Diffraktive Optische Elemente - Diffractive Optical Elements

Diffractive Optical
Elements
Diffraktive Optische
Elemente
Diffractive optical elements (DOEs)
are used to shape laser beams or split
them into several beams. The physical
principle behind this is grating-induced
diffraction.
Diffraktive optische Elemente (DOEs) werden eingesetzt, um Laserstrahlen durch
Beugung an einem Gitter zu formen oder
in mehrere Teilstrahlen zu zerlegen.
Es handelt sich bei den DOEs um Substrate, auf denen eine Mikrostruktur aufgetragen ist, wodurch nahezu beliebige
Beugungseffekte erzeugt werden können.
Die von unserem Partner Holo-OR gefertigten Strukturen zeichnen sich durch ein
lithographisches Ätzverfahren aus, sodass
die Elemente auch für Anwendungen mit
Hochleistungs-Laser einsetzbar sind.
These are substrates with an applied
microstructure that generates almost
any kind of diffractive effect. The
structures manufactured by our partner
Holo-OR are generated through a
lithographic etching process. The
elements can therefore be used in high
power laser applications.
Neben einem großen Sortiment von
Standardelementen liegt unsere Stärke
in kundenspezifischen Entwicklungen.
Hier können wir nach Ihren Wünschen
Sonderanfertigungen erzeugen.
In addition to a large assortment of
standard elements, our core competence is in the development of
custom-made products. We are able
to manufacture special designs according to your wishes.
Die diffraktiven Strukturen können je nach Bedarf, in Abhängigkeit von der Wellenlänge und der Anwendung in Transmission oder Reflexion, auf den folgenden Materialien erzeugt
werden:
Depending on your needs, on the wavelength, and on the
application in transmission or reflection, the diffractive structures can be produced on the following materials:
Wavelength
Application
Material
UV – IR
Transmission
Fused Silica, CaF2, Sapphire
IR
Transmission
ZnSe, ZnS, Si, GaAs
IR
Reflection
Cu, Si, Chrome
Elemente zur Strahlprofil-Änderung
Elements for Beam Shaping
Bei der Materialbearbeitung ist das Strahlprofil des Lasers
in der Bearbeitungsebene häufig ausschlaggebend für die
Qualität des Endergebnisses. Durch gezielte Änderung dieses
Profils können Optimierungen im Bearbeitungsprozess erreicht
werden. Folgende Möglichkeiten stehen zur Verfügung:
During material processing, the beam profile of the laser in
the working plane is crucial to the quality of the end results.
By selectively changing the profile, improvements in the process can be made. The following options are available:
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Top Hat Strahlformer
Top Hat Beam Shapers
Ein DOE erzeugt in einer Arbeitsebene
aus einem gaußförmigen Strahl ein so
genanntes Top Hat Strahlprofil mit hoher
Kantensteilheit. Dabei sind nahezu
beliebige Querschnitte möglich. Die
gängigsten sind rund oder quadratisch.
A Top Hat DOE produces a so-called
Top Hat beam profile in the working
plane with a steep slope from a Gaussian-shaped beam. The beam profile can
have almost any type of cross section,
round or square are the most popular.
Top hat beam shaper:
Transforms a gaussian beam into a top hat profile.
Designhinweise
Design Details
„„ D
ie diffraktive Struktur befindet
sich meist auf der Planfläche einer
Plankonvex-Linse.
„„ The diffractive structure is usually
located on the plane surface of a
plano-convex lens.
„„ D
as Top Hat Strahlprofil wird
ausschließlich in der Arbeitsebene
erreicht.
„„ The Top Hat beam profile is reached
exclusively in the working plane.
„„ A well-defined incident beam
(M2 < 1.3 recommended; defined
diameter) is necessary to obtain an
optimally homogeneous and steepedged Top Hat.
„„ E in gut definierter Eingangsstrahl
(M2 < 1.3 empfohlen; definierter
Durchmesser) ist für eine optimale
Homogenität und Flankensteilheit
des Top Hats notwendig.
