Powell-Linse
Was ist eine Powell-Linse?
Powell-Linsen sind Optiken, mit denen eine Laserlinie mit gleichmäßiger Intensität erzeugt wird. Um dies zu erreichen, verwenden sie eine einzigartige zylindrische asphärische Oberflächenform. Powell-Linsen werden in so unterschiedlichen Anwendungen wie industrieller Bildverarbeitung und Durchflusszytometrie eingesetzt.
Die meisten Laser geben kreisförmige oder elliptisch geformte Strahlen (im Querschnitt) ab. Das Intensitätsprofil entlang des Strahls ist in der Regel oder nahezu gaußförmig. Diese Gaußsche Intensitätsverteilung stellt für viele Anwendungen einen Vorteil dar. Es gibt jedoch auch Fälle, in denen eine gleichmäßige Intensitätsverteilung (oft als „Flat-Top“ bezeichnet) wünschenswerter ist.
Es gibt mehrere Möglichkeiten, einen Gaußschen Strahl in eine gleichmäßige Intensitätsverteilung umzuwandeln (sowohl in einer als auch in zwei Dimensionen). Die leistungsstärkste und flexibelste Möglichkeit stellt die Powell-Linse dar. Sehen wir uns an, warum manchmal Flat-Top-Strahlen benötigt werden, wie die Powell-Linse funktioniert und welche Vorteile sie gegenüber anderen Technologien bietet.
Gaußstrahlen – Vor- und Nachteile
Die Darstellung zeigt einen kreisförmigen Gaußschen Strahl. Dieser Strahl ist in der Mitte viel intensiver als am Rand. Ein Gaußscher Strahl ist das natürliche Ergebnis der Physik, auf der die meisten Laser basieren, weshalb er so häufig vorkommt.
Die meisten Laser erzeugen von Natur aus einen Strahl mit rundem Querschnitt und einer Gaußschen Intensitätsverteilung – dieser ist in der Mitte viel heller als am Rand. Zum Vergleich ist ein Strahl mit gleichmäßiger Intensität, sowohl kreisförmig als auch quadratisch, dargestellt.
Der Gaußsche Profilstrahl erweist sich aus mehreren Gründen oft als vorteilhaft gegenüber einem Strahl mit gleichmäßiger Intensität (rund oder quadratisch). Ein wichtiger Punkt ist, dass ein Gaußscher Strahl auf einen kleineren Punkt fokussiert werden kann als ein gleichmäßiger kreisförmiger Strahl desselben Durchmessers. Dies ist in vielen Anwendungen sehr praktisch. Bei den meisten Zwecken der Materialbearbeitung verbessert beispielsweise ein kleinerer fokussierter Strahl die Fähigkeit, winzige Merkmale zu erzeugen. Bei vielen laserbasierten Mikroskopietechniken erhöht eine kleinere fokussierte Punktgröße die Bildauflösung.
Es gibt jedoch Fälle, in denen das Gegenteil zutrifft – insbesondere dann, wenn der Laser zu einem Linienstrahl geformt wird (ein Strahl, dessen Länge die Breite übertrifft). Linienstrahlen werden für viele Beleuchtungszwecke eingesetzt. Dabei ist eine gleichmäßige Intensität wünschenswert, da eine gleichmäßige Ausleuchtung einer Szene oder eines Objekts die nachfolgende Bildverarbeitung vereinfacht und sowohl den Bildkontrast als auch die Auflösung erhöht.
Die Umwandlung Gaußscher Strahlen
Eine einzigartige Eigenschaft von Gaußschen Strahlen besteht darin, dass sie ihr Gaußsches Intensitätsprofil beibehalten, wenn sie mithilfe herkömmlicher Optik fokussiert, erweitert oder auf andere Weise umgeformt werden. Es ist tatsächlich relativ schwierig, diese Eigenschaft loszuwerden.
Der einfachste und direkteste Weg, einen Gaußschen Strahl in einen Strahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung umzuwandeln, besteht darin, den Strahl durch eine Blende zu leiten, die ganz einfach alles außer dem zentralen und gleichmäßigsten Teil des Strahls blockiert. Dieser Ansatz hat zwei Nachteile. Erstens geht ein sehr großer Teil der Laserleistung verloren – bis zu 75%. Zweitens ist der resultierende Strahl immer noch nicht ganz gleichmäßig.
