; / ºC haben, ist Quarzglas die bevorzugte Wahl des Substratmaterials, wenn die Wärmestabilität wichtig ist. Quarzglas hat einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von nur 0,57 x 10 & supmin; & sup6; / ºC, eine Größenordnung stabiler als die anderen optischen Materialien. Faserlaserhersteller empfehlen Quarzglas für durchlässige Optiken zur Verwendung mit Faserlaserleistungen von mehr als 50 W. Zum Beispiel empfiehlt Southampton Photonics, Inc. (pioptics.com) die Verwendung von Quarzglas für Faserlaseranwendungen aufgrund seiner deutlich höheren Laserschadensschwelle. Es hat ähnliche Transmissionseigenschaften wie N-BK7 von 500-2000 nm, ist jedoch thermisch stabiler und weist höhere Schadensgrenzwerte sowohl für gepulste als auch für CW-Systeme auf. IPG Photonics (pgphotonics.com) empfiehlt Quarzglas in IR-Qualität für Faserlaser mit einer Leistung über 1 kW. Auch hier können AR-Beschichtungen verwendet werden, um Oberflächenreflexionen zu reduzieren. Für höhere Energien ist es jedoch am besten, nur mehrschichtige „V“ -Beschichtungen zu verwenden, die bis zu 1 MW / cm 2 oder mehr standhalten.
2 Linsen
Bei bestimmten Anwendungen wie der Abbildung von optischen Fallen ist die Aufrechterhaltung der Bildqualität über den gesamten Strahlengang hinweg von entscheidender Bedeutung. Obwohl Singulettlinsen, entweder aus Quarzglas oder N-BK7-Material, für einfache Strahlsteuerungsanwendungen geeignet sind, können aplanatische Doppel- oder Dreifachlinsen besser geeignet sein, um übertragene Wellenfrontfehler zu minimieren. Diese Linsen wurden entwickelt, um zwei monochromatische Wellenfrontfehler zu minimieren, die als sphärische Aberration und Koma bezeichnet werden. Die sphärische Aberration ist axialsymmetrisch und tritt auf, wenn kollimierte Strahlen, die durch die äußeren Zonen der Linse laufen, in einem anderen Abstand von der Linse fokussiert werden als Strahlen, die durch die zentrale Zone laufen. Koma ist eine achsenversetzte nicht symmetrische Wellenfrontverzerrung, die linear mit dem Feldwinkel oder der Entfernung von der Hauptachse zunimmt. In Kombination verzerren diese Aberrationen die durch die Linse übertragene Wellenfront und bewirken, dass der Brennfleck unregelmäßig geformt und / oder unscharf wird.
Bei Doppel- und Dreifachlinsenkonstruktionen können abhängig von den spezifischen Konstruktionskriterien die zuvor aufgeführten oder andere Materialien verwendet werden. Sie sind für eine einzelne Wellenlänge optimiert und weisen normalerweise einen Luftabstand auf, um zusätzliche Wellenfrontverzerrungen zu minimieren, die durch Zement zwischen den Glasoberflächen hervorgerufen werden. Der Luftabstand zwischen den Elementen ermöglicht auch eine größere Flexibilität bei der Gestaltung, da benachbarte Oberflächen keine passenden Krümmungen aufweisen müssen. Stattdessen kann jede der vier bis sechs Oberflächen unabhängig voneinander optimiert werden, um Koma und sphärische Aberrationen durch die gesamte Linsenanordnung hindurch bestmöglich zu minimieren. Zementierte Linsenbaugruppen sollten vermieden werden, um die gesamte Schadensschwelle und Lebensdauer der Komponente zu maximieren.
3 Schmale spektrale Bandbreite
Der Wellenlängenbereich eines Faserlasers wird durch die Pumparchitektur des Herstellers und die in der aktiven Faserlaserkavität verwendeten Dotierstoffe bestimmt. Typische Wellenlängenbereiche sind: 780-800 nm für Erbiumdotierung,
1030-1120 nm für Ytterbium, 1530-1600 nm für Erbium-Ytterbium und 1800-2100 nm für Thulium. Die Bandbreite eines Faserlasers wird typischerweise durch Faser-Bragg-Gitter definiert. Die Faserlaserhersteller geben einen Bereich an, aus dem der Endbenutzer eine bestimmte Wellenlänge auswählen kann. Die tatsächliche Bandbreite jedes Lasers beträgt nur 1-2nm. Dies könnte ein wichtiges Detail bei der Auswahl von Komponenten sein, wie z. B. Wellenplatten höherer Ordnung, die nur über eine schmale Bandbreite ordnungsgemäß funktionieren.
