Technische Informationen

TECHNISCHE HINWEISE

ƒ-Theta Objektive
Objektive die in Kombination mit XY Galvanometerscannern verwendet werden, sind als ƒ-Theta Objektive, Flachfeldobjektive oder einfach Scanobjektive bekannt. Unsere ƒ-Theta Objektive finden ihre Anwendung in unterschiedlichen Einsatzgebieten, wie der industriellen Materialbearbeitung (z.B. Strukturieren, Bohren, Schweißen von Kunststoff, Schneiden, ...), in der Medizintechnik und Biotechnik (konfokale Mikroskopie, Ophthalmologie) und Wissenschaft und Forschung. Das Design und die Qualität der optischen Komponenten spielt eine entscheidende Rolle.
Standardlinsen würden in Kombination mit einem Scannersystem den Laserstrahl auf eine Kugelschale abbilden, aber nicht auf ein ebenes Feld. Mit ƒ-Theta Objektiven kann der Laserfokus auf einem ebenen Bildfeld positioniert werden, wobei die Fokusgröße nahezu konstant bleibt. Die Lage des Fokuspunktes (Bildhöhe) ist proportional zum Scanwinkel.

Den Berechnungen der Scan-Länge und des Scan-Bereichs unserer ƒ-Theta Objektive liegt das geometrische Design typischer Scan-Systeme mit gegebenen Spiegelabständen zugrunde.Werden die Optiken in Ablenksystemen eingesetzt, die hiervon abweichen bzw. ein anderer Strahldurchmesser verwendet, können sich Scan-Längen und Scan-Bereiche verändern. Bei diesen Systemen sollte der „Aperturabstand“ in der geometrischen Mitte der beiden Spiegelabstände zur Fassungskannte des Objektivs stehen. Die Werte berücksichtigen eine Vignettierung von maximal 1%.

Bei telezentrischen ƒ-Theta Objektiven trifft der abgelenkte Strahl immer nahezu senkrecht auf die zu bearbeitende Oberfläche. Ein maximaler Auftreffwinkel von 1° ermöglicht
das Bohren senkrechter Löcher bzw. das Erzeugen von Tiefenstrukturen. Bedingt durch den Abstand der beiden Scanspiegel zueinander, entspricht der Ablenkpunkt des Scanner Systems nicht immer exakt dem Telezentriepunkt des Objektivs.

Farbkorrigierte ƒ-Theta Objektive
Bei farbkorrigierten ƒ-Theta Objektiven sind die chromatischen Fehler von zwei oder mehreren Wellenlängen durch die gezielte Kombination der verwendeten Gläser korrigiert. Chromatisch korrigierte Objektive finden insbesondere bei Online Überwachungssystemen Einsatz. Dort beobachtet eine Kamera durch das Scanobjektiv das Bearbeitungsfeld. In konfokalen Scanmikroskopen werden ebenfalls farbkorrigierte Objektive eingesetzt welche über einen weiten Bereich des sichtbaren Spektrums korrigiert sein müssen.



Strahlaufweiter
Strahlaufweiter sind optische Systeme zur Vergrößerung oder Verkleinerung des Laserstrahldurchmessers. Das Produkt aus Strahldurchmesser und Divergenz des Laserstrahls
ist eine Konstante und bleibt damit erhalten, d.h. vergrößert man zum Beispiel den Strahldurchmesser, verkleinert man die Divergenz in gleichem Maße. Das gilt für die Aufweiter mit festem Aufweitungsfaktor, als auch für die Zoomaufweiter deren Vergrößerung variabel ist.

Anti-Reflexvergütungen und Low-Absorptionsvergütungen
Unsere Anti-Reflexvergütungen werden auf bestimmte Wellenlängenbereiche optimiert. Sie bewirken, dass unsere Optiken einen sehr großen Anteil des Lichts transmittieren und wenig Energie innerhalb eines bestimmten Wellenlängenbereichs reflektieren und/oder absorbieren. Spezielle absorptionsarme Vergütungen sind bei Verwendung von Lasern hoher mittlerer Leistung empfohlen. Diese Vergütungen sind nur für unsere Vollquarzobjektive verfügbar. Neben unseren Standardvergütungen (Spezifikationen siehe nachfolgende Tabelle) bieten wir auch die Möglichkeit nach Kundenforderung Spezialvergütungen zu realisieren.

