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  CO2-Laseroptiken / Kundenspezifische diamantgedrehte Optiken
Kundenspezifische diamantgedrehte Optiken für CO2-Laser und IR-Optiksysteme
Diamond-Turned Custom Optics: non-rotational symmetries

Die meisten Optiken weisen eine turnusmäßige Symmetrie auf. Sie werden bei den meisten Anwendungen genutzt. Trotzdem besitzen Optiken, die keine turnusmäßige Symmetrie aufweisen oft viele Vorteile gegenüber ihren eher traditionellen Entsprechungen mit wechselnder Symmetrie.

Dies trifft zum Beispiel zu für Bi-konische Linsen und Spiegel, die zwei Oberflächen-Radien auf einem Substrat kombinieren; für facettierte Linsen und Spiegel, die mehrere Plan-Flächen auf einem Substrat kombinieren und optische Arrays – sowohl reflektive als auch transmissive – die mehrere gewölbte Flächen auf einem Substrat kombinieren. Zu den Optiken mit nicht wechselnder Symmetrie gehören außerdem Off-Axis Parabolspiegel mit großem Arbeitsabstand, Ringfokus-Parabolspiegel und Dach-Strahlteiler.

Bi-konische Linsen

Biconic Lens
 

Bi-konische Linsen haben zwei unterschiedliche Radien auf einer Oberfläche. Je nach Anwendung und Notwendigkeit Abbildungsfehler zu beheben, ist es möglich, bi-konische Linsen mit spärischen oder asphärischen Wölbungen herzustellen. Bi-konische Linsen werden z. B. eingesetzt, um einen elliptisch geformten Fokus oder einen Linien-Fokus zu erhalten. Die Linsen werden außerdem in anamorphotischen Strahlaufweitern verwendet, um den Astigmatismus im Laserstrahl zu reduzieren. Da die meisten Laseranwendungen symmetrische Gauß-Strahlen erfordern, müssen astigmatische Strahlen korrigiert werden.

Der Optik-Typ der normalerweise in anamorphotischer Strahlaufweitern und elliptischen Fokussier-Linsen eingesetzt wird, ist eine Zylinderlinse. Für die Strahlaufweiter-Anwendung und einige Fokussier-Anwendungen ist es notwendig zwei Zylinder zu verwenden, was schwierige Justierverfahren mit sich bringt. Mit der bi-konischen Linse kann die Anzahl der Optiken, die bei einer Anwendung benötigt werden, deutlich reduziert werden.

  • Bi-konische optische Brechkraft kann auf einer Oberfläche angeordnet werden
  • Leicht auszurichten. Die Rechtwinkligkeit der Kurven ist durch die maschinelle Bearbeitung sichergestellt
  • Nützlich in anamorphotischen Strahlaufweitern
  • Als Fokussierlinse produziert sie elliptische Brennpunkte
  • Die Krümmungen können sphärisch oder elliptisch sein

Bikonische Spiegel

Biconic Mirror
 

In vielen Anwendungen helfen sphärische, zylindrische und parabolische Spiegel den Laserstrahl zu formen. Bikonische Spiegel – oder die üblicheren Toroid-Spiegel – können zwei separate Optiken in einer kombinieren.

Bikonische Spiegel haben zwei unterschiedliche Radien auf einer Oberfläche. Es ist auch möglich, Spiegel mit einer sphärischen und einer asphärischen Krümmungen herzustellen, abhängig von der geplanten Anwendung. Sind die Spiegel entsprechend ausgelegt, können sie einen gewöhnlichen 90° Beugungs-Spiegel ersetzen, um den Laserstrahl in einem langen Strahlengang zu kollimieren.

  • Bikonische optische Leistung kann auf einer Oberfläche gebündelt werden
  • Die Krümmungen können so angelegt werden, dass sie einen beugungslimitierten Fokus bei 45° Einfallswinkel erzeugen
  • Nützlich in anamorphen Strahlaufweitern
  • Als Fokussier-Spiegel bei 0° Einfallswinkel werden elliptische Brennpunkte erzeugt
  • Die Krümmungen können sphärisch oder asphärisch sein

Lichtdurchlässige Strahl-Integratoren

Faceted Lens
 

Lichtdurchlässige Strahl-Integratoren werden bei Laseranwendungen eingesetzt, die eine relativ große Intensität mit breitflächigem Fokus benötigen. Facetten-Integratoren fokussieren einen Hochleistungs-Strahl mit einer relativ breitflächigen Strahlintensität bei der Größe und Gestalt der individuellen Facettengröße und –gestalt entsprechen. In der Vergangenheit war es extrem schwierig, einen lichtduchlässigen Facetten-Integrator herzustellen. Heute werden diese Facetten-Integratorlinsen jedoch mit hochentwickelter Diamant-Drehtechnik gefertigt. Das hauptsächliche Substratmaterial für Integratorlinsen ist zwar ZnSe, eine solche Oberfläche kann jedoch genauso auf Ge oder jedem anderen Material hergestellt werden, das mit Diamanten bearbeitet werden kann.

