Optik - Katalog

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Optik - Katalog

Optische Komponenten
&
Lasermodulatoren
Filter
Linsen
Spiegel
Fenster
Prismen
Objektive
Strahlteiler
Polarisatoren
Verzögerungsplatten
Optische Baugruppen
Elektro-optische Modulatoren
Die DoroTEK Gesellschaft für Systemtechnik mbH wurde als Bestandteil der Solaris-Gruppe im
Dezember 1989 mit Sitz in Berlin gegründet. Die Solaris – Gruppe ist ein deutsch – polnisches
Unternehmen, in welchem DoroTEK als Vertriebsorganisation für den westeuropäischen Raum agiert.
Im Jahre 1998 wurde mit dem Aufbau der Laserlohnfertigung ein weiteres Geschäftsfeld eröffnet.
1998 verlagerte die Firma Ihren Sitz nach Strausberg. Im Jahre 2005 wurde ein eigenes
2
Funktionsgebäude mit 360 m Werkstatt- Büro- und Lagerfläche errichtet und im Oktober 2005
bezogen.
Der Name DoroTEK stellt eine Synthese aus Dorothea, der Tochter eines Gründungs-mitgliedes
unserer Firmengruppe, und Technik dar. Und wie der Name DoroTEK die Begriffe Mensch und
Technik in sich vereint, entspricht diese Einheit der Philosophie unserer Firmengruppe. Motivierte und
innovative Teams, die ihre Kraft und Kreativität aus gegenseitigem Verständnis und Achtung
gewinnen, schaffen hochmoderne, zuverlässige technische Komponenten und Systeme.
•
•
Produktion optischer Komponenten und Lasermodulatoren
Design, Konstruktion und Fertigung optischer Baugruppen
•
•
Produktion von Lasermarkier- und Lasercodiersystemen
Service-Center für Lasergravuren und Laserschneiden
•
Verkaufsorganisation der Solaris-Gruppe (Komponenten und
Baugruppen)
Service-Center für Lasergravur und Laserbeschriftung
Distribution der VIGO Infrared-Detektoren und Zubehör
•
•
Optische Komponenten & Laser Modulatoren
für die Spektralbereiche UV, VIS und IR
Solaris Optics S.A. stellt kundenspezifische optische Komponenten und Lasermodulatoren (PockelsZellen) her. Der vorliegende Katalog enthält eine vollständige Übersicht des Fertigungsspektrums.
Solaris Optics S.A. verfügt über die komplette Technologie zur Fertigung optischer Komponenten aus
nahezu allen optischen Gläsern, Quarzgläsern und Kristallen einschließlich Ihrer Vergütung durch die
Dünnschichttechnologie.
Die Struktur der Fertigung wurde so flexibel gestaltet, dass wir für Sie sowohl Einzelstücke kurzfristig
anfertigen können, als auch große Stückzahlen in der kontinuierlichen Serienproduktion herstellen.
Durch die Verbindung dieser Flexibilität mit unseren Entwicklungskapazitäten in Zusammenarbeit mit
dem Warschauer Institut für Angewandte Optik ist DoroTEK ein Partner für jede Entwicklung, die
optische Komponenten benötigt, von der Idee bis zur Serienfertigung.
Im April 2005 hat Solaris Optics S.A. bei der TÜV Rheinland den Nachweis über die Erfüllung der
Forderungen der ISO 9001:2000 erbracht. Im Juni 2008 erfolgte die Aktualisierung
Die Angestellten von Solaris Optics, hoch qualifizierte und erfahrene Optiker und Feinmechaniker und
Ihr Management, promovierte Wissenschaftler, sind stolz auf den erreichten Stand. Sie sind der
Garant, dass die Entwicklung erfolgreich fortgeführt wird.
Inhaltsverzeichnis
Seite
Inhaltsverzeichnis
1
1.
1.1.
1.1.1.
1.1.2.
1.1.3.
1.2.
1.3.
1.4.
Optische Materialien
Optische Gläser
Optische Standardgläser
Optische Spezialgläser
Farb- und Filtergläser
Glaskeramik
Quarz / Fused Silica
Optische Kristalle
2
2
2
3
4
4
5
6
2.
2.1.
2.1.1.
2.1.2.
2.1.3.
2.2.
2.3.
2.4.
Linsen und Linsensysteme
Sphärische Einzellinsen
Konvexlinsen
Konkavlinsen
Menisken
Zylinderlinsen
Achromate
Linsensysteme
7
7
7
8
9
11
12
13
3.
Antireflexionsbeschichtungen
15
4.
4.1.
4.2.
4.3.
4.3.1.
4.3.2.
Spiegel
Planspiegel
Sphärische Spiegel
Spiegelbeschichtungen
Metallische Spiegelschichten
Dielektrische Spiegelschichten
17
17
18
19
19
20
5.
5.1.
5.2.
5.3.
5.4.
Planoptik
Planparallele Platten
Fenster / BREWSTER-Fenster
Keilplatten
Streuscheiben
21
21
22
23
24
6.
6.1.
6.2.
Prismen
Dispersionsprismen
Reflexionsprismen
25
25
29
7.
7.1.
7.2.
7.3.
7.4.
7.5.
Strahlteiler
Strahlteilerplatten
Laser-Auskoppelspiegel
Strahlteilerwürfel
Pentagon-Strahlteiler
Spezielle prismatische Strahlteiler
33
34
35
36
37
38
8.
8.1.
8.2.
8.3.
8.4.
8.5.
Polarisatoren
Brewster-Platten-Polarisator
Dielektrische Polarisatoren
Doppelbrechende Polarisatoren
Keildepolarisatoren
39
39
40
42
45
47
9.
9.1.
9.2.
9.3.
Filter
Farbglasfilter
Neutralfilter
Interferenzfilter
48
48
49
50
10.
10.1.
10.2.
KDDP Pockels Zellen
LiNbO3 Pockels Zellen
51
52
53
Stichwortverzeichnis
55
1
1.
1.1.
Optische Materialien
Optische Gläser
1.1.1. Optische Standardgläser
Optische Gläser sind anorganische Schmelzprodukte, die erstarren ohne zu kristallisieren und somit
eine amorphe, homogene Struktur aufweisen. Sie
besitzen eine hohe Transmission im sichtbaren
Spektralbereich. Es werden die Hauptgruppen
Kronglas und Flintglas unterschieden, die wiederum
in verschiedene Glastypen eingeteilt sind. Glastypen werden durch die Hauptbrechzahl und die
Abbesche Zahl, die die Dispersion im sichtbaren
Spektralbereich beinhaltet, charakterisiert. Eine
übersichtliche Darstellung der Einteilung liefert das
Glasdiagramm. Die beiden Hauptgruppen unterscheiden sich primär durch die abbesche Zahl (<
bzw. > 50)
1. Krongläser (νe > 55), die eine schwache
Brechung und kleine Dispersion aufweisen.
2. Flintgläser (νe < 50), die Bleioxid enthalten und
eine größere Dispersion besitzen.
Dazwischen liegen noch einige Übergangsgruppen.
Standardmäßig verwenden wir optische Gläser von
Schott und Ohara. Es können aber auf Kundenwunsch auch Gläser anderer Hersteller verwendet
werden.
