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Laserstrahl-Optiken zielgerichtet mit Software entwerfen

Autor / Redakteur: Guido Mann * / Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Das Design optischer Systeme beruht auf computergestützter Simulation. Dank angepasster Algorithmen können Entwickler ihre Entwürfe interaktiv planen und umsetzen.

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Optiken für Laser: 
Mit einer geeigneten Software lassen sich optische Systeme für Laserstrahlung entwickeln.
Optiken für Laser: 
Mit einer geeigneten Software lassen sich optische Systeme für Laserstrahlung entwickeln.
(Bild: ©Jürgen Fälchle - stock.adobe.com)

Der Laser ist ein vielseitiges Werkzeug, das in Bereichen wie Produktion, Messtechnik und Medizin schon lange unverzichtbar geworden ist. Laserstrahlquellen erzielen immer höhere optische Durchschnittsleistungen, höhere elektro-optische Wirkungsgrade, kürzere Pulsdauern und decken einen zunehmend größeren Spektralbereich ab. Dadurch lassen sich immer mehr Anwendungen wirtschaftlich realisieren. Mit einem Laserstrahl lassen sich beispielsweise elektronische Bauelemente schneiden, beschriften und trimmen oder mit Lasersystemen können Sensoren, Mikrochips sowie Solarzellen hergestellt werden.

Sie kommen außerdem in optischen Messgeräten wie Lidar, Laser-Doppler-Anemometer und Lasergyrometer zum Einsatz. Optische Laufwerke wie CD, DVD und Blu-Ray oder Laserdrucker und Laserpointer enthalten mindestens eine Laserstrahlquelle. Lasertechnik ist allgegenwärtig – und Laserdioden mit stetig verbesserten Leistungsparametern und kürzeren Wellenlängen spielen dabei eine wesentliche Rolle.

Seit Jahren wächst der Optik- und insbesondere der Lasermarkt weltweit stärker als die allgemeine Wirtschaftsleistung – steht jedoch unter permanentem Kosten- und Wettbewerbsdruck und ist geprägt von kürzeren Entwicklungszyklen. Hier spielen Simulationstools eine wichtige Rolle, da sie den Entwicklungsprozess von Geräten und Systemen beschleunigen.

Wie sich Laserstrahlparameter anpassen lassen

Bei der Lasertechnik muss das Design der Optik stets dieselbe Aufgabe lösen: die Strahlung einer Laserquelle mit definierten Eigenschaften muss von der Stelle ihrer Freisetzung zum Ort ihrer Anwendung kommen. Im Allgemeinen heißt das, dass eine bestimmte Ausdehnung des Laserstrahls und dessen Form (Elliptizität) in der Anwendungsebene realisiert werden müssen. Idealerweise werden möglichst wenig optische Komponenten wie Spiegel, Linsen, Prismen oder Gitter hierfür verwendet. Zudem soll der Strahlqualitätsfaktor M² beim Durchgang durch das verwendete optische System möglichst erhalten bleiben. Die genannten Anforderungen gelten weitgehend unabhängig von (Durchschnitts-)Leistung, ggf. Pulsdauer und Wellenlänge der verwendeten Laserstrahlung.

In einfachen, aber seltenen Fällen, kann das optische System für Laserstrahlführung und -formung durch Ausprobieren ausgelegt werden. Auch elementare Berechnungen mithilfe von Formeln für die Propagation von Gaußstrahlen durch einfache optische Systeme (ABCD-Formalismus) sind möglich. Für etwas komplexere Systeme existiert Freeware-Software. Dazu gehören beispielsweise „reZonator2“ oder „GaussianBeam“. Allerdings lässt sich nur die Laserstrahlpropagation in separierbaren optischen Systemen berechnen und die Gültigkeit der sogenannten paraxialen Näherung wird vorausgesetzt, d. h. kleine Winkel zwischen Laserstrahlung und Oberflächennormalen der optischen Komponenten. Damit lässt sich jedoch nicht der Einfluss von Aberrationen auf die Strahlqualität berücksichtigen.