„„ The Top Hat profile depends on
the exact x and y positioning of the
DOEs in relation to the incident laser
beam.
„„ D
as Top Hat Profil ist abhängig von
der passgenauen x-, y- Positionierung des DOEs zum einfallenden
Laserstrahl.
„„ S
tandardelemente sind für Wellenlängen von 266 nm bis 10.6 µm
verfügbar (weitere Wellenlängen
sind auf Anfrage erhältlich).
Optical setup for top hat beam shaper
„„ Standard elements are available for
wavelengths from 266 nm to 10.6 µm
(additional wavelengths are available upon request).
Standardspezifikationen:
Standard Specifications:
„„ Effizienz in 1/e2 bis 97 %
„„ Efficiency in 1/e2 up to 97 %
„„ Spotgrößen ab 90 µm (bei 532 nm)
ab 15 µm (bei 355 nm)
„„ Spot sizes startingat 90 µm (for 532 nm)
at 15 µm (for 355 nm)
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Stable Top Beam Shapers
Stable Top Strahlformer
Das Stable Top Element hat die gleiche
Funktion wie ein Top Hat Element. Durch
ein optimiertes Design können jedoch
größere Toleranzen des Eingangsstrahls
(Qualität, Größe und Position) akzeptiert
werden. Im Strahlprofil sind dabei kleine
Seitenbanden und geringe Intensitätsschwankungen im Zentrum zu beobachten.
Stable Top
Performance
The Stable Top element has the same
function as a Top Hat element. However,
the optimized design allows for larger
tolerances of the incident beam (quality,
size, and position). Small sidebands
and narrow fluctuations in intensity can
be observed in the center of the beam
profile.
Top Hat
Performance
Designhinweise
Design Details
„„ W
eniger toleranzempfindlich als das Top Hat Modul.
Ansonsten gleiche Funktion.
„„ Less sensitive to tolerance than the Top Hat module.
Otherwise similar function.
„„ G
eringe Einbußen bei der Homogenität des Strahlquerschnitts.
„„ Few losses in the homogeneity of the beam cross section.
Homogenisierer/Diffusor
Homogenizers/Diffusers
Homogenisierer, auch Diffusor genannt,
glätten den Strahlquerschnitt.
Homogenizers – also known as diffusers
– smoothen the cross section.
Diese Elemente werden häufig bei medizinischen Anwendungen, beispielsweise
bei der Haarentfernung oder der Entfernung von Tätowierungen, eingesetzt.
Ausschlaggebend ist dabei die Vermeidung von Hot Spots, um ein Verbrennen
der Haut zu vermeiden.
These elements are commonly used in
medical applications such as hair or
tattoo removal. In such applications, it is
crucial to avoid hot spots to prevent the
burning of skin.
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Designhinweise
Design Details
„„ H
omogenisierer sind unempfindlich
gegenüber dem Eingangsstrahlprofil.
„„ Homogenizers are not very sensitive
on the incident beam profile.
„„ D
ie Homogenität wird ab dem
Mindest-Arbeitsabstand (WDopt) in
guter Qualität erreicht. Je weiter die
Arbeitsebene ins Fernfeld verschoben wird, desto besser wird das
Strahlprofil.
„„ Starting at the minimum working
distance (WDopt), homogeneity of a
high quality is achieved. The farther
the working plane is moved into
the far field, the better is the beam
profile.
„„ D
urch die Glättung der Hot Spots,
wird der ausgekoppelte Strahl verbessert.
„„ Through smoothing of the hot spots,
the output beam is improved.
„„ H
omogenisierer sind mit verschiedenen Streuwinkeln erhältlich.
Diese bestimmen den empfohlenen
Arbeitsabstand
(mit WDopt = Dinp / tan b).
„„ Homogenizers are available with
different diffusing angles, which
define the recommended operating
distance (with WDopt = Dinp / tan b).
Optical set up for homogenizer/diffusor
„„ D
ie Homogenisierer sind in verschiedenen Qualitätsstufen verfügbar.
Sie unterscheiden sich bzgl. der
Intensität in der 0. Ordnung.