Schott-Glasdiagramm
2
Krongläser
Kron
Schwerkron
Schwerstkron
Bor-Kron
Fluor-Kron
Phosphat-Kron
Phosphat-Schwerkron
Fluophosphat-Schwerkron
Lanthan-Kron
Lanthan-Schwerkron
Barit-Kron
K
SK
SSK
BK
FK
PK
PSK
FPSK
LaK
LaSK
BaK
Flintgläser
Flint
Schwerflint
Leichtflint
Doppelleichtflint
Tiefflint
Kurzflint
Kron-Flint
Barit-Flint
Barit-Leichtflint
Barit-Schwerflint
Lanthan-Flint
F
SF
LF
LLF
TiF
KzF
KF
BaF
BaLF
BaSF
LaF
Eigenschaften ausgewählter Gläser aus dem SCHOTT-Sortiment :
Material
Dichte
N-BK7
N-BAK1
N-BAK4
N-SK2
N-SK5
N-LaK10
F5
N-SF10
N-SF56
2,51 gcm
-3
3,19 gcm
-3
3,05 gcm
-3
3,55 gcm
-3
3,30 gcm
-3
3,69 gcm
-3
2,51 gcm
-3
3,05 gcm
-3
3,28 gcm
-3
Mittlerer
Ausdehnungskoeffizient
(20 –300 °C)
-6
8,3⋅10 / K
-6
8,6⋅10 / K
-6
7,9⋅10 / K
-6
7,1⋅10 / K
-6
6,5⋅10 / K
-6
6,8⋅10 / K
-6
8,3⋅10 / K
-6
10,8⋅10 / K
-6
10,0⋅10 / K
Brechungsindex
ne (546,1 nm)
1,51872
1,57487
1,57125
1,60994
1,59142
1,72341
1,51872
1,73430
1,79179
1.1.2. Optische Spezialgläser
Spezielle optische Gläser sind bezüglich bestimmter
Anforderungen optimiert und besitzen meist eine
exponierte Eigenschaft, die sie von den durchschnittlichen Werten der Standardgläser unterscheiden.
Borosilikatglas besteht zu
70-80 % aus
Silziumdioxid (SiO2) und enthält einen hohen Anteil
(ca. 13 %) an Bortrioxid (B2O3). Das Glas zeichnet
sich durch seinen geringen Ausdehnungs-6
koeffizienten (~5 × 10 /°C für 20°C) und eine gute
Temperaturbeständigkeit aus. Der Borgehalt
bedingt eine hohe Beständigkeit gegenüber chemischen Verbindungen. Im optischen Bereich sind
die Verwendung des Glases als Spiegelsubstrat und
für optische Fenster wesentlich.
Borofloat®33 ist ein spezielles Borosilikatglass von
SCHOTT. Der Name des Glases setzt sich aus
Borosilikatglas und dem Micro-Floatverfahren, nach
dem das Glas hergestellt wird, zusammen. Das
Glas ist durch die geringe Eigenfluoreszenz im
gesamten Lichtspektrum und eine hohe Tempera-
turabschreckfestigkeit charakterisiert. Es ist hochresistent gegenüber Wasser, starken Säuren,
Laugen sowie organischen Substanzen.
D263T Dünnglas ist ein farbloses Borosilikatglas
der Firma Schott, hergestellt unter Verwendung
reinster Rohmaterialien. Es ist in extrem dünnen
Dicken verfügbar und weist eine leichte Biegsamkeit
auf. Das Glas besitzt eine gleichmäßige optische
Durchlässigkeit im sichtbaren Bereich, ist aber auch
für den IR-Bereich bis ca. 3 µm einsetzbar.
Pyrex® ist ein CORNING Borosilikatglas. Es ist wie
das Borofloat prädestiniert für Anwendungen, bei
denen
hohen Temperaturen und Temperaturschwankungen eine Rolle spielen.
B270 Superwite ist ein farbloses, universell einsetzbares, kostengünstiges Kronglas (modifiziertes
Kalk - Natron - Glas) mit hoher und gleichmäßiger
optischer Durchlässigkeit im sichtbaren und nahen
Infrarotbereich.
Glasart
Borofloat 33
B270 Superwite
D263T
Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient (20°C - 300°C)
Dichte
Transformationstemperatur
Brechungsindex ne (546,1 nm)
Abbesche Zahl e
3,25⋅10 /K
-3
2,2 gcm
525 °C
1,47311
65,41
9,4⋅10 /K
-3
2,55 gcm
533 °C
1,5230
58,3
7,2⋅10 /K
-3
2,51 gcm
557 °C
1,5231
55
-6
-6
-6
3
1.1.3. Farb- und Filtergläser
Farb- und Filtergläser zeichnen sich durch die
selektive Absorption im optischen Wellenlängenbereich aus. Nach dem Schott-Katalog lassen sich
UG
BG
VG
GG
OG
RG
N-WG
KG
NG
Schwarz- und Blaugläser mit Durchlässigkeit im UV-Bereich
Blau-, Blaugrün- und Bandengläser
Grüngläser
Nahezu farblose Gläser bis Gelbgläser mit IR-Durchlässigkeit
Orangegläser mit IR-Durchlässigkeit
Rote und schwarze Gläser mit IR-Durchlässigkeit
Farblose Gläser mit unterschiedlichen Kantenlagen im UV-Bereich
Nahezu farblose Gläser mit hoher Durchlässigkeit im Sichtbaren und mit
effektiver Absorption im IR (Wärmeschutzfilter<)
Neutralgläser mit gleichmäßiger Strahlungsschwächung im Sichtbaren
Funktional können die Farbgläser in folgende
Gruppen eingeteilt werden :
•
•
•
1.2.
die Farbgläser entsprechend dem Transmissionsbereich in folgende Gruppen einteilen :
Bandpassfilter bieten selektive Durchlässigkeit im gewünschten Wellenlängenbereich
Langpassfilter sperren ungewünschte kürzerwellige Bereiche
Kurzpassfilter sperren ungewünschte längerwellige Bereiche
•
Neutralfilter weisen insbesondere im sichtbaren Bereich eine nahezu konstante Durchlässigkeit auf.
Farbgläser werden oftmals auch in Kombination mit
dielektrischen Schichten verwendet, um spezielle
modifizierte Transmissionseigenschaften zu erzeugen.
Glaskeramik
Glaskeramik ist ein Material, das eine kristalline
Phase und eine Restglasphase enthält. Glaskeramiken besitzen eine hohe Homogenität und einen
extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten. Die Transmission liegt im Bereich 600 nm –
2000 nm bei etwa 90 %. Damit eignet sich das
Material weniger für transmissive Optik, jedoch ist
eine direkte Prüfung der inneren Qualität auf
Blasen, Schlieren oder Einschlüsse möglich. Durch
seine Eigenschaften und die gute maschinelle
Bearbeitbarkeit sind Glaskeramiken ein hervorragend geeignetes Material für präzise Spiegelsubstrate und werden daher z.B. bei reflektiven
Komponenten in astronomischen Teleskopen
verwendet.
