Diffraktive optische Elemente

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Mit diffraktiven optischen Elementen (DOEs) werden Lichtstrahlen durch Beugungseffekte an Gitterstrukturen gezielt geformt. Am häufigsten werden diese Bauteile in der Lasertechnik für folgende Anwendungen eingesetzt:

• Strahlprofiländerung (Beam Shaping)
• Korrektur von Abbildungsfehlern
• Strahlteilung
• Beam Sampling

Das optische Prinzip

Der diffraktive Effekt wird bei den DOEs durch eine Mikrostruktur erreicht, die in die Substrate geätzt ist. Abhängig von dem Strukturmuster lassen sich die verschiedensten Beugungseffekte erreichen.

Dementsprechend kommen die DOEs in unterschiedlichen Bereichen der Lasertechnik, angefangen bei Laboranwendungen über die industrielle Fertigung bis hin zu medizinischen Anwendungen zum Einsatz. Sie werden anstelle konventioneller refraktiver Optiken in den Strahlengang gesetzt, um die Intensitätsverteilung bedarfsgemäß zu modellieren.

Vorteile diffraktiver Elemente
Die Strahlenergie des Eingangsstrahls wird fast vollständig ausgenutzt, sodass die Verluste klein sind. DOEs zeichnen sich durch sehr gute Wirkungsgrade bis zu 99% und hohe Transmissionsgrade von 95% – 99% aus. Ein weiterer Vorteil besteht in der Kombination von Aufgaben. So kann bei einem TopHat Element neben der Hauptaufgabe der Strahlformung bspw. ein sphärischer Fehler mit korrigiert werden.

 

 

Herstellung von High-Power DOEs
Die diffraktiven optischen Elemente von Holo-OR bestehen aus einem Glassubstrat, in das mittels eines lithographischen Verfahrens eine Mikrostruktur geätzt wurde. Diese Technologie hinterlässt keine Rückstände auf dem Substrat, sodass das aktive Element „sauber“ bleibt. Nur das ursprüngliche Material (z.B. ZnSe oder Quarzglas) ist neben einer möglichen Beschichtung auf dem Element vorhanden. Im Vergleich zu anderen Verfahren ist damit gewährleistet, dass der Laserstrahl an keinen Polymer-Schichten absorbieren oder aufgrund der hohen Strahlleistung diese Schicht zerstören könnte.

DOE Strahlteiler
Diffraktiv optische Strahlteiler besitzen eine periodische Struktur, die den Eingangsstrahl in Teilstrahlen aufteilt.
Im Vergleich zum Eingangsstrahl zeichnen sich die Teilstrahlen durch das gleiche Strahlprofil aus. Sie sind standardmäßig so designed, dass alle Teilstrahlen zusätzlich die gleiche Intensität aufweisen und einen gleichen Separationswinkel zueinander besitzen. Es wird zwischen 1D und 2D Strahlteilern unterschieden. Ein 1D Element teilt die Strahlen auf einer Linie. So erzeugt  z. B. ein 1x4 Strahlteiler vier Strahlen in einer Linie (siehe Abbildung 1). Ein 2D Element teilt die Strahlen in einer Matrix. Bei einem 5x5 Strahlteiler wird somit ein Feld von 5x5 Strahlen aufgespannt.

Typische Anwendungen
Aufgrund der genau bestimmbaren Eigenschaften des Laserstrahls „hinter“ dem DOE erlauben die Bauteile u. a. eine hohe Präzision bei Perforationsarbeiten mit dem Laser.
Durch eine Überlappung der geteilten Strahlen (Abbildung 2) kann eine sehr gute Homogenisierung erreicht werden, die häufig für dermatologische Behandlungen angewendet wird.

Strahlsampler
Ein Strahlsampler ist ähnlich einem 1x3 Strahlteiler aufgebaut, mit dem Unterschied, dass sich der größte Anteil der Strahlung in dem mittleren Strahl befindet und nur kleine Anteile z.B. für die Laserleistungsmessung ausgekoppelt werden. Diese sind bzgl. des Strahlprofils identisch mit dem Hauptstrahl.

Typische Anwendungen
Vorteile dieser Elemente ergeben sich bei einer Inline-Überwachung des Laserstrahls.  Die Messung ist durch Einsatz von DOEs polarisationsunabhängig und hat eine sehr hohe thermische Stabilität. Durch die Messung während des Laserbetriebs wird außerdem eine kontinuierliche Kontrolle möglich und damit eine Regelung des Lasers.

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Datenblatt:

Hersteller:
Holo-OR Ltd.

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