Die Laserstrahlsimulation mithilfe von Raytracing

Um Laserstrahlpropagation durch komplexere dreidimensionale optische Systeme zu simulieren, wird üblicherweise auf Software zurückgegriffen, die für die allgemeine Optiksimulation entwickelt wurde. Die Programme können jede Form der Ausbreitung von Licht simulieren und somit neben Laserlicht auch vollständig inkohärentes Licht beschreiben, wie es beispielsweise von Glühlampen, LED-Leuchten oder -Chips emittiert wird. Typische Vertreter sind die Programme „OSLO“, „Zemax“, „FRED“ oder „ASAP“, die alle auf dem Prinzip des Raytracings beruhen.

Hierbei wird die Strahlquelle durch eine sehr große Anzahl von geeignet gewählten geometrisch-optischen Strahlen, den sogenannten Rays, beschrieben. Diese werden durch das optische System propagiert, und deren Orts- und Winkelverteilungen werden in der Applikationsebene ausgewertet. Aufgrund der notwendigen hohen Anzahl von Rays ist diese Form der Simulation auch auf leistungsfähigen Workstations relativ langsam. Auch können optische Systeme nicht interaktiv ausgelegt werden und das Optikdesign ist entsprechend zeitaufwendig.

Simulation mit angepassten Algorithmen

Bislang existierte keine Software auf dem Markt für die numerische Simulation der Ausbreitung von partiell oder vollständig kohärenter Laserstrahlung durch komplexere optische Systeme, die sich zudem interaktiv bedienen lässt. Die Auswirkungen von Variationen der Positionen bzw. der Ausrichtung der optischen Komponenten auf die Strahleigenschaften (Strahlelliptizität und Ausdehnung) am Ort der Anwendung ließen sich bisher nicht in Echtzeit beobachten.

Aus diesem Grund wurde über die vergangenen Jahre am Ferdinand-Braun-Institut, Leibniz-Institut für Höchstfrequenztechnik (FBH) die Software „BeamXpertDESIGNER“ entsprechend dem praktischen Bedarf entwickelt. Die Mitarbeiter am Institut verfügen über umfangreiches Fachwissen bei der Herstellung von Laserdioden und beim Aufbau komplexer Lasersysteme für unterschiedlichste Anwendungen. Dazu gehören Systeme wie Lidar, Hochleistungs-Pumpmodule oder die Raman-Spektroskopie. Die Software beruht auf zwei speziellen Simulationsansätzen, dem Beam- und dem Ray-Modell, mit denen ausschließlich die Propagation von Laserstrahlung betrachtet wird.

Bild 1: Der typische Workflow, um eine Laserstrahloptik mit „BeamXpertDESIGNER“ zu erstellen.
Bild 1: Der typische Workflow, um eine Laserstrahloptik mit „BeamXpertDESIGNER“ zu erstellen.
(Bild: BeamXpert)

Das Bild 1 zeigt den typischen Workflow des Designprozesses eines optischen Aufbaus mit der Software „BeamXpertDESIGNER“. Ausgangspunkt sind die Strahlpropagationsparameter der Laserstrahlquelle gemäß ISO-Norm 11146. Diese werden entweder durch den Hersteller der Laserstrahlquelle spezifiziert oder werden mithilfe von Strahlanalysesystemen gemessen. Neben runden (stigmatischen) lassen sich auch elliptische (astigmatische) Strahlen definieren.

Die Strahlpropagationsparameter liefern den Eingangsdatensatz der Quelle (Source) am Ort der Freisetzung. Anschließend müssen die gewünschten Eigenschaften der Laserstrahlung in der Applikationsebene anhand von experimentellen Voruntersuchungen oder von Literaturdaten festgelegt werden. Nicht nur Form und Ausdehnung des Laserstrahls werden definiert, sondern häufig ist zusätzlich eine Strahltaille (Fokus) am Ort der Anwendung erwünscht. Aufgrund der Tiefenschärfe (Rayleigh-Länge) ist dann die geforderte Positioniergenauigkeit in longitudinaler Richtung in der experimentellen Realisierung weniger kritisch.