Eigenschaften der Glaskeramik ZERODUR® (Schott) :
Mittlerer thermischer Ausdehnungskoeffizient
(0°C – 50°C)
Dichte
Abbesche Zahl
-6
Dehnungsklasse 0
0 ± 0,02⋅10 /K
-6
Dehnungsklasse 1
0 ± 0,05⋅10 /K
Dehnungsklasse 2
-6
0 ± 0,10⋅10 /K
(Standard)
-3
2,53 gcm
1,5447
55,9
Eigenschaften der Glaskeramik CLEARCERAM-Z (Ohara) :
(0°C – 50°C)
Abbesche Zahl
Clearceram-Z HS
Clearceram –Z
Regular
Clearceram-Z HS
Clearceram –Z
Regular
Clearceram-Z HS
Clearceram –Z
Regular
-6
0 ± 0,02⋅10 /K
-6
0 ± 0,1⋅10 /K
1,54899
1,54841
55,0
55,5
4
Eigenschaften der Glaskeramik ULE® (Corning) :
(5°C – 35°C)
Dichte
Abbesche Zahl
1.3.
-7
0 ± 0,30⋅10 /K
-3
2,21 gcm
1,4828
53,1
Quarz / Fused Silica
Quarz zeichnet sich insbesondere durch eine gute
Transparenz vom UV- bis zum mittleren IR-Bereich
aus. Das Material wird in zwei strukturellen
Zuständen für optische Komponenten genutzt.
1.
kristallines SiO2 (kristalliner Strukturzustand,
optische Eigenschaften abhängig von der Kristallorientierung)
2.
amorphes SiO2
Quarzglas)
(glasig erstarrte Schmelze -
Quarzglas ist ein Glas, das im Gegensatz zu den
gebräuchlichen Gläsern keine Beimengungen von
Soda oder Calciumoxid enthält, also aus reinem
Siliziumdioxid (SiO2) besteht. Es kann durch Aufschmelzung und Wiedererstarrung von Quarz oder
Quarzsand oder künstlich hergestellt werden, daher
auch die englischen Bezeichnung fused quartz oder
fused silica.
In der Präzisionsoptik wird vorrangig synthetisches
Quarzglas (Fused Silica) eingesetzt, das einen
hohen Reinheitsgrad und geringen Blasengehalt
aufweist. Fused Silica hat einen geringen
Ausdehnungskoeffizienten und ist beständig gegen
die meisten chemischen Verbindungen. Weitere
Vorteile sind eine hohe Zerstörschwelle gegenüber
optischer Belastung (hohe Laserleistungsdichten)
und die hohe Anwendungstemperatur von ca.
1.200°C.
Kristallines Quarz unterscheidet sich in seinen
optischen Charakteristika gegenüber dem Quarzglas durch seine piezoelektrischen Eigenschaften,
der optischen Aktivität und der Doppelbrechung
(siehe auch unter 1.4. Kristalle).
Eigenschaften des Quarzglases (Daten der Heraeus Quarzglas GmbH) :
(0°C - 300°C)
Dichte
Abbesche Zahl
d
Erweichungstemperatur
Max. Temperatur für kontinuierliche Anwendung
-6
0,59⋅10 /K
-3
2,20 gcm
Suprasil-Familie
Herasil / Infrasil
67,8
Suprasil-Familie
Herasil / Infrasil
Suprasil-Familie
Herasil / Infrasil
1,46008
1,46018
1600 °C
1730 °C
950 °C
1150 °C
Aus unterschiedlichen Herstellungsverfahren resultierend, lassen sich die Quarzgläser der einzelnen
Hersteller in verschiedene Sorten unterteilen. Die
Heraeus Quarzglas GmbH fasst die einzelnen
Sorten entsprechend ihren Grundeigenschaften in
Familien zusammen.
HOMOSIL® ist die Sorte mit der höchsten optischen
Qualität. Es wird aus gezüchteten Kristallen in der
Knallgasflamme geschmolzen und ist praktisch frei
von Blasen und Einschlüssen und gleichzeitig
äußerst homogen und optisch isotrop.
SUPRASIL®
Die SUPRASIL-Familie beinhaltet die synthetischen
Quarzglas-Sorten. Sie sind alle praktisch frei von
Blasen und Einschlüssen und zeichnen sich durch
besonders hohe optische Durchlässigkeit im UVund im sichtbaren Spektralbereich aus.
INFRASIL®
Die INFRASIL-Sorten werden ebenfalls aus
natürlichem, kristallinem Rohstoff, allerdings im
elektrisch beheizten Ofen geschmolzen. Sie weisen
einen sehr geringen OH-Gehalt auf und sind daher
das bevorzugte Material für den IR-Spektralbereich.
HERASIL®
Die HERASIL-Familie umfasst das klassische aus
dem
Bergkristall
in
der
Knallgasflamme
geschmolzene Quarzglas.
Neben dem Heraeus-Material verwenden wir
standardmäßig auch das HPFS7980 der Firma
Corning. Es können aber auf Kundenwunsch auch
Quarzgläser anderer Hersteller verwendet werden.
5
1.4.
Optische Kristalle
Eine Auswahl der Kristallmaterialien, aus denen
unsere optischen Komponenten gefertigt werden, ist
nachfolgend aufgeführt. Zu beachten ist, dass die
Werte für den Brechungsindex nur der Orientierung
dienen sollen. Die Angaben der Kristallhersteller
Kristall
Schmelztemperatur
Transmissionsbereich
Brechungsindizees
-3
870 °C
0,12 - 6,5 µm
0,5 µm - 1,39
5,0 µm - 1,33
-3
1418 °C
0,15 - 9,0 µm
-3
1354 °C
0,18 - 12µm
-3
1255 °C
0,13 - 7,0 µm
0,5 µm - 1,38
5,0 µm - 1,34
-3
1740 °C
0,4 - 4,5 µm
0,5 µm - 1,55
5,0 µm - 1,42
-3
2053 °C
0,17 - 5,0 µm
0,5 µm - 1,77
1,0 µm - 1,64
-3
1339 °C
0,22 – 3,0 µm
0,5 µm - 1,66
1,0 µm - 1,75
-3
1520 °C
0,55 - 18 µm
-3
1827 °C
1,8 - 12,5 µm
-3
936 °C
1,8 – 23 µm
-3
1420 °C
1,2 - 15 µm
Formel
Dichte
Lithiumfluorid
LiF
2,64 gcm
Kalziumfluorid
CaF2
3,18 gcm
Bariumfluorid
BaF2
4,89 gcm
Magnesiumfluorid
MgF2
3,18 gcm
Quarz
SiO2
2,64 gcm
Saphir
Al2O3
3,98 gcm
CaCO3
2,71 gcm
Zinkselenid
ZnSe
5,26 gcm
Zinksulfid
ZnS
4,09 gcm
Germanium
Ge
5,33 gcm
Silizium
Si
2,33 gcm
Kaliumdihydrogenphosphat (KDP)
KH2PO4
2,33 gcm
Kaliumdideuteriophosphat (KDDP)
KD2PO4
2,35 gcm
Lithiumniobat
LiNbO3
4,61 gcm
KTiOPO4
3,01 gcm
Kalkspat
Kaliumtitanylphosphat (KTP)
weichen geringfügig voneinander ab. Der konkret
nutzbare Transmissionsbereich hängt letztlich auch
von den Randbedingungen für die jeweilige Komponente im optischen System ab.
