Laseroptiken: Ein Leitfaden

Wenn wir von Lasern sprechen, denken wir an kohärentes Licht, sehr kurze Bandbreite und Leistung. Diese Eigenschaften müssen bei der Verwendung von Optiken mit Laserstrahlen berücksichtigt werden. Im Folgenden finden Sie Richtlinien für die Auswahl von Laseroptiken.

Was sind Laseroptiken?

Laseroptiken sind spezielle optische Elemente, die für Laseranwendungen konzipiert sind. Der von einem Laser ausgesandte Lichtstrahl ist in der Regel intensiver als zufällige Lichtemission und unidirektional.

Um einen Laserstrahl zu fokussieren, zu übertragen, zu filtern oder umzulenken, benötigt man spezielle Optiken, die für diesen Zweck und meist auch für die Art des Lasers, der verwendet wird, ausgelegt sind. Elemente für einen CW-Laser (Continuous Wave) oder einen Pulslaser können unterschiedlich sein, und eine Komponente, die für einen 266nm-Laser verwendet wird, passt möglicherweise nicht für einen 1064nm-Laser.

Kurz gesagt, Laseroptiken sind Komponenten, die für eine bestimmte Verwendung mit einem bestimmten Laser entwickelt wurden.

Schadensschwelle für Laseroptiken

Die Schadensschwelle oder LIDT (Laser Induced Damage Threshold) ist die maximale Energiemenge (in der Regel ausgedrückt in J/cm2), die ein optisches Element verarbeiten kann, ohne Schaden zu nehmen.

Während die LIDT für Hochleistungslaseranwendungen entscheidend ist, sind ihre Definition und Messung nicht ganz einfach. Da Laser in der Regel monochromatisch sind, sollte eine LIDT für eine bestimmte Wellenlänge definiert werden. Laseroptiken werden für eine bestimmte Anwendung entwickelt und reagieren bei anderen Anwendungen nicht auf dieselbe Weise. Außerdem sollte angegeben werden, ob es sich um einen CW-Laser oder einen gepulsten Laser (mit Pulsrate) handelt.

Wie lässt sich die Laseroptik LIDT optimieren?

Die Schadensschwelle hängt mit der Energiemenge zusammen, die von einem Element absorbiert wird. Ein virtuelles Element mit 100 % Transmission würde eine LIDT von null haben. Um sich der 100%igen Transmission anzunähern, müssen die Laseroptiken aus folgenden Elementen hergestellt und ausgewählt werden:

• Rohmaterial: Es sollte eine hohe Transmission bei der gewählten Wellenlänge aufweisen und praktisch frei von Verunreinigungen sein, da Verunreinigungen durch die Energie des Laserstrahls erhitzt werden und dann die Optik verschlechtern.
• Oberfläche: Je besser die Politur, desto höher die Transmission durch die Optik und desto geringer die Absorption. Die Verwendung hochglanzpolierter Elemente ist eine Möglichkeit zur Verbesserung der LIDT.
• Beschichtung: Antireflexionsbeschichtungen verbessern die Transmission. In der Laseroptik sind sie in der Regel scharf auf eine bestimmte Wellenlänge fokussiert (Reflexionskurve sieht aus wie ein „V“), um die niedrigsten Reflexionswerte zu erreichen. IBS-Beschichtungen sind Aufdampfbeschichtungen vorzuziehen, da sie eine höhere Schichtdichte haben und damit eine geringere Absorption von Wasser und Verunreinigungen ermöglichen.
• Sauberkeit: Die LIDT hängt von der Oberflächenqualität eines optischen Elements ab; nicht saubere Elemente verschlechtern die Schadensschwellenwerte. Die Herstellung und Handhabung erfolgt bei Hochleistungselementen häufig in Reinräumen.

Wie misst man die LIDT einer Laseroptik?

Die Messung der LIDT ist nicht einfach, es handelt sich um einen destruktiven Prüfungprozess, für die teure Geräte benötigt werden.

Das Verfahren besteht darin, einen Laserstrahl auf die zu prüfende Optik zu richten und den eventuellen Schaden visuell zu analysieren. Es können mehrere Tests an derselben Optik durchgeführt werden, um den LIDT-Wert fein abzustimmen.

Wie bereits erläutert, ist ein LIDT-Wert an einen bestimmten Lasertyp gebunden. Um einen LIDT-Wert testen zu können, sollte man also in der Lage sein, ihn mit einem entsprechenden Lasergerät zu testen; es gibt zwar Faustregeln zur Extrapolation des LIDT-Werts von einem Lasertyp auf einen anderen, doch sind diese nicht sehr genau und können nicht als Grundlage für ein optisches Design verwendet werden.

Da es sich bei der Prüfung selbst um eine destruktive Prüfung handelt und die Laseroptiken auch nicht sehr billig sind, wird die LIDT oft durch die Einhaltung anderer Spezifikationen (Material, Art der Beschichtung, Polieren, Sauberkeit) gewährleistet.

Welche optischen Materialien sind als Laseroptiken geeignet?

Es ist also nicht nur wichtig, ein gutes optisches Material mit hoher Transmission im Wellenlängenbereich des Lasers zu wählen, es ist auch wichtig, Material mit geringen Verunreinigungen zu wählen. Einige Materialhersteller bezeichnen hochreines optisches Material sogar als „Laser“-Qualitätsmaterial.

Einige Beispiele für Materialien, die in der Laseroptik verwendet werden:

• ZnSe für Laser im mittleren IR-Bereich (8-12µm)
• CaF2 Nd: für YAG-Laser (266nm & 4µm), aufgrund seiner geringen Absorption hat es eine hohe LIDT und wird daher häufig für Eximer-Laser verwendet.
• MgF2: für UV- und Eximer-Laser.
• Für C02-Laser (10,6µm): Zinkselenid (ZnSe), Germanium (Ge), Galiumarsenid (GaAs) und Silizium (Si)
• N-BK7/ H-K9L sind ebenfalls gute Substrate für Laseroptiken, vorausgesetzt, sie werden nicht mit zu hoher Leistung belastet.
• Quarzglas wird aufgrund seiner hohen Reinheit (mehr als 99,99%) häufig für Laseroptiken verwendet.

Verschiedene Komponenten der Laseroptik

Verschiedene Laseroptiken und ihre konkrete Anwendung:

KOMPONENTE	ANWENDUNG
Linse	Fokussierung des Laserstrahls
Asphärische Linse	verbesserte Fokussierung des Laserstrahls
Spiegel	Umlenkung und Verteilung des Laserstrahls (z. B. für Scanning-Anwendungen)
Hohlraumspiegel	Totalreflexionsspiegel & Ausgangsspiegel
Filter	Verbesserung der Qualität des Strahls oder Verringerung der Strahlintensität
Optische Fenster	Schutz der optischen Ausrüstung vor äußeren Einflüssen
Wellenplatten	Differenzierung von Laserstrahlen
Strahlenteiler	Teilung eines Strahls in zwei Strahlen geringerer Intensität

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