Dreidimensionalen Aufbau mit der Software erstellen

Ausgehend von üblichen optischen Laseroptikdesigns lässt sich zunächst per Drag-and-drop und unter Angabe der entsprechenden Parameter Brennweite, Krümmungsradien sowie der Abmessungen mit dünnen Linsen oder Spiegeln ein dreidimensionaler Aufbau erstellen. Zum Prüfen wird in der Applikationsebene ein Screen eingefügt. Dieser ermittelt die simulierten Laserstrahldaten an diesem Ort, die dann mit den Zielvorgaben verglichen werden können.

Durch Variation der Parameter von Linsen, Komponentenpositionen oder Winkeln lässt sich der Einfluss auf die Laserstrahlparameter sofort ablesen und entsprechend zügig anpassen. Sind die Zielvorgaben erfolgreich adaptiert, lassen sich jetzt die dünnen Linsen durch optische Komponenten kommerzieller Anbieter aus der Komponentendatenbank ersetzen. Die Datenbank umfasst mehr als 16.000 verschiedene Komponenten. Anschließend lassen sich die Auswirkungen auf den Strahlverlauf direkt untersuchen. Bis zu diesem Punkt arbeitet die Software mit dem Beam-Modell, das auf der Propagation der sogenannten Momente zweiter Ordnung beruht. Aufgrund eines proprietären Ansatzes ist eine weniger restriktive Anwendung der paraxialen Näherung möglich. Somit lassen sich die Auswirkungen von Verkippungen, beispielsweise von Linsen auf Laserstrahldurchmesser und Fokuslage, bereits mit einer hohen Genauigkeit ermitteln.

Aberrationen des optischen Systems untersuchen

Bild 2: 
Die erforderliche Brennweite der fokussierenden Linse für die Fasereinkopplung wird bestimmt.
Bild 2: 
Die erforderliche Brennweite der fokussierenden Linse für die Fasereinkopplung wird bestimmt.
(Bild: BeamXpert)

Bild 3: Das eingesetzte Ray zeigt, dass eine plan-konvexe Standard-Linse den Anforderungen nicht genügt.
Bild 3: Das eingesetzte Ray zeigt, dass eine plan-konvexe Standard-Linse den Anforderungen nicht genügt.
(Bild: BeamXpert)

Abschließend wird mithilfe des Ray-Modells geprüft, ob das optische System Aberrationen vermeidet. Es zeigt, ob der wichtige Strahlqualitätsfaktor weitgehend erhalten bleibt und die gewünschten Laserstrahlparameter in der Applikationsebene erzielt werden können. Dazu wird der Strahl der simulierten Laserstrahlquelle durch einen sogenannten Gauß-Schell-Strahl angenähert. Dieser wiederum wird in eine relativ kleine Zahl von geometrisch-optischen Rays zerlegt – verglichen mit klassischem Raytracing – und durch das entworfene optische System propagiert. In der Zielebene wird dieser Strahl anschließend ausgewertet.

Praxisbeispiel 1 – Die Fasereinkopplung: Ein kollimierter Laserstrahl mit einem Strahlqualitätsfaktor nahe M² = 1 und einem Strahldurchmesser von 3 mm soll mit einer Linse in eine Grundmodefaser mit einem Kerndurchmesser von etwa 5 µm eingekoppelt werden. Mithilfe des Beam-Modells wird im ersten Schritt die erforderliche Brennweite der fokussierenden Linse bestimmt, die den passenden Fokusdurchmesser erzeugt (Bild 2).

Bild 4: Die Einkoppeleffizienz hängt stark von der vertikalen Position der Linse ab.
Bild 4: Die Einkoppeleffizienz hängt stark von der vertikalen Position der Linse ab.
(Bild: BeamXpert)

Im zweiten Schritt wird das Ray-Modell eingesetzt. Es zeigt, dass eine plan-konvexe Standard-Linse den Anforderungen nicht genügt, da damit nur etwa 70% der Laserleistung eingekoppelt werden könnte (Bild 3). Eine auf minimale Aberrationen optimierte asphärische Linse hingegen ermöglicht eine fast 100%-ige Leistungseinkopplung. Die abschließende Toleranzanalyse im Ray-Modell zeigt, dass die Einkoppeleffizienz stark von der vertikalen Position der Linse abhängt: Bereits eine Fehlpositionierung um 2 µm reduziert die eingekoppelte Leistung auf die Hälfte (Bild 4).