„„ The homogenizers are available in
different degrees of quality. They
vary in intensity of the zero order.
„„ Standard elements are available for
wavelengths from 193 nm to 10.6 µm.
„„ S
tandardelemente sind für Wellenlängen von 193 nm bis 10.6 µm
erhältlich.
Standardspezifikationen:
Standard Specifications:
„„ E s gibt zwei Modelle – Typ A und Typ B. Sie werden entsprechend des optimalen Eingangstrahldurchmessers Dinp
eingesetzt und können wie folgt berechnet werden: b (Typ A) = 0.5° x l/1064 nm Dinp (Typ A) > 4 mm
b (Typ B) = 2° x l/1064 nm Dinp (Typ B) > 2 mm
„„ There are two types of expansion – Type A and Type B.
They are used according to the optimal incident beam
diameter Dinp and can be calculated as follows: b (Type A) = 0.5° x l/1064 nm Dinp (Type A) > 4 mm
b (Type B) = 2° x l/1064 nm Dinp (Type B) > 2 mm
„„ D
er typische Wirkungsgrad des aufgeweiteten Strahls
liegt bei ≈ 80 %. Bei Spezialdesigns sind Werte bis 95 %
erreichbar.
„„ The typical efficiency of the expanded beam is ≈ 80 %.
Special designs can reach values of up to 95 %.
Elliptische Diffusoren
Elliptical Diffusers
Elliptische Diffusoren arbeiten nach dem gleichen Prinzip wie
Homogenisierer. Die senkrecht aufeinander stehenden Strahlkomponenten besitzen unterschiedliche Streuwinkel, sodass
sich im Fernfeld ein homogener elliptischer Strahlquerschnitt
ergibt.
Elliptical diffusers function similar to homogenizers. The beam
components perpendicularly stacked on top of one another
have different fan angles. This results in a homogeneous elliptical beam cross section in the far field.
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Designhinweise
Design Details
„„ D
ie Homogenität wird ab dem Mindest-Arbeitsabstand
(WDopt) in guter Qualität erreicht. Je weiter die Arbeitsebene ins Fernfeld verschoben wird, desto besser wird sie.
„„ Starting at the minimum working distance (WDopt), homogeneity of a high quality is achieved. The farther the
working plane is moved into the far field, the better it is.
„„ D
urch die Glättung der Hot Spots wird der ausgekoppelte
Strahl verbessert.
„„ Through smoothing of the hot spots, the output beam is
improved.
„„ E lliptische Diffusoren sind mit verschiedenen Streuwinkeln
erhältlich. Diese bestimmen den empfohlenen Arbeitsabstand (mit WDopt = Dinp / tan b).
„„ Elliptical diffusers are available with different fan angles,
which define the recommended operating distance (with
WDopt = Dinp / tan b).
„„ D
ie elliptischen Diffusoren sind in verschiedenen Qualitätsstufen verfügbar. Diese unterscheiden sich bzgl. der
Intensität in der 0. Ordnung.
„„ The elliptical diffusers are available in different degrees of
quality. They vary in intensity of the zero order.
„„ Standard elements are available for wavelengths from
193 nm to 10.6 µm.
„„ S
tandardelemente sind für Wellenlängen von 193 nm bis
10.6 µm verfügbar.
Maßgeschneiderte Optik
Custom-Made Optics
Mittels eines planen diffraktiven Elements können symmetrische und asymmetrische Strahlprofile erzeugt werden.
Using a plane diffractive element, symmetrical and asymmetrical beam profiles
can be created.
Designhinweise
Design Details
„„ D
ie Energie kann mittels eines DOEs
so gesteuert werden, dass sie das
gewünschte Profil abbildet.
„„ The energy can be controlled using
a DOE to achieve the desired
profile.
„„ U
nter Angabe von Wellenlänge,
Divergenz und Strahldurchmesser
des verwendeten Lasers können kundenspezifische Designs entwickelt
werden.
„„ If the wavelength, divergence, and
beam diameter of the applied laser
are known, it is possible to develop
customized designs.