EXT TYPE SPECS TYPICAL DAMAGE THRESHOLD*
/075 anti-reflex coating 340 nm - 370 nm, R < 0.2 % 1 J/cm²
/081 anti-reflex coating 1064 nm, R < 0.2 % ; 532 nm R < 0.25 % 1 J/cm²
/094 anti-reflex coating 800 nm - 980 nm, R < 0.25 % 5 J/cm²
/121 anti-reflex coating 532 nm, R < 0.2 % 2 J/cm²
/123 anti-reflex coating 633 nm, R < 0.0 5% 1 J/cm²
/126 anti-reflex coating 1064 nm, R < 0.2 % 5 J/cm²
/173 anti-reflex coating 400 nm - 410 nm R < 0.2 % 1 J/cm²
/292 low-absorption coating 515 nm - 545 nm, R < 0.1% 1 J/cm²
/328 low-absorption coating 1030 nm - 1090 nm, R < 0.15% 5 J/cm²

* at one ns pulse with repetition of 50 Hz

Thermischer Shift
Mit steigender Strahlqualität von Lasern hoher mittlerer Leistung im kW Bereich für die Materialbearbeitung wächst das Problem der thermisch induzierten Fokusverschiebung in Kollimations-, Strahlführungs- und Bearbeitungsoptiken stetig. In diesem Falle sollten hochwertige Quarzoptiken mit absorptionsarmer Vergütung verwendet werden. Betrachtet man ein einfaches System aus Faserkollimator und Fokussieroptik kann es bereits zu einer Fokusverschiebung von einer Rayleighlänge bei einer eingesetzten mittleren Leistung von 1 kW kommen.
Bei ƒ-Theta Objektiven die keine Quarzlinsen enthalten kann sich dieser Wert um ganze Größenordnungen erhöhen. Der Nachteil der Quarzlinsensysteme ist die fehlende Möglichkeit einer chromatischen Korrektur, was besonders bei scannenden System eine online Überwachung durch das ƒ-Theta Objektiv nur sehr eingeschränkt ermöglicht.

Beugungsmaßzahl M²
Die Fokussierbarkeit eines Lasers wird nach der ISO Norm 11146 durch die Beugungsmaßzahl M² beschrieben. Diese beschreibt den Divergenzwinkel des Laserstrahls im Verhältnis zur Divergenz eines idealen Gauß-Strahls. Bei einer vorgegebenen Linse nimmt der kleinste mögliche Fokusdurchmesser proportional zum Wert von M² zu. Selten wird die Strahlqualität durch den Parameter K beschrieben. Dieser entspricht dem Reziproken der Beugungsmaßzahl M². Bei Faserlasern wird häufig das Strahlparameterprodukt SPP für die Strahlqualität angegeben. Diese Angabe entspricht dem Produkt der Beugungsmaßzahl M² mit der Wellenlänge λ geteilt durch π.

Strahlumformung
Bei der Strahlumformung wird die Intensitätsverteilung und Phase eines Laserstrahls umverteilt. Eine typische Umformung ist die eines Gauß-Profils in eine Top-Hat Form. Dies kann zum Beispiel durch den Einsatz einer speziell geformten Asphäre realisiert werden. Der Vorteil liegt in einem homogeneren Abtrag von Oberflächenmaterial, einer steileren Grenze zwischen Abtragzone und umgebenden Material und einer kleineren Wärmeinflusszone.

Strahldurchmesser Dg (1/e²)
Bei der Bestimmung des Strahldurchmessers wird der Laserstrahldurchmesser üblicherweise durch ein Intensitätslevel von 1/e² begrenzt. Dies entspricht rund 13,5% der maximalen Intensität des Lasers.

APO Faktor
Das Verhältnis des Strahldurchmesser Dg und der freien Apertur des Scanobjektivs Da bestimmt den APO Faktor, dieser fließt in die Berechnung der minimal erzielbaren Fokusgröße ein.

Da/Dg APO
2.0 1.27
1.5 1.41
1.25 1.56
1.0 1.83
0.9 1.99
0.75 2.32
0.5 2.44

Fokusgröße (1/e²)
Die minimal erreichbare Fokusgröße errechnet sich über die Wellenlänge des Lasers multipliziert mit der Brennweite der Scanobjektive, dem APO Faktor und der Beugungsmaßzahl
M² des Lasers, geteilt durch den Strahldurchmesser Dg (1/e²).

Fokusgröße (1/e²): d0 = (λ• EFL • APO • M²) / Dg

d0 minimaler Fokusdurchmesser
Da Eintrittspupille des Scanobjektivs
Dg Laserstrahldurchmesser (1/e²)
EFL Brennweite des Scanobjektivs

Rayleigh Länge
Die Rayleigh Länge entspricht dem Abstand entlang der optischen Achse, ausgehend von der Strahltaille, bis sich die Strahlquerschnittsfläche verdoppelt hat.
Die Rayleigh Länge gibt also an, nach welcher Strecke vor oder hinter einem Fokus sich die vom Lichtstrahl beleuchtete Fläche verdoppelt hat.
Sie errechnet sich aus der Fläche des Fokus multipliziert mit einem Faktor (abhängig vom APO-Faktor) geteilt durch die Wellenlängen und Beugungsmaßzahl M² des Lasers.
zR = (d0 /2)²*π*(APO/1,27)²/(λ*M²)
Die doppelte Rayleigh Länge gibt die Tiefenschärfe eines Scanobjektivs an.