Bild 5: Der mit der Software „BeamXpertDESIGNER“ ausgelegte Strahlengang.
Bild 5: Der mit der Software „BeamXpertDESIGNER“ ausgelegte Strahlengang.
(Bild: BeamXpert)

Bild 6: Mit BeamXpertDESIGNER realisiertes Laser-Mikromodul mit Frequenzkonversion.
Bild 6: Mit BeamXpertDESIGNER realisiertes Laser-Mikromodul mit Frequenzkonversion.
(Bild: FBH, P. Immerz)

Praxisbeispiel 2 – Ein Diodenlaser-Mikromodul: Immer mehr Wellenlängen sind mit Laserdioden direkt zugänglich. Jedoch existieren Wellenlängenbereiche, die nicht effizient abgedeckt werden können. Sie lassen sich häufig durch Frequenzkonversion der Strahlung von Laserdioden mithilfe von nichtlinearen Kristallen erschließen.

Das folgende Beispiel zeigt ein Mikromodul, dessen Laserleistung mit zweistufiger Strahlerzeugung (MOPA, Master-Oszillator-Power-Amplifier) erhöht wurde [1]. Über ein passendes Optikdesign wird das Strahlungsfeld des Master-Oszillators in den Power-Amplifier eingekoppelt und das verstärkte Laserlicht mit optimierter Strahlgeometrie in den nichtlinearen Kristall fokussiert. Anschließend wird das frequenzkonvertierte Laserlicht in eine Faser eingekoppelt. Das Bild 5 zeigt den mit „BeamXpertDESIGNER“ ausgelegten Strahlengang und Bild 6 zeigt das realisierte Mikromodul mit den Abmessungen 47 mm x 76 mm [1].

Mit dem Beam- und Ray-Modell zum Laseroptikdesign

Das beschriebene Vorgehen beim Laseroptikdesign ermöglicht es, mit dem Beam-Modell interaktiv und somit schnell Laserstrahloptiken zu entwerfen, welche die gewünschten Bedingungen an Laserstrahlführung und -formung erfüllen. Anschließend lässt sich mit dem Ray-Modell prüfen, ob die gewählten optischen Komponenten zu unzulässig starken Aberrationen führen und den Strahlqualitätsfaktor M² verschlechtern.

Diesen Beitrag lesen Sie auch in der Fachzeitschrift ELEKTRONIKPRAXIS Ausgabe 11/2020 (Download PDF)

Kritische Komponenten werden identifiziert und nur sie können gegen hochwertigere (und teurere) Optiken wie asphärische Linsen oder Achromate getauscht werden. Untersuchungen zeigten, dass – in Abhängigkeit von der Messunsicherheit der Eingangsparameter der Laserstrahlquelle – die beschriebenen Simulationsmodelle von „BeamXpertDESIGNER“ nur gering von experimentellen Werten abweichen. Die Unterschiede liegen bei wenigen Prozent, was für praktische Anwendungen im Allgemeinen hinreichend exakt ist.

Literatur

[1] N. Werner, A. Sahm, R. Bege, D. Jedrzejczyk, D. Feise, A. Kaltenbach, F. Bugge, K. Paschke, G. Tränkle, “Multi watt-level picosecond micro-laser sources in the yellow-green spectral range”, Proc. SPIE 10902, Nonlinear Frequency Generation and Conversion: Materials and Devices XVIII, Photonics West, San Francisco, USA, Feb 1-6, 109021T (2019).

* Dr. Guido Mann ist Laserphysiker und Mitgründer des FBH-Spin-offs BeamXpert GmbH in Berlin.

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