4 Polarisationsoptik
Bandbreite und Energiedichte sind die wichtigsten Strahleigenschaften, die bei der Auswahl zwischen verschiedenen Polarisatoren und Wellenplatten zu beachten sind. Polymer-Linearpolarisatoren sind nicht zur Verwendung bei Energien über 1 W / cm² vorgesehen. Zementierte Würfelpolarisatoren sind sowohl in Schmalband- als auch in Breitbandausführung erhältlich, aber die Schadensschwellen werden durch das interne Epoxid begrenzt. Obwohl Berichten zufolge einige optische Zemente Laserleistungsdichten von 500 W / cm2 aushalten können, empfehlen Faserlaserhersteller, bei Faserlasern mit einer Nennleistung von über 50 W auf eine zementierte Optik zu verzichten. Oberhalb dieses Niveaus muss auf ein luftgetrenntes oder optisch kontaktiertes Polarisationswürfel-Design umgeschaltet werden, das typischerweise mehr als 1 MW / cm2 CW-Laserlicht verarbeiten kann.
Bei einer Kristallquarz-Wellenplatte mit mehreren Ordnungen nahe 1 mm Dicke kann eine Veränderung der Wellenlänge um 2 nm den Unterschied zwischen einer ausgezeichneten Wellenplatte und einem nicht akzeptablen Teil ausmachen. Eine 1 mm dicke & lgr; / 4-Wellenplatte, die für 1082 nm ausgelegt ist, wäre tatsächlich eine 0,23 & lgr; -Wellenplatte bei 1084 nm oder & lgr; / 50 off. Alternativ würde eine zusammengesetzte Wellenplatte nullter Ordnung, die für die gleichen zwei Wellenlängen ausgelegt ist, die Verzögerung zwischen den beiden um <λ 1000="" wellen="" ändern,="" was="" innerhalb="" typischer="" messgrenzen=""> Wellenplatten nullter Ordnung arbeiten sehr gut über ± 40-70 nm ab der Entwurfswellenlänge und eignen sich sowohl für abstimmbare Lasersysteme als auch für Systeme mit Laserlinienbandbreiten von> 1 nm (siehe Abbildung 3).
5 Spiegel
Standardkomponenten - dh vorhandene Beschichtungsdesigns - für andere Laserlinien passen möglicherweise nicht gut genug zu den neuen Wellenlängen und Leistungen des Faserlasers, um eine optimale Leistung zu erzielen. Für sehr energiearme Systeme können geschützte Metallspiegelbeschichtungen wie Gold, Aluminium und Silber für bestimmte Anwendungen geeignet sein, bei denen kein 100% iges Reflexionsvermögen erforderlich ist. Sie sind leicht verfügbar und kostengünstig. Trotz der Schutzschichten sind Metallbeschichtungen weich und können bei unsachgemäßer Handhabung zerkratzt oder korrodiert werden. Alternativ sind dielektrische Mehrschichtspiegel hartbeschichtet, langlebig und bei normalem Einfall oder 45 ° stark reflektierend (siehe Abbildung 4). Sie haben in 10-20 ns gepulsten Systemen Beschädigungsschwellen von mehr als 20 J / cm2 und sollten daher weder bei gepulsten noch bei CW-Faserlaser-Aufbauten eine Verschlechterung oder Beschädigung verursachen. Obwohl nicht besonders breitbandig, reflektiert ein dielektrischer Standardspiegel, der für Nd: YAG-Systeme mit 1064 nm ausgelegt ist, bei 1075 nm oder 1080 nm immer noch> 99%.
6 Fazit
CVI hat eine neue Reihe von Spiegeln vorgestellt, die speziell für die Verwendung mit Faserlasersystemen entwickelt wurden. Zusätzlich hat CVI die gängigsten Faserlaserwellenlängen zu den bestehenden Produktlinien hinzugefügt, einschließlich AR-Beschichtungen für durchlässige Optiken wie Wellenplatten, Linsen und Fenster sowie reflektierende Beschichtungen für Strahlteiler, Teilreflektoren, Ausgangskoppler und Spiegel.
Die Faserlaserhersteller stoßen weiterhin an die Grenzen ihrer Technologie und erhöhen die im Handel erhältliche CW-Leistung und gepulste Energie. Die exzellente Strahlqualität bei gleichzeitig höheren Energien wird weiterhin steigende Anforderungen an die in diesen Systemen verwendeten optischen Komponenten stellen. Zu den wichtigsten Spezifikationen für diese Komponenten gehören das Substratmaterial, die Schadensschwelle und die Oberflächenqualität.