Possible beam shapes after DOE
Elemente zur Strahlteilung
Elements for Beam Splitting
Die Strahlteilung mittels diffraktiver Elemente hat immer
dann einen großen Vorteil, wenn mit einem Element mehrere
Strahlen erzeugt werden sollen oder wenn eine sehr genaue
Leistungsaufteilung notwendig ist. Zusätzlich kann eine präzise
Positionierung erreicht werden, um zum Beispiel Löcher in
genau definierten Abständen zu erzeugen.
Beam splitting by means of diffractive elements is advantageous when one element is needed to produce several beams
or when very exact power separation is required. Precise positioning can also be achieved, for example, to create holes at
clearly defined and accurate distances.
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Multi-Spot Element
Multispot Element
Ein einfallender kollimierter Strahl wird
durch das diffraktive Element in mehrere
Teilstrahlen aufgesplittet. Die Teilstrahlen
zeichnen sich durch gleiche Intensität
und gleichen Winkeln zueinander aus.
Man unterscheidet dabei zwischen einund zweidimensionalen (1D/2D) Elementen. 1D-Elemente teilen Strahlen auf
einer Linie, die 2D-Elemente dagegen
erzeugen die Strahlen in einer Matrix
von z. B. 2 x 2 oder 3 x 3 Spots.
Using a diffractive element, a collimated incident beam is split into several
beams. These beams are characterized
by an equal intensity and equal angle
to one another. There are both one-dimensional and two-dimensional (1D/2D)
elements. 1D elements split beams along
a straight line whereas 2D elements
produce beams arranged in a matrix of,
for example, 2 x 2 or 3 x 3 spots.
Designhinweise
Design Details
„„ D
ie Strahlqualität wird durch die
Strahlteilung nicht beeinflusst.
„„ The beam quality is not affected by
beam splitting.
„„ D
ie geätzte Struktur wird auf einer
planparallelen Platte aufgebracht.
Diese ergibt dann das DOE.
„„ The etched structure is applied to a
plano-parallel substrate, which then
results in the DOE.
„„ D
ie Ablenkwinkel zwischen den
Strahlen werden durch die diffraktive Struktur definiert. Für ein Element
ist der Ablenkwinkel bei einem
kollimierten Strahl immer konstant.
„„ The deflection angles between the
beams are defined by the diffractive
structure. For a given element, the
deflection angle of a collimated
beam is always constant.
„„ D
urch eine geeignete Linsenauswahl
kann der Abstand der Spots eingestellt werden.
„„ With a suitable lens, the distance
between the spots can be adjusted.
„„ S
tandardelemente für die Wellenlängen von 266 nm bis 10.6 µm sind
für 1D- und 2D-Elemente verfügbar.
„„ Standard elements for the wavelengths from 266 nm to 10.6 µm are
available in 1D and 2D design.
Intensity profile of a 6 x 8 spot
Spezifikationen:
Specifications:
„„ D
ie Strahlintensitäten der entsprechenden Beugungsordnungen liegen bei 75 % bis 85 % der Eingangsintensität.
Die Intensität erhöht sich, wenn die 0. Beugungsordnung
nicht unterdrückt wird. Dies trifft beispielsweise für ein
3-Spot-Element zu.
„„ The beam intensities of the corresponding diffraction
orders equal 75 % to 85 % of the incident intensity. The
intensity increases if the zero diffraction order is not
suppressed, which is the case, for example, for a 3-spot
element.
„„ D
er maximale Separationswinkel b bei 532 nm beträgt
b = 10°.
„„ The maximum separation angle b at 532 nm is
b = 10°.
„„ Intensitätsabweichung zwischen den erzeugten Strahlen:
„„ Intensity deviation between generated beams:
Abweichung
Number of beams generated
Deviation
2
± 0.5 %
2
± 0.5 %
15
± 25 %
15
± 25 %
Erzeugte Strahlanzahl
Weitere Werte auf Anfrage.
Additional data upon request.