-3
Zersetzung ab
253 °C
-3
0,18 - 1,5 µm
0,2 – 2,0 µm
-3
1530 °C
0,35 - 5,5 µm
-3
1150 °C
0,35 - 4,5 µm
0,5 µm - 1,44
5,0 µm - 1,40
10,0 mm - 1,30
0,5 µm - 1,48
5,0 µm - 1,45
10,0 µm - 1,40
1,0 µm - 2,49
5,0 µm - 2,43
10,0 µm - 2,41
1,0 µm - 2,30
5,0 µm - 2,24
10,0 µm - 2,20
2,0 µm - 4,10
5,0 µm - 4,02
10,0 µm - 4,00
2,0 µm - 3,45
5,0 µm - 3,43
Für λ = 1064 nm
no = 1,49
ne = 1,46
Für λ = 1064 nm
no = 1,49
ne = 1,46
Für λ = 1064 nm
no = 2,22
ne = 2,15
Für λ = 1064 nm
nx = 1,74
ny = 1,75
nz = 1,83
6
2.
2.1.
Linsen und Linsensysteme
Sphärische Einzellinsen
2.1.1. Konvexlinsen
Konvexlinsen sind Sammellinsen mit einer positiven
Brennweite. Ein paralleles Lichtbündel konvergiert
nach dem Durchgang durch eine Linse konvexen
Typs.
Bikonvexlinsen besitzen zwei sphärische Flächen.
Sind die Krümmungsradien beider Flächen
identisch, spricht man von einer symmetrischen
Bikonvexlinse, im anderen Falle von einer unsymmetrischen Bikonvexlinse. Ein Spezialfall der
letzteren stellt die Plankonvexlinse dar, bei der
eine Seite plan ist, d.h. der Krümmungsradius ist
unendlich.
Bikonvexlinsen eignen sich für optische Abbildungen, die Abbildungsmaßstäbe zwischen 0,25 - 5
beinhalten. Bei einer symmetrischen Anordnung von
Objekt und Bild (bzgl. der Entfernung von der Linse)
wird mit einer symmetrischen Bikonvexlinse die
geringste sphärische Abberation erzielt.
muss die sphärische Fläche
Strahlenverlauf zugewandt sein.
dem
parallelen
Im Vergleich zu der Plankonvexlinse läßt sich mit
einer unsymmetrischen Bikonvexlinse die geringste
sphärische Abberation mit einer Einzellinse
realisieren. Bezogen auf ein Glas mit einem
Brechungsindex von 1,5 sind die Wellenfrontqualität
und die Fokussierbarkeit um ca. 7 % besser
(paralleler Lichteinfall vorausgesetzt). Allerdings
sind Plankonvexlinsen i.A. kostengünstiger.
Zu beachten ist bei der Verwendung von
Einzellinsen, dass nur die sphärische Abberation
minimiert werden kann. Es besteht keine
Möglichkeit, die chromatische Abberation zu
beeinflussen.
Um mit einer Bikonvexlinse für andere Anordnungen
eine minimale sphärische Abberation zu verwirklichen, ist eine unsymmetrische Bikonvexlinse,
die sog. Linse bester Form erforderlich. Das
Radienverhältnis beider Flächen ist abhängig vom
Brechungsindex und dem geforderten Abbildungsmaßstab. Es ist darauf zu achten, dass die stärker
gekrümmte Fläche dem parallelen Strahlenverlauf
zugewandt ist.
Für Abbildungsmaßstäbe < 0,25 oder > 5 sind
Plankonvexlinsen besser geeignet. Diese sind z.B.
bei der Fokussierung eines Laserstrahls oder der
Abbildung aus dem Unendlichen zu bevorzugen.
Zur Minimierung der sphärischen Abbildungsfehler
Symmetrische Bikonvexlinse
7
Unsymmetrische Bikonvexlinse
Plankonvexlinse
Technische Daten – Konvexlinsen
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
Durchmesserbereich
4 ÷ 100 mm
Durchmessertoleranz
-0,1 mm
Aktive Fläche (Freie Apertur)
Dickentoleranz
Brennweitenbereich
Toleranz der Brennweite
Radiustoleranz
Zentrierung
Formgenauigkeit (633 nm)
Oberflächenqualität (scratch – dig)
90 %
± 0,1 mm
5 ÷ 3000 mm
±2%
±1%
3 arcmin
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Konvexlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm)
2.1.2. Konkavlinsen
Konkavlinsen sind Zerstreuungslinsen mit einer
negativen Brennweite. Ein paralleles Lichtbündel
divergiert nach Durchgang durch eine Konkavlinse.
Auf Grund dessen erzeugen Konkavlinsen nur
virtuelle Bilder, die durch die Linse hindurch, gegen
die Einfallsrichtung des Lichtes, zu beobachten
sind.
Anderenfalls eignen sich Plankonkavlinsen am
besten, um die sphärische Abberation zu minimieren. Bei der Verwendung von Plankonkavlinsen
ist darauf zu achten, dass die gekrümmte Fläche
dem parallelen Strahlengang zugewandt ist. Plankonkavlinsen haben im Vergleich zu Bikonkavlinsen einen geringeren Öffnungsfehler.
Bikonkavlinsen besitzen zwei sphärische Flächen.
Sind die Krümmungsradien beider Flächen identisch, spricht man von einer symmetrischen Bikonkavlinse, im anderen Falle von einer unsymmetrischen Bikonkavlinse. Ein Spezialfall der
letzteren stellt die Plankonkavlinse dar, bei der ein
Krümmungsradius unendlich ist, d.h. eine Seite ist
plan.
Vorrangige Einsatzgebiete für einzelne Konkavlinsen sind die Aufweitung von Laserstrahlung und
die Parallelisierung divergenter Strahlung.
Zu beachten ist bei der Verwendung von
Einzellinsen, dass nur die sphärische Abberation
minimiert werden kann. Es besteht keine
Möglichkeit, die chromatische Abberation zu
beeinflussen.
Wie bei den Konvexlinsen sind für Abbildungsmaßstäbe von 0,25 – 5 Bikonkavlinsen vorzuziehen.
8
Symmetrische Bikonkavlinse
Plankonkavlinse
Unsymmetrische Bikonkavlinse
Technische Daten – Konkavlinsen
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
Durchmesserbereich
4 ÷ 100 mm
Durchmessertoleranz
-0,1 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,1 mm
Bikonkavlinsen : -3 ÷ -500 mm
Brennweitenbereich
Plankonkavlinsen : -5 ÷ -200 mm
±2%
Radiustoleranz
±1%
Zentrierung
3 arcmin
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Konkavlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
2.1.3. Menisken
Menisken sind Linsen mit einer konvexen und einer
konkaven Oberfläche. Abhängig vom Krümmungsradius werden positive, negative oder konzentrische
Menisken unterschieden.
a)
Ein positiver Meniskus fokussiert das Licht. Der
konkave Radius ist größer als der konvexe
Radius. Er ist aplanatisch für das bzgl. der
ersten Krümmungsfläche im Zentrum plazierte
Objekt.