Der einfachste Weg, einen Gaußschen Strahl in ein gleichmäßiges Intensitätsprofil umzuwandeln, besteht darin, einfach den mittleren Teil des Strahls auszusondern und den Rest ungenutzt zu lassen. Dieser Ansatz liefert jedoch die schlechtesten Ergebnisse.
Es ist schwieriger, einen Gaußschen Strahl in eine Flat-Top-Verteilung umzuwandeln, ohne dass viel Licht verloren geht. Dies kann jedoch sowohl mit diffraktiven als auch mit refraktiven Techniken erfolgen.
Diffraktive Optiken erzeugen Interferenzen zwischen verschiedenen gebeugten Größenordnungen, um das Licht in einem Laserstrahl räumlich neu zu verteilen. Dadurch kann praktisch jedes beliebige Intensitätsprofil, auch nahezu flache Intensitätsprofile, sowie eine große Vielfalt an Mustern erzeugt werden.
Es gibt zwei große Nachteile diffraktiver Optiken bei der Erzeugung gleichmäßiger Linienstrahlen. Zum Einen sind sie nicht sehr effizient. Sie verlieren eine beträchtliche Menge Licht in unerwünschte Beugungsordnungen. Zum Anderen sind sie typischerweise sehr wellenlängenempfindlich. Dies ist besonders problematisch beim Einsatz in Verbindung mit Diodenlasern.
Lenslet-Arrays stellen einen rein refraktiven Ansatz dar. Hierbei handelt es sich um Optiken, die mehrere Linsen enthalten, von denen jede viel kleiner als der Eingangsstrahl ist. Das von jeder Linse erzeugte Ausgabemuster überlappt sich im Fernfeld und erzeugt so die gewünschte gleichmäßige Intensitätsverteilung.
Zwei Konfigurationen zylindrischer Lenslet-Arrays.
Es ist sehr schwierig, mit Lenslet-Arrays einen hohen Grad an Gleichmäßigkeit im endgültigen Strahl zu erreichen. Für gewöhnlich weist die Intensität eine beträchtliche hochfrequente Welligkeit auf. Darüber hinaus erfordert die Herstellung von Lenslet-Arrays auch spezielle Werkzeuge, weshalb sie nur bei Anwendungen mit hohen Stückzahlen wirklich nützlich sind.
Die Powell-Linse
Powell-Linsen sind eine weitere Art refraktiver Optik, welche die Einschränkungen von diffraktiven Optiken sowie Lenslet-Arrays überwindet. Die Powell-Linse ist eine asphärische Zylinderlinse, die speziell geformt ist, um einen Gaußschen Eingangsstrahl effizient in einen divergierenden Strahl mit gleichmäßiger Intensitätsverteilung umzuwandeln. Da es sich bei einer Powell-Linse um eine Art Zylinderlinse handelt, homogenisiert sie den Strahl nur in einer Dimension.
Powell-Linsen.
Die Abbildung zeigt die Oberflächenform der Powell-Linse und vergleicht ihre Funktionsweise mit der einer herkömmlichen Zylinderlinse. Die Powell-Linse lenkt das Licht von der Mitte zum Rand des Strahls um, um den zentralen „Hot Spot“ zu beseitigen. Die Zylinderlinse sorgt auch dafür, dass der Strahl in einer Dimension aufgefächert wird, sein Gaußsches Profil bleibt jedoch erhalten. Dadurch entsteht ein Linienstrahl, der in der Mitte viel heller ist als am Rand.
Die Powell-Linse (links) wird mit einer herkömmlichen Zylinderlinse (rechts) verglichen. Beide Optiken wandeln einen Laserstrahl mit rundem Gauß-Profil in einen divergierenden Lichtfächer um, der auf jeder Oberfläche, auf die er projiziert wird, eine Linie erzeugt. Die Powell-Linse verschiebt das Licht von der Mitte zum Rand des Strahls, um eine Linie mit gleichmäßiger Intensität zu erzeugen, während die Zylinderlinse das Gaußsche Profil des Strahls beibehält, sodass seine Linie in der Mitte viel heller ist.
Die Powell-Linse liefert in fast allen Leistungsaspekten bessere Ergebnisse als diffraktive Optiken. Am wichtigsten ist, dass die Powell-Linse effizienter ist (weniger Licht verliert) und ein Muster mit steilen Kanten mit wenig Licht außerhalb des gewünschten Bereichs erzeugt.