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Beam Sampler Element
Beam Sampler Element
Bei Beam Sampler Elementen handelt
es sich um Gitter, die zur Inline-Überwachung von Hochleistungslasern verwendet werden. Sie sind so designed,
dass die ± 1. Beugungsordnung zur
Strahlmessung verwendet wird. Deren
Intensität ist deutlich geringer als die
des Hauptstrahls und kann kundenspezifisch definiert werden. Auch höhere
Beugungsordnungen mit noch niedrigeren Intensitäten können zur Messung
verwendet werden.
Beam Sampler elements are gratings
that are used for inline monitoring of
high power lasers. Due to their design,
the ± first diffraction order can be used
for beam measurement. Their intensity is
significantly lower than that of the main
beam and can be custom designed.
Higher diffraction orders can also be
used for measurement with even lower
intensity.
Variations in intensity and changes in
the beam profile can be reliably monitored inline with this method.
Intensitätsschwankungen und Strahlprofiländerungen können mit dieser
Methode zuverlässig inline überwacht
werden.
Optical setup for beam sampler element
Designhinweise
Design Details
„„ Der Hauptstrahl liegt in der 0. Ordnung.
„„ The main beam lies in the zero order.
„„ D
ie ersten Beugungsordnungen können zur Erhitzung des
Gehäuses führen. Eine Wärmeabfuhr kann an der Stelle
notwendig werden, an der nicht detektiert wird.
„„ The first diffraction orders can cause heating making heat
dissipation necessary where detection does not occur.
Hinweis
Note
Ein komplettes System zur Überwachung von Intensität und
Strahlprofil eines Lasers ist ebenfalls verfügbar. Dieses besitzt eine
Halterung für die Optik und eine
Schnittstelle für den Empfänger.
A complete system for monitoring
the intensity and beam profile of
a laser is also available. It contains a mount for the optic and an
interface for the receiver.
Inline laser detector
as module
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Multifokus Element
Multi-Focus Element
With this diffractive element several
focal points can be created along its
optical axis. These elements are used in
sensor technology and ophthalmology.
In material processing, several simultaneously emerging focal points can
optimize the results.
Mit diesem diffraktiven Element können
durch Beugungserscheinungen mehrere
Fokuspunkte entlang dessen optischer
Achse erzeugt werden. Die Elemente
finden Anwendung in der Sensorik
und der Ophthalmologie. Auch in der
Materialbearbeitung können mehrere
gleichzeitig auftretende Fokuspunkte die
Bearbeitungsergebnisse optimieren.
Optical set-up for multi-focal lens
Designhinweise
Design Details
„„ E s besteht die Möglichkeit, die diffraktive Struktur auf der
Planseite einer Linse aufzubringen oder als eigenständiges
Element auf einer Planplatte zu verwenden.
„„ It is possible to apply the diffractive structure to the plane
side of a lens or to use it as an independent element on a
plane substrate.
„„ D
ie Qualität der Spots entspricht annähernd der einer
Standardlinse. Es ist lediglich mit einer Kontrastreduktion
zu rechnen.
„„ The quality of the spots corresponds approximately to
that of a standard lens. However, a reduction in contrast
should be anticipated.
„„ S
tandardelemente für zwei oder drei Fokuspunkte sind
verfügbar.
„„ Standard elements for two or three focal points are
available.
„„ E lemente mit mehreren Fokuspunkten können auf Anfrage
designed werden.
„„ Elements with several focal points can be designed upon
request.
Spezifikationen:
Specifications:
„„ Intensitätsabweichung zwischen den erzeugten Fokuspunkten:
„„ Deviation in intensity between the generated focal points:
Anzahl der Fokuspunkte
Abweichung
Number of focal points
Deviation
2
± 0.5 %
2
± 0.5 %
3
± 10 %
3
± 10 %
Elemente zur Korrektur von
Abbildungsfehlern
Elements Used to
Correct Aberrations
Soll die Korrektur von Abbildungsfehlern durch klassische
Optik erfolgen, bedarf es häufig einer Vielzahl von Linsen.
A large number of lenses is often required to successfully
correct aberrations when using classical optics.