Facettenlinsen sind eine gute Alternative zu den Facetten-Spiegeln. Facetten können auf der Linsenoberfläche in nahezu jeder Form arrangiert werden. Es gibt einige praktische Grenzen was die Größe der Facetten betrifft, aber Facetten-Größen von 2 bis 8 mm sind möglich auf Spiegeln von bis zu 100 mm Durchmesser.

  • Lichtdurchlässige Strahl-Integratoren ermöglichen eine relativ breitflächige Strahlintensität
  • Integrierte Strahlen können quadratisch oder rechteckig sein
  • Der fokussierte Strahl ist relativ großflächig – 2mm und mehr – ist ideal zum Biegen und Hitzebehandeln
  • Der Grad der Integration ist abhängig von einem nicht kohärenten Laserstrahl Diese Integratoren arbeiten am besten mit Laserstrahlen mit einer geringen Kohärenz

Reflektierende Strahl-Integratoren

Faceted Mirror
 

Reflektierende Strahl-Integratoren werden zusammen mit Hochleistungs-Lasern zum Biegen, zur Beschichtung und zum Härten und Vergüten von Materialien verwendet. Facettierte Integratoren fokussieren einen Laserstrahl zu einem Flat-Top Profil bei dem Größe und Gestalt durch die individuelle Facettengröße und –gestalt bestimmt werden.

In der Vergangenheit wurden reflektierende Optiken zur Strahl-Integration hergestellt, indem man einzelne Facetten-Spiegel auf einem gekrümmten Substrat aufbrachte. Heute werden diese facettierten Spiegel mit hochentwickelter Diamant-Drehtechnik gefertigt. Die schwierige und langwierige Arbeit, die einzelnen Facetten auf einem Substrat aufzubringen ist damit nicht länger notwendig. Des Weiteren kann der Spiegel direkt wassergekühlt werden.

Facetten können auf der Spiegeloberfläche in nahezu jeder Form arrangiert werden. Es gibt einige praktische Grenzen was die Größe der Facetten betrifft, aber Größen von 2 bis 8 mm sind leicht möglich auf Spiegeln von bis zu 75 mm Durchmesser. Integratoren arbeiten am besten mit Laserstrahlen von geringer Kohärenz.

  • Reflektierende Strahl-Integratoren produzieren eine relativ homogene Strahlintensität
  • Integrierte Strahlen können quadratisch, rechteckig oder rund sein
  • Spiegel werden aus Kupfer hergestellt und sind ideal für Hochleistungs-Laser
  • Fokussierte Strahlen sind relativ großflächig – 2mm und mehr – und ideal zum Biegen, Härten und Vergüten
  • Reflektierende Integratoren arbeiten am besten mit Laserstrahlen mit einer geringen Kohärenz

Linsen zur Änderung des Intensitätsprofils

Flat-Topped Doublet
 

II-VI bietet eine einfache Linsenform an, um ein Gauß-Profil in ein Flat-Top-Profil umzuwandeln.

Ein Strahlprofil in ein anderes umzuwandeln stellt eine Herausforderung dar. Optiken, die dazu geeignet sind, sind z. B. diffraktive Linsen, spezielle Strahl-Integratoren, Kombinationen von asphärischen Linsen und Phasenplatten. Wie bei vielen Konstruktionen ist es wünschenswert, die einfachste Form zu nutzen. Die asphärische Form von II-VI ist eine der simpelsten Ausführungen.

Die Methode, die verwendet wird, um einen Gauss Mode in ein Flat-Top Profil umzuwandeln, ist bedingt durch die gewünschte Größe des Strahlfokus. Für große Fokusdurchmesser ist z. B. ein facettierter Strahlintegrator notwendig (siehe oben). Wenn ein Laserstrahl dagegen auf einen Brennpunkt von 100µm fokussiert werden muss, ist es oft notwendig mit komplizierteren Asphären oder diffraktiven Optiken zu arbeiten. II-VI erreicht dies mit einer einfachen asphärischen Form. Abhängig von der Brennweite wird hier eine einzelne Linse oder eine Dublette entwickelt.

  • Brennweiten von 25mm und mehr
  • Die Einheit besteht aus einer oder zwei Linsen, abhängig von der gewünschten Brennweite
  • Erforderlich ist ein Gausscher Eingangsstrahl mit M2-Werten < 1.1 für bessere Ergebnisse
  • Wird angewendet zum Bohren und zur Materialbearbeitung

Off-Axis Parabolas mit großem Arbeitsabstand

Long WD Off-Axis Parabola
 

In der Vergangenheit war der Arbeitsabstand von Off-Axis Parabolspiegeln begrenzt durch den Bewegungsraum des zwei-achsigen Schwenkarms der Diamantdrehmaschine. Heute produziert II-VI -durch Nutzung von Slow Tool Servos -  Parabolas mit großem Arbeitsabstand und allen möglichen Umlenkwinkeln.

Genauso wie Off-Axis Parabolas mit Standard-Arbeitsabstand werden auch Spiegel mit großem Arbeitsabstand aus Kupfer-Substraten (entweder abgeschrägt oder flach) hergestellt, die eine extrem hohe Laserleistung und industrielle Umgebung aushalten. Sind diese Spiegel richtig gehaltert und ausgerichtet, liefern sie einen beugungslimitierten Fokus. Außerdem sind die Kupfer-Spiegel beschichtet, um so eine höhere Reflektivität zu gewährleisten.

II-VI stellt Parabolspiegel her, die den Laserstrahl über 90° (Standard) oder jeden anderen gewünschten Winkel reflektieren und fokussieren. Vom Kunden vorgegebene Eigenschaften wie Wasserkühlung und vom Anwender vorgegeben Halterungen sind auf Anfrage erhältlich.

  • Arbeitsabstände, die die Standard-Möglichkeiten von zwei-achsigen Maschinen übertreffen
  • Exzellente Abbildungsgenauigkeit <0.5µm
  • Exzellente Oberflächenrauheit <0.6nm
  • Optiken mit einem Durchmesser von bis zu 250 mm

Optische Arrays

Optical Array
 

Beim Bau bestimmter optischer Systeme müssen mehrere optische Elemente ganz genau als Array positioniert werden. In der Vergangenheit wurden einzelne Optiken hergestellt und zu einem gemeinsamen Substrat verbunden, was zu hohen Anforderungen bei der Positionierung und Ausrichtung führte. Heute, mit der hochentwickelten Diamant-Drehtechnik und der Fast Tool Servo Technologie von II-VI, ist es möglich die monolithischen, optischen Arrays direkt auf ein Substrat aufzubringen. Typische Substrat-Materialen sind ZnSe und Ge, und typische Metalle sind Cu und Al.

Eine bekannte Anwendung für dieses optische Design ist ein Fokuslinsen-Array bei dem alle Linsenteile die gleiche Brennweite haben. Allerdings ist es nicht sinnvoll Substrate nur mit Linsenteilen gleicher Brennweite zu bestücken. Die einzelnen Elemente können auch unterschiedliche Brennweiten haben, oder es kann eine Mischung aus positiven und negativen Elementen sein. Es ist ebenfalls möglich, Linsen und Spiegel zu kombinieren.

  • Monolythische, optische Arrays liefern einzigartige, raumsparende Lösungen

  • Arrays aus Linsenteilen sind leicht herzustellen und liefern Arrays mit mehreren Brennpunkten

  • Kombinationen von Linsen, Spiegeln und anderen optische Elementen sind auf einem Substrat möglich

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Ringfokus Off-Axis Parabolas

Ring-Focus Off-Axis Parabola
 

Der Ringfokus Off-Axis Parabola ist eine Optik die die Möglichkeiten eines 90° Parabol Fokus-Spiegels mit einer Axicon Fokusoptik kombiniert. Typischerweise werden ZnSe-Linsen mit einem konischen Abbild dazu genutzt, einen Ringfokus zu bilden. Dieser Ringfokus Off-Axis Parabola macht die transmissive Optik überflüssig, indem er das Axicon mit einem Off-Axis Parabolspiegel kombiniert. Die hieraus entstehende Geometrie ist eine frei formbare Oberfläche, die II-VI mit der Slow Tool Servo Technologie herstellt.

Dieser Ansatz bietet vielfältige Design-Spezifikationen für den Arbeitsabstand, den Ringdurchmesser und den Brechungswinkel. Für Hochleistungs-Anwendungen kann ein direkt-gekühltes Substrat-Design erworben werden.

  • Eine Optik leistet die Arbeit von zweien
  • Zur Nutzung in Hochleistungs-Lasersystemen
  • Hergestellt aus Standard Off-Axis Substraten
  • Exzellente RMS-Rauheit < 6nm
  • Jeder gewünschte Ringdurchmesser am Brennpunkt kann erzeugt werden

Dachförmiger Strahlteiler

Rooftop Beamsplitter
 

Prismen und durchlässige Strahlteiler sind die gewohnten optischen Elemente um Laserstrahlen in zwei separate Strahlen zu trennen. Diese Elemente sind gebräuchlich bei sichtbaren und IR-Wellenlängen. Für sehr hohe Laserleistungen im IR (1 – 10.6 µm) sind die meisten Prismen und Strahlteiler nicht empfehlenswert, da sie unter thermischen Linseneffekten leiden. Dies tritt speziell bei CO2-Lasern mit CW Leistungsstufen >500 W auf. Für diese hohen Leistungen ist es möglich, den Strahl mit einem metallenen, dachförmigen Strahlteiler zu teilen.

Dachförmige Strahlteiler, aus Kupfer hergestellt, sind direkt wassergekühlt. Das erlaubt einen Einsatz bei Laserleistungen höher als 6 kW. Ein 90° dachförmiger Strahlteiler wird eingesetzt um den Strahl physische in zwei Arbeits-Strahlen zu teilen. Die Arbeitswege diese zwei Strahlen bewegen sich im 180° Winkel zueinander. Mit einigen einfachen Spiegeln wende die Strahlen zum Biegen und zur Hitzebehandlung genutzt.

Der dachförmige Spiegel mit seinen zwei präzise ausgerichteten Spiegeln wird aus einem einzigen Substrat gefertigt. Jede Spiegel-Oberfläche ist Diamant-gedreht um Abbildungs- und Oberflächenqualität gerecht zu werden. Der Winkel zwischen den Spiegel-Oberflächen kann auf 10 Bogen-Sekunden genau hergestellt werden - wenn dies gewünscht wird.

  • Prismen-Strahlteiler werden eingesetzt um IR-Laserstrahlen mit sehr hoher Leistung in zwei Arbeits-Strahlen zu teilen.
  • Spiegel werden aus Kupfer oder Aluminium hergestellt
  • Kupfer-Spiegel können direkt wassergekühlt werden, so dass sie bei sehr hoher Laserleistung von > 5.0 kW eingesetzt werden können

Vortex-Linsen

Vortex Lens
 

Die Vortex-Linse ist einmalig, da in ihre gekrümmte Oberfläche spirale Phasenstufen eingearbeitet sind. Dieses spirale Muster kontrolliert die Phase des transmittierten Strahls. Wenn diese spiralen Stufen in eine gewölbte Linsenoberfläche eingearbeitet werden, produzieren sie einen Laserstrahl ohne Energie oder Leistung in der Mitte des Fokus. Mit anderen Worten: die Vortex-Linse produziert einen Ring-Fokus. Eine andere Eigenschaft des fokussierten Strahls ist, dass die Phase sich spiralförmig bewegt  wenn der Strahl sich ausweitet, daher wird sie manchmal auch Spiral-Linse genannt.

In der Vergangenheit wurden diese Linsentypen mit diffraktiven Elementen produziert. Jetzt werden sie direkt mit Diamant-Drehtechnik hergestellt. Das Ergebnis ist eine präzise Spiral-Stufe oder Vortex-Linse die einen Ringfokus hervorbringen kann.

Vortex-Linsen werden aus allen möglichen Diamant-drehbaren Material hergestellt. Für den Gebrauch bei 10.6 µm umfasst das auch Materialien wie ZnSe und Ge. Es ist auch möglich, diese Oberfläche auf einem reflektierenden Spiegel aus Cu oder Al aufzubringen.

  • Einzigartige optische Oberfläche, um einen „spiral-gephasten“ fokussierten Strahl zu erzeugen.
  • Die Spiral-Phase produziert im Fokus einen Ring-Mode
  • Kann für Ring-Fokus Anwendungen genutzt werden.

 

 
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