Diese Powell-Linse ist zudem ziemlich unempfindlich gegenüber der Eingangswellenlänge. Dadurch kann sie in Zusammenhang mit Diodenlasern verwendet werden, da sie von Schwankungen der Wellenlänge von Einheit zu Einheit sowie der inhärenten Bandbreiten- und Wellenlängen-Temperaturabhängigkeit dieser Quellen nicht beeinflusst wird. Daraus resultiert, dass in Produktionsstrahlhomogenisatoren routinemäßig eine Gesamtintensitätsgleichmäßigkeit von ±5 % über das gesamte Muster erreicht werden kann, ohne dass Diodenlaser die Wellenlänge auswählen oder gruppieren müssen.
Powell-Linsen sind jedoch nicht perfekt. Jede ist für einen bestimmten Eingangsstrahldurchmesser ausgelegt und liefert bei größeren oder kleineren Strahlen keine optimalen Ergebnisse. Sie reagieren zudem empfindlich auf die Ausrichtung (in der Achse senkrecht zur zylindrischen Oberfläche). Eine Fehlausrichtung verringert die Gleichmäßigkeit der Intensität der projizierten Linie.
Grundlegendes zu den Spezifikationen von Powell-Linsen
Die Herstellung der zylindrischen Asphäre einer Powell-Linse mit hoher Präzision ist eine Herausforderung, und die Qualität von Powell-Linsen variiert von Hersteller zu Hersteller. Dies bedeutet, dass die Leistung einer realen Powell-Linse erheblich von ihren Konstruktionswerten abweichen kann. Daher ist es wichtig zu wissen, wie veröffentlichte Spezifikationen zu verstehen sind.
Die wichtigsten Spezifikationen für eine Powell-Linse sind ihre Betriebswellenlänge, der vorgesehene Eingangsstrahldurchmesser (definiert als 1/e² Intensitätspunkte, da der Eingangsstrahl gaußförmig ist) und der Ausgangsstrahl-Fächerwinkel. Diese sind in der Darstellung schematisch abgebildet. Da der Ausgangsstrahl gleichmäßig und nicht gaußförmig sein soll, wird der Fächerwinkel an dem Punkt gemessen, an dem die Leistung auf 80 % ihres Spitzenwerts abgefallen ist (und nicht am 1/e² Leistungspunkt).
Die wichtigsten Nennspezifikationen für eine Powell-Linse sind der Durchmesser des Eingangsstrahls und der Fächerwinkel des Ausgangsstrahls.
Typischerweise ist der wichtigste Leistungsparameter einer Powell-Linse die Gleichmäßigkeit ihrer Intensität. Herstellungsbedingte Schwankungen und Toleranzeffekte können zu Intensitätsschwankungen (insbesondere an den Strahlrändern), unebenen Spitzenprofilen, periodischer Struktur und Streuung führen.
Der Fächerwinkel der Powell-Lense wird für gewöhnlich an den Punkten gemessen, an denen die Intensität auf 80 % ihres Spitzenwerts gesunken ist. Die Gleichmäßigkeit der Intensität wird von verschiedenen Herstellern unterschiedlich angegeben.
Die meisten Hersteller definieren die Gleichmäßigkeit der Linie anhand der in der vorherigen Darstellung angegebenen Formel. Allerdings wenden sie diese Spezifikation normalerweise nur auf die mittleren 80% der Linie an (ebenfalls in der Darstellung angegeben). Wenn man jedoch die Ränder des Strahls ausschließt, ergibt sich ein unrealistisches Bild der tatsächlichen Leistung, da hier die Ungleichmäßigkeiten typischerweise am stärksten ausgeprägt sind.
Im Gegensatz dazu wendet Coherent die Spezifikation der Intensitätsgleichmäßigkeit über 100% der Linienlänge an. Das Gleiche gilt für unsere Spezifikationen für die Geradlinigkeit und die enthaltene Leistung (das Verhältnis der in der Linie enthaltenen Leistung zwischen 80% und 1/e² Spitzenleistungspunkte). Diese Spezifikation ist viel strenger und schwieriger zu erfüllen. Daher bietet die Powell-Linse von Coherent bessere Ergebnisse in Bezug auf die Messgenauigkeit, das Signal-Rausch-Verhältnis und die Konsistenz von Einheit zu Einheit.