Alternativ können viele Korrekturen über ein einzelnes diffraktives Element erreicht werden. Hierdurch können kompakte
Systeme kostengünstig und Gewicht sparend ermöglicht
werden.
Alternatively, many corrections can be made with a single
diffractive element. This way, compact systems – light and
reasonably priced – can be developed.
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Achromatische Korrektur
Achromatic Correction
Zur achromatischen Korrektur werden
Planlinsen mit einer geätzten Struktur
eingesetzt. Sie finden ihre Hauptanwendung bei CO2-Lasern, bei denen
Systemjustagen mit einem Pilotlaser
durchgeführt werden. Aufgrund der Wellenlängenunterschiede der eingesetzten
Laser kommt es zu unterschiedlichen
Brennweiten, die mittels DOE korrigiert
werden können.
Plano lenses with an etched structure
are used for achromatic correction. They
are mainly used in CO2 lasers where
system alignments are done with a
pilot laser. Due to the different wavelengths of both types of lasers there are
different focal lengths, which can be
corrected with DOEs.
Designhinweise
Design Details
„„ D
ie Brennweitenkorrektur durch das DOE erfolgt ausschließlich für den Pilotlaser, sodass der CO2-Laser nicht
beeinflusst wird.
„„ The correction of the focal length by the DOE occurs solely for the pilot laser and does not affect the CO2 laser.
„„ S
tandardelemente sind für die Kombination von Lasern
der Wellenlängen 10.6 µm mit 633 nm verfügbar.
Beugungsbegrenzte Linse
„„ Standard elements are available for the combination of
lasers with wavelengths 10.6 µm and 633 nm.
Diffraction Limited Lenses
Häufig werden beugungsbegrenzte
DOE-Linsen in CO2-Lasersystemen
eingesetzt.
Diffraction limited DOE lenses are commonly used in CO2 laser systems.
Until now diffraction limited focussing
of numerical apertures of NA < 1 could
only be achieved with multiple or aspherical lenses.
Bisher konnten beugungsbegrenzte
Fokussierungen bei numerischen Aperturen NA < 1 nur mit Mehrlinsern oder
Asphären realisiert werden.
If multiple lenses are used in laser optics
then extremely high efficiency losses
can be expected. Not only that, but
extensive adjustment work is necessary.
Through the application of diffractive
elements theses restrictions no longer
apply.
Werden in der Laseroptik Mehrlinser
eingesetzt, so ist dies mit sehr hohen
Effizienzverlusten verbunden. Ferner
kommt es zu einem umfangreichen
Justageaufwand. Durch den Einsatz von
diffraktiven Elementen entfallen diese
Einschränkungen.
Comparison on uncorrected optics with
corrective optics
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Designhinweise
Design Details
„„ Ideal punktförmiger Spot auch bei Linsen mit kurzer Brennweite.
„„ Ideally dot-shaped spots even with lenses that have a
short focal length.
„„ Höhere Leistungsdichten durch Korrektur im Fokus möglich.
„„ Greater power density through correction of the focus
possible.
„„ G
eringe Schärfentiefe, dadurch genaue Positionierung zur
Arbeitsebene notwendig.
„„ E s sind viele Standardelemente für die Wellenlänge von
10.6 µm vorhanden.
„„ Low focus depth, which makes an exact positioning to the
working plane necessary.
„„ Many standard elements are available for the wavelength 10.6 µm.
Weitere Möglichkeiten zur Strahlkorrektur
Additional Options for Beam Correction
Neben den aufgelisteten Möglichkeiten zur Strahlkorrektur,
können auf Kundenwunsch weitere DOEs gefertigt werden.
Beispiele hierzu sind:
In addition to the options listed concerning beam correction,
further DOEs can be produced upon request. Some examples
include:
„„ Korrektur von Astigmatismus für Laserdioden.
„„ Correction of astigmatism for laser diodes.
„„ Chromatische Korrekturen für mehrere Wellenlängen.
„„ Chromatic corrections for several wavelengths.
07/10 / IF / V1 /zubehoer/opt_bauelemente/diffractive_opt_elements.pdf
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