9
Positiver Meniskus
b)
Ein negativer Meniskus erzeugt einen divergenten Lichtstrahl. Der konvexe Radius ist in
diesem Fall größer als der konkave Radius. Der
Meniskus ist aplanatisch für das Objekt, dessen
Bild im Zentrum der zweiten Krümmungsfläche
liegt.
Konzentrischer Meniskus
d)
Bei dem Durchgang eines parallelen Lichtstrahls durch einen Null-Meniskus wird die Divergenz nicht geändert. Die Strahlen erfahren
einen parallelen Versatz.
Menisken werden vorrangig in Linsensystemen oder
als Kondensoren in Beleuchtungssystemen eingesetzt. Als Einzellinsen finden sie in Laserresonatoren eine spezielle Anwendung.
Negativer Meniskus
c)
Beide Flächen sind konzentrisch. Diese Linse
ändert nicht die Divergenz des Lichtes (NullMeniskus). Objekt und Bild befinden sich im
Zentrum der Krümmung.
Null-Meniskus
Technische Daten – Menisken
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
Durchmesserbereich
5 ÷ 100 mm
Durchmessertoleranz
-0,1 mm
Dickentoleranz
Brennweitenbereich
Radiustoleranz
Zentrierung
90 %
± 0,1 mm
Positiver Meniskus : 20 ÷ 3000 mm
Negativer Meniskus : -20 ÷ -3000 mm
±2%
±1%
3 arcmin
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Menisken können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm)
10
2.2.
Zylinderlinsen
Zylinderlinsen besitzen eine sphärische Fläche, die
nur in eine Richtung verläuft. Aus diesem Grund
wird Licht nur in eine Richtung abgelenkt und punktförmige Objekte werden linienförmig abgebildet. In
der Praxis haben plankonvexe und plankonkave
Zylinderlinsen Bedeutung.
Plankonvexe Zylinderlinsen erzeugen aus einem
einfallenden Lichtbündel eine Fokuslinie. Wie bei
sphärischen Linsen gilt, dass der gekrümmten
Fläche der parallele Strahlengang zuzuwenden ist,
um Abbildungsfehler zu minimieren.
Plankonvexe Zylinderlinse
Plankonkave Zylinderlinsen dienen der Aufweitung
von Strahlung in eine Richtung (z.B. um unsymmetrische Ausgänge von Laserdioden zu kompensieren).
Zylinderlinsen finden ihre Anwendung u.a. bei der
Beleuchtung von linearen Detektoranordnungen
oder Spaltblenden in der Spektroskopie und im
Zusammenhang mit Scan-Techniken. In der
Medizintechnik werden Zylinderlinsen zur Erzeugung von Markierungsmustern (Linien, Kreuze)
angewandt.
Plankonkave Zylinderlinse
Technische Daten – Zylinderlinsen
Standardwerte
Material
Maßbereich (Durchmesser, Kantenlänge)
Maßtoleranz
Dickentoleranz
Brennweitenbereich
Radiustoleranz
Keilfehler
Kundenspezifikation
5 ÷ 100 mm
± 0,1 mm
90 %
± 0,1 mm
Plankonvex-Zylinderlinse : 10 ÷ 50 mm
Plankonkav-Zylinderlinse : -10 ÷ -50 mm
±5%
±5%
< 15 arcmin
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Zylinderlinsen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : 40-20
11
2.3.
Achromate
Achromate bestehen aus zwei sphärischen Linsen,
die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Typische Materialkombinationen sind z.B.:
Flintglas + Kronglas
CaF2 + Quarzglas
Achromate können positive oder negative Brennweiten haben und somit als Sammellinse oder Zerstreuungslinse in der optischen Abbildung fungieren.
Wie bei den Einzellinsen ist zu beachten, dass die
am stärksten gekrümmte Fläche dem parallelen
Strahlengang zugewandt ist.
Achromat als Kittglied
Gegenüber Einzellinsen bieten Achromate eine
größere Anzahl freier Parameter (2 Brechungsindizees, 3 Radien, 2 Dicken). Daraus resultiert die
Möglichkeit einer besseren Optimierung der zu realisierenden Abbildung.
Das betrifft :
•
Verringerung der chromatischen Abberation
•
Verringerung der sphärischen Abberation
•
Minimale Fokussierung für eine Wellenlänge
(beugungsbegrenzt)
•
Vermeidung eines Komas
Die Linsen können miteinander verbunden sein
(Kittgruppe) oder aber in gefaßter Form, um einen
definierten Luftabstand zu fixieren, geliefert werden.
Die Achromate mit Luftabstand bieten zusätzlich
freie Parameter (ein weiterer Radius, Breite des
Luftspaltes), wodurch die Fehlerkorrektur noch ver-
Achromat mit Luftspalt
bessert werden kann. Weitere Vorteile, die aus dem
Entfall des Klebers folgen, sind die höhere und
spektral erweiterte Transmission und die stärkere
Temperaturbelastbarkeit (größere Laserleistungsdichten), die der Achromat ausgesetzt werden kann.
Eine bei Scantechniken häufig verwendete Form ist
der streifenförmige Achromat. Eine andere Option
ist eine zentrale oder auch dezentrale Bohrung im
Achromaten.
Technische Daten – Achromate
Standardwerte
Material
Durchmesser
Durchmessertoleranz
Dickentoleranz
Brennweitenbereich
Kundenspezifikation
Kittglied : 5 ÷ 80 mm
Luftspalt : 5 ÷ 100 mm
-0,1 mm
90 %
± 0,2 mm
10 ÷ 3000 mm
±2%
Radiustoleranz
±1%
Zentrierung
3 arcmin
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Achromate können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm), Optionen : Streifenform, Bohrungen
12
2.4.
Linsensysteme
Wir fertigen auf Kundenspezifikation komplette Linsensysteme. Das schließt sowohl die Herstellung der
einzelnen Linsen und Kittgruppen ein als auch die
Vergütung und Montage in Fassungen.
Wir fertigen nach Ihren Vorgaben, übernehmen aber
auch die Berechnung und Konstruktion von Linsensystemen.
Die Übermittlung der Idee oder Aufgabenstellung ist in
der Regel ausreichend, um mit einem Projekt zu
starten. Wir erfragen die notwendig zu wissenden
Randbedingungen, erstellen einen Lösungsansatz und
ein kostenfreies Angebot als Basis für die weitere
Projektbearbeitung.
Zu unseren Fertigungsmöglichkeiten gehören :
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
•
Tripletts
Apochromate
Hochauflösende Objektive
Mikroskopobjektive
CCD-Kamera-Objektive
Okulare
Kondensoren
Fernrohre
Laseraufweitungssysteme
Zoom-Module
Spezielle Optik-Systeme
Beispiele für Linsensysteme
Triplett
Expander (Kepler-Fernrohr)
13
Kondensor
Expander (Umgekehrtes Galileo-Fernrohr)
Objektiv
Huygens Augenglas
14
3.
Antireflexionsbeschichtungen
Antireflexionsschichten verringern die Reflexionsverluste und erhöhen somit die Transmission
optischer Komponenten, wie z.B. Linsen, Prismen
und Fenster. Insbesondere bei Materialien mit
einem großen Brechungsindex sind AR-Schichten
erforderlich. Zu beachten ist, dass die Wirkung
dieser abhängig ist von der Wellenlänge, dem
Einfallswinkel und dem Polarisationszustand des
einfallenden Lichtes.
Bei senkrechtem Lichteinfall gilt für die Reflexion R
 nGlas − n Luft
R=
n
 Glas + n Luft




2
Der Zusammenhang kann in Näherung auch für
Einfallswinkel bis zu 50° angenommen werden. Aus
dieser Formel resultieren die in der nebenstehenden
Tabelle aufgeführten Reflexionsgrade für unbeschichtetes Material (senkrechter Einfall).
Antireflexionsschichten bestehen aus einer oder
mehreren dielektrischen Schichten. Der konkrete
Aufbau wird durch die Substratart, die Wellenlänge,
den Einfallswinkel und den Polarisationszustand
des Lichtes sowie den kundenspezifischen Anforderungen bestimmt.
Material
n (589,3 nm)
Reflexion
N-BK7
1,517
4,2 %
N-BaK4
1,569
4,9 %
N-SF11
1,784
7,9 %
1,459
3,5 %
Quarzglas
n (4200 nm)
Si
3,424
29,9 %
Ge
4,022
36,2 %
ZnSe
2,195
14,0 %
CaF2
1,407
2,9 %
Prinzipiell werden Breitband-AR-Beschichtungen
und Linien-AR-Beschichtungen (V-Typ) unterschieden. Letztere sind optimiert bezüglich einer
einzelnen Wellenlänge, was insbesondere in der
Lasertechnik zum Einsatz kommt. Einen Spezialfall
stellt die Zweipunkt-AR-Beschichtung dar, die
gleichzeitig für zwei Wellenlängen optimiert ist, z.B.
für die 1. und 2. harmonische Wellenlänge des
Nd:YAG-Lasers (532 nm und 1064 nm).
Technische Daten – Antireflexionsbeschichtungen
Bezeichnung der AR-Schicht
Einfachschicht
(Auswahl)
Wellenlänge / Substrat
MgF2, optimiert für den UV, VIS oder
NIR-Bereich
240 ÷ 450 nm auf Quarzglas
V-Typ-AR-Schicht (Optimierung für 450 ÷ 1200 nm auf optischem Glas
eine Wellenlänge)
900 ÷ 6000 nm auf Si und Ge
10,6 µm auf ZnSe
400 & 800 nm
Zweipunkt-AR-Schicht (Optimierung
532 & 1064 nm
für zwei Wellenlängen)
780 & 1064 nm
Typische Restreflexion
R < 0,25 %
R < 0,2 %
R < 0,3 %
R < 0,2 %
R < 0,25 %
R < 0,25 %
R < 0,25 %
Breitband-AR-Schicht – Basic
300 ÷ 1500 nm auf Quarzglas und
optischem Glas mit Bandbreite λ1 λ2 : λ2 = 1,5•λ1 (z.B. 440 – 660 nm)
R (D) < 0,4 %
Breitband-AR-Schicht – Wide
450 ÷ 1500 nm auf optischem Glas
mit Bandbreite λ1 - λ2 : λ2 = 2•λ1
(z.B. 450 – 900 nm)
R (D) < 0,5 %
Breitband-AR-Schicht – Very Wide
500 ÷ 1100 nm auf optischem Glas
mit Bandbreite 500 – 1100 nm
R (D) < 0,6 %
Breitband-AR-Schicht – Si
3,0 ÷ 5,5 µm auf Silizium
R (D) < 1,5 %
R (D) – durchschnittliche Restreflexion innerhalb der spektralen Bandbreite
15
Reflexionskurven für Beispielanwendungen
3-Layer AR-Beschichtung auf N-BK7
MgF2 Einfachschicht auf unterschiedlichen Gläsern
V-Typ AR-Beschichtung für 532nm
V-Typ AR-Beschichtung für 1064nm
Breitband AR-Beschichtung für den VIS-Bereich
Breitband AR-Beschichtung für VIS- und NIR
2-Punkt AR für 532 & 1064nm
2-Punkt AR für 780 & 1064nm
16
4.
Spiegel
Spiegelschichten :
Metallisch – Aluminium, Gold, Silber (optional mit
Schutzschichten) oder dielektrisch
Spiegel können hinsichtlich ihrer geometrischen
Form des Substratmaterials und der Art der Spiegelschicht unterschieden werden. Oftmals werden
Laserspiegel getrennt aufgeführt, da diese sich
durch die spezielle Anwendung und eine besonders
hohe optische Qualität auszeichnen.
Spiegelformen :
Planspiegel , Sphärische Spiegel
Spiegelsubstrat-Materialien :
B270, N-BK7, Zerodur, Pyrex, Quarzglas, Borofloat, Kupfer, Silizium u.a.
Substratmaterial
B270
Ausdehnungskoeffizient
20 ÷ 300 °C
-6
20 ÷ 300 °C
-6
20 ÷ 300 °C
-6
0 ÷ 300 °C
9,5 • 10 / K
N-BK7
8,3 • 10 / K
0,1 • 10 / K
Borofloat
Silizium
Kupfer
Temperaturbereich
-6
Zerodur
Quarzglas
4.1.
Für die Auswahl des Spiegelsubstrates ist in
kritischen Anwendungen, die eine hohe Formstabilität des Substrates erfordern, der Ausdehnungskoeffizient zu berücksichtigen. Die nachstehende Tabelle listet eine Auswahl möglicher
Substrate und die Koeffizienten auf :
0,6 • 10 / K
-6
3,25 • 10 / K
-6
3,7 • 10 / K
-6
16,5 • 10 / K
0 ÷ 300 °C
0 ÷ 300 °C
20 °C
Planspiegel
Planspiegel werden in den unterschiedlichsten Formen und Größen entsprechend kundenspezifischer
Anforderungen hergestellt. Optional können die
Spiegel auch mit Bohrungen versehen werden.
Auswahl der Formen
Rechteck- oder Kreis-Form
Elliptische Formen
17
Wir produzieren Spiegel mit Formgenauigkeiten
(Passe) im nm-Bereich und Politurgüten, die sich im
Sub-Nanometer-Bereich bewegen. Insbesondere für
Anwendungen im UV-Bereich sind spiegelnde Oberflächen mit einer extrem geringen Rauheit für ein
gutes Reflexionsverhalten von Bedeutung.
Die Rauheit kann über folgende Angaben beschrieben
werden:
•
Die mittlere Rauheit Ra gibt den mittleren
Abstand eines Messpunktes auf der
Oberfläche zur Mittellinie an. Die Mittellinie
schneidet innerhalb der Bezugsstrecke das
wirkliche Profil so, dass die Summe der
Profilabweichungen
(bezogen
auf
die
Mittellinie) minimal wird.
•
Der quadratische Mittenrauhwert Rq (englisch rms-roughness = root-mean-squared
roughness: Wurzel des Mittelquadrates) wird
aus dem Mittel der Abweichungsquadrate
berechnet und entspricht dem „quadratischen
Mittel“
Beispiel einer Rauheitsmessung (RMS < 0,7 nm):
Technische Daten – Planspiegel
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Dickentoleranz
Planität (633 nm)
Kundenspezifikation
4 ÷ 200 mm
-0,1 bis -0,3 mm
90 %
± 0,1 mm
1 λ pro Zoll
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Planspiegel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
Optional mit Bohrungen
4.2.
Sphärische Spiegel
Die aktive Fläche sphärischer Spiegel ist Teil einer
Kugelfläche. Fällt paralleles Licht auf die innere,
konkave Seite des Spiegels, wird es reflektiert und
in dem Brennpunkt des Spiegels vereinigt. Der
Spiegel wird als Hohlspiegel oder Konkavspiegel
bezeichnet.
Trifft paralleles Licht auf die äußere, konvexe
Spiegelseite, wird es reflektiert und divergiert.
Spiegel in dieser Anwendung werden als Wölbspiegel oder Konvexspiegel bezeichnet.
Plankonkavspiegel
18
Technische Daten – Sphärische Spiegel
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
Durchmesserbereich
5 ÷ 150 mm
Durchmessertoleranz
-0,1 bis -0,3 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,1 mm
10 ÷ 2000 mm
Brennweitenbereich
±1%
Radiustoleranz
±1%
3 ÷ 10 arcmin
Zentrierung
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Sphärische Spiegel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen
gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm)
4.3.
4.3.1. Metallische Spiegelschichten
Metallbeschichtungen sind in ihrer reflektierenden
Wirkung nur geringfügig von der Wellenlänge, der
Polarisation und dem Winkel des einfallenden Lichtbündels abhängig. Wichtige Materialien sind Aluminium, Silber und Gold.
Aluminiumschichten sind empfindlich gegenüber
einer allmählichen Oxydation. Aus diesem Grund
werden sie in der Regel mit einer Schutzschicht aus
z.B. SiO2 oder MgF2 überzogen.
MgF2 findet für den UV- und VIS-Bereich
Anwendung und SiO2 für den VIS-NIR-Bereich.
Gold beschichtete Spiegel können je nach Anwendung mit und ohne Schutzschicht geliefert werden.
Silberbeschichtungen werden vorrangig bei Rückflächenspiegeln aufgetragen.
Abhängig von der Wellenlänge liegt die Reflexion
zwischen 85 und 98 % eingesetzt.
Metallische Spiegelschichten
Wellenlängenbereich
UV
VIS, NIR
IR, FIR
Standardbeschichtung
Aluminium (optional MgF2-Schutzschicht)
Aluminium, Silber (optional mit SiO2- oder Y2O3-Schutzschicht)
Gold (optional mit Y2O3-Schutzschicht)
19
4.3.2. Dielektrische Spiegelschichten
Dielektrische Spiegel weisen im Vergleich zu
metallischen Spiegeln einen höheren Reflexionsgrad auf und sind mechanisch stabiler, so dass
keine Schutzschicht erforderlich ist. Es ist zu beachten, dass dielektrische Schichten eine Wellenlängenabhängigkeit aufweisen und in ihrem Reflexionsverhalten auch abhängig sind vom Polarisationszustand und dem Einfallswinkel.
Mit dielektrischen Beschichtungen ist eine sehr
große Vielfalt von Reflexionskurven realisierbar.
Prinzipiell unterscheiden sich die Schichten nach
der Wellenlängenabhängigkeit (V-Typ, Breitband).
Spezielle Charakteristika, wie z.B. Optimierung für
zwei Wellenlängen oder Kombination mit einer
Strahlteilerwirkung können realisiert werden.
Dielektrische Spiegelschichten (V-Typ)
Spektralbereich
Wellenlängenbereich
Reflexionsgrad
Einfallswinkel 0°
248 ÷ 300 nm
>98,0 %
300 ÷ 400 nm
>99,5 %
VIS
400 ÷ 800 nm
>99,7 %
NIR
800 ÷ 1600 nm
>99,7 %
UV
Einfallswinkel 45°
248 ÷ 300 nm
> 97,0 %
300 ÷ 400 nm
> 98,0 %
VIS
400 ÷ 800 nm
>99,0 %
NIR
800 ÷ 1600 nm
>99,0 %
UV
Beispiele für Reflexionskurven
VIS Spiegel, Einfallswinkel 0°
VIS Spiegel, Einfallswinkel 45°
UV Spiegel, Einfallswinkel 0°
UV Spiegel, Einfallswinkel 45°
20
5.
Planoptik
5.1.
Planparallele Platten
Planparallele Platten dienen vorrangig als Fenster
oder als Substrate für Planspiegel, Filter, Strahlteiler
u.a.. In optischen Systemen übernehmen sie die
Aufgabe der Erzeugung eines parallelen Strahlversatzes. Eine besondere Gruppe hochwertiger
Planplatten sind die Etalons, die als Referenz für
Ebenheit oder Parallelität dienen. Planparallele
Platten können in den unterschiedlichsten Größen
und Formen geliefert werden. Eine Auswahl ist
nachfolgend aufgeführt.
Elliptische Formen
Technische Daten – Planparallele Platten
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 200 mm
-0,1 ÷ -0,5 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,1 mm
Parallelität
< 3 arcmin
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Planparallele Platten können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen
gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Parallelität 1 arcsec
21
5.2.
Fenster / BREWSTER-Fenster
Für einfache Fenster gelten die Parameter und
Toleranzen der planparallelen Platten. Um Reflexionsverluste zu vermeiden, ist die Vergütung mit
einer Antireflexionsschicht in Betracht zu ziehen
(siehe auch Kapitel 3).
Eine spezielle Fensterart sind die BrewsterFenster, die die polarisierende Wirkung bei
Lichteinfall im Brewster-Winkel ausnutzen.
Brewstersches Gesetz:
Aus den Fresnelschen Reflexionsgleichungen folgt,
dass bei einem definierten Einfallswinkel aβ der
reflektierte Strahl vollständig linear polarisiert ist
(Polarisationsebene entspricht der Einfallsebene).
Der transmittierte Strahl enthält beide Komponenten. Brewster-Fenster haben vor allem als Abschluß von aktiven Lasermaterialien (Gaslaser)
Bedeutung erlangt, um für eine Polarisationsrichtung Reflexionsverluste zu senken. Die Transmission eines Brewster-Fensters kann ohne Antireflexbeschichtung für einen parallel zur Einfallsebene
polarisierten Strahl nahezu 100 % betragen.
Technische Daten – Fenster / Brewster-Fenster
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 200 mm
-0,1 ÷ -0,5 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,1 mm
Parallelität
< 1 arcmin
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Brewster-Fenster können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen
gefertigt werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Parallelität 1 arcsec
22
5.3.
Keilplatten
Keilplatten finden z.B. bei störenden Reflexionen
an der Rückseite von optischen Fenstern Anwendung. Durch den definierten Keilwinkel werden
diese Reflexionen abgelenkt. Mit Keilen ist es auf
einfache Art möglich, optische Weglängen durchzustimmen.
Keilplatten entsprechen in Ihrer Funktionsweise
Prismen mit einem kleinen brechenden Winkel, die
dementsprechend eine geringe Ablenkung δ des
Lichtes erzeugen.
δ = (n − 1)γ
mit
δ = Ablenkungswinkel
γ = Keilwinkel
n = Brechungsindex des Keilmaterials
Technische Daten – Keilplatten
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Dickentoleranz
Kennzeichnung der dicksten Stelle
Kundenspezifikation
4 ÷ 200 mm
-0,1 ÷ -0,5 mm
90 %
± 0,1 mm
Kerbe
Keilwinkelgenauigkeit
± 3 arcmin
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Brewster-Fenster können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : 10-5 ; λ/10 (633 nm) ; Winkelgenauigkeit 1 arcsec
23
5.4.
Streuscheiben
Streuscheiben werden in Beleuchtungssystemen
zur Verbesserung der Homogenität der Ausleuchtung und als Abbildungsschirm zur Beobachtung
realer Abbildungen im optischen Strahlengang
verwendet. Streuplatten werden auf einer Seite
optisch poliert und die zweite Seite wird mit einer
definierten Rauhigkeit gefertigt, die eine diffuse
Streuung des Lichtes bedingt.
Technische Daten – Streuscheiben
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Dickentoleranz
Fassung
B270
4 ÷ 200 mm
-0,1 ÷ -0,2 mm
90 %
± 0,1 mm
Kundenspezifikation
Diffusionsplatten können, angepasst an die Anforderungen auch aus anderen Materialien, z.B. N-BK7
oder Quarzglas gefertigt werden.
Eine andere Möglichkeit Streuscheiben zu fertigen
basiert auf dem Milchüberfangglas. Das von der
Schott-DESAG AG hergestellte Milchüberfangglas
ist ein maschinengezogenes Zweischichtglas, bestehend aus einem farblosen Grundglas, das als
Trägermaterial einer dünnen weißfarbigen Über-
fangschicht dient. Der Transmissionsgrad liegt im
visuellen Spektralbereich um 30 %. Das Glas ist annähernd ideal streuend, d.h. die winkelabhängige
Streuung stellt sich grafisch angenähert als Kreis
dar.
24
6.
Prismen
Prismen stellen die differenzierteste Gruppe optischer Komponenten dar. Im allgemeinen sind Prismen transmittierende optische Komponenten, die
durch zwei Flächen begrenzt werden, die durch eine
dritte Fläche (die Basis) geschnitten werden und
den sogenannten Brechungswinkel γ einschließen.
6.1.
Von der Anwendung her lassen sich zwei Prismengruppen unterscheiden :
•
•
Dispersionsprismen
Reflexionsprismen
Dispersionsprismen
Beim Durchgang durch ein Dispersionsprisma wird
ein einfallendes Lichtbündel durch die Brechung an
zwei nichtparallelen Flächen von seiner ursprünglichen Ausbreitungsrichtung abgelenkt. Da die Stärke der Ablenkung von der Wellenlänge abhängt, ist
es möglich, polychromatisches Licht spektral zu
zerlegen. Die spektrale Auflösung wird u.a. bestimmt durch die Dispersionsstärke.
Unter der Dispersion des Glases wird die Abhängigkeit des Brechungsindexes von der Wellenlänge dn’/dλ verstanden. Ein Maß für die Dispersion
liefert die Abbesche Zahl νe. Eine hohe Abbesche
Zahl bedeutet geringe Dispersion.
νe =
ne − 1
n F ' − nC '
ne
- Hauptbrechzahl λ= 546,1 nm
nF '
nC '
- Brechzahl bei λ = 479,99 nm
- Brechzahl bei λ = 643,85 nm
25
Typische Materialien für Dispersionsprismen
νe
63,96
36,11
28,19
69,00
Material
N-BK7
F2
N-SF10
Quarzglas
Die Gläser sind allerdings nur für den sichtbaren
und nahen infraroten Bereich (bis 2 µm) geeignet.
Für den ultravioletten Spektralbereich bis 200 nm
werden CaF2, LiF oder Quarzglas verwendet.
ne
1,51872
1,62408
1,73430
1,46018
Typische Materialien für den IR-Bereich sind CaF2,
Silizium, Germanium, KBr und NaCl.
Strahlendurchgang durch ein Dispersionsprisma
γ
ε1
ε2
δ
- Brechender Winkel
- Einfallswinkel
- Ausfallswinkel
- Ablenkwinkel
Formelauswahl für die Berechnung des Strahlengangs beim Durchgang durch ein Dispersionsprisma
Bündelablenkung δ
Winkeldispersion (Maß für die Auffächerung)
Es gelten die Winkelbeziehungen :
δ1 = ε1 − ε1’
δ2 = ε2’ − ε2
γ = ε1 ’ + ε2
δ = δ1 +δ2
dδ dδ dn'
=
⋅
=
dλ dn' dλ
−2 sin
γ
2
1 − n' 2 sin 2
γ
2
⋅
dn '
dλ
Für dn’/dλ kann näherungsweise ∆n’/∆λ eingesetzt
werden.
Daraus folgt für die Ablenkung δ
Spektrales Auflösungsvermögen
δ = ε1 + ε2 ’ − γ
λ
dλ
Minimale Ablenkung δmin
γ
δ min. = 2⋅ arc sin (n’ sin ) − γ
2
entspricht einem symmetrischen Strahlendurchgang
ε1’=ε2=
γ
2
= a⋅
dδ
λ
dλ
dλ
= b⋅
dn
dλ
a – Lichtbündelbreite
b – Basis des voll ausgeleuchteten Prismas
Beispiele für einige optische Gläser
Material
N-BK7
F2
N-SF11
Spektrale Auflösung
125
273
510
γ=60° ; a=2 mm ; n’=(nF’+nC’)/2
26
Fraunhoferlinien
Hg
i
365.0
UV
380
Hg
Hg
h
404.7
g
435.8
violet
400
blue
Cd
F’
480.0
H
F
486.1
blue
green
He
Na
D
e
d
546.1 587.6 589.3
Hg
green
yellow
green
500
yellow
Cd
C’
H
C
643.6 656.3
r
K
A’
706.5
768.2
He
red
orange
600
700
Wavelengths
Spectral colors
780
nm
Auf Grund ihrer exakt definierten Wellenlängen werden die Fraunhoferlinien oft zur Bestimmung der Brechzahl
und der Dispersion (Abbesche Zahl) von optischen Materialien genutzt.
Gleichseitiges Dispersionsprisma (60°-Prisma)
Gleichseitige Prismen zeichnen sich durch die drei
60° Winkel aus. Dieser Prismentyp ist die Standard-
variante für die Dispersion eines polychromatischen
Lichtstahls.
Gleichschenkliges Dispersionsprisma (30°-Prisma)
Gleichschenklige Prismen weisen einen Brechungswinkel von 30° auf.
LITTROW-Prisma
LITTROW-Prismen verbinden die spektrale Zerlegung des Lichtes mit einer Umkehrung des Strah-
lengangs. Die Umkehrung erfolgt über die Reflexion
an der verspiegelten Rückseite.
27
PELLIN-BROCA-Prisma
Das PELLIN-BROCA-Prisma ist ein Dispersionsprisma, das neben der spektralen Zerlegung eine
zusätzliche Strahlablenkung um 90° realisiert. Eine
Drehung des Prismas um die Achse A ermöglicht
ein Durchstimmen der Wellenlänge.
Licht, das im Brewsterwinkel
einfällt, verlässt
dieses auch wieder im Brewsterwinkel, daher
passiert ein Lichtstrahl der parallel zur Einfallsebene polarisiert ist das Prisma ohne wesentliche
Reflexