 | Newsletter – Nr 8
Strahlaufweitung macht den Fokus klein - Teil 1
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Aufweiten? Warum?
Es klingt paradox, aber es ist wirklich so: will man einen Laserstrahl möglichst klein fokussieren, muss man ihn vor der Fokussierung möglichst groß aufweiten. Ein Zahlenbeispiel: würde man einen idealen Laserstrahl (K=1) der Wellenlänge 10,6 µm mit 20 mm Strahldurchmesser mittels einer idealen Linse der Brennweite 127 mm (5.0“) fokussieren, erhielte man einen Fokusdurchmesser von knapp 86 µm. Schon bei 25 mm Strahldurchmesser ist der Fokus dann nur noch knapp 69 µm, während er bei 15 mm Strahldurchmesser schon über 114 µm groß ist. |
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Fokusdurchmesser in Abhängigkeit vom Strahldurchmesser
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Der Fokusdurchmessers ist also umgekehrt proportional zum Strahldurchmesser. Dies macht deutlich wie wichtig ein Aufweiten des Laserstrahls mit einem Teleskop ist. Erst recht, wenn man bedenkt, dass für viele Bearbeitungsprozesse die Energiedichte des Lasers entscheidend ist. Die Energiedichte ist aber ihrerseits wieder quadratisch vom Durchmesser des Fokus abhängig, wodurch sich insgesamt eine Abhängigkeit ergibt die umgekehrt proportional zum Quadrat des Rohstrahldurchmessers ist!
Speziell für Laser, die nur einen sehr kleinen Rohstrahl liefern, was häufig bei CO2-Lasern unterhalb von 1000 Watt auftritt, ist daher eine Strahlaufweitung zwingend erforderlich. Aber auch für größere Laserleistungen sind Strahlaufweitungen ein Muss, will man optimale Ergebnisse erzielen.
Prinzipielle Methoden:
Es gibt unterschiedliche Wege, den Strahl eines Lasers aufzuweiten. Jeder dieser Wege hat seine Vor- und Nachteile. Im Einzelnen sind dies:
 | Aufweitung über die Laufstrecke
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| Aufweitung mit einem transmissiven Teleskop
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| Aufweitung mit einem reflexiven Teleskop
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| Aufweitung mit einem adaptiven Spiegel
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In den folgenden Abschnitten sollen diese Methoden nun im Einzelnen diskutiert werden.
Aufweitung über die Laufstrecke
Als einfachste Aufweitungsmethode käme prinzipiell die Aufweitung über die natürliche Divergenz des Lasers in Frage. Normalerweise verfügen alle Laser über ein, wenn auch geringfügig auseinanderlaufendes, Strahlenbündel. Man spricht hier von divergenter Strahlung. Will man an der Fokussierlinse nun einen möglichst großen Strahl haben, so kann man natürlich die Fokussierlinse einfach in einem größeren Abstand zum Laser setzen. Dies ist aber aus mehreren Gründen problematisch. Zum einen sind die notwendigen Abstände zwischen Laser und Fokussierlinse dann meist sehr groß, so dass man den Laser über viele Spiegel lenken müsste, um den gewünschten Abstand zu erreichen, zum anderen hat die Fokussierlinse maschinenbedingt fast immer keinen festen Abstand zum Laser (z.B. bei einem Flachbettschneidtisch). Der Laserstrahl hätte dann unterschiedliche Durchmesser auf der Fokussierlinse und der Fokus wäre unterschiedlich groß über den Arbeitsbereich der Maschine.
Trotzdem hat diese Methode Ihre Berechtigung. Sie hat einerseits den Vorteil, dass man mit preisgünstigen Planspiegeln auskommt und andererseits die Eigenschaften des Laserstrahls nicht negativ beeinflusst, wie es durch jede andere (natürlich in der Realität nie ideale) Optik der Fall wäre. Ein weiterer Vorteil liegt darin, dass sich die meist auftretenden stark divergenten Nahfeldmoden des Lasers wegen der großen Laufstrecke verlieren, so dass nur noch das gewünschte Fernfeld des Lasers übrig bleibt.
Mehr zu diesem Thema finden Sie in der nächsten Ausgabe von „Auf den Punkt gebracht“. Sollten Sie aber jetzt schon Fragen haben oder eine konkrete Anwendung planen, können Sie auch jederzeit mit uns Kontakt aufnehmen. II-VI hat eine Vielzahl unterschiedlicher Lösungen zur Aufweitung des Laserstrahls im Programm und berät sie gerne bei der Auswahl. |
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| Ihr Ansprechpartner: |
| Martin Benzing (Tel.: +49-6151-8806-23, E-mail: mbenzing@ii-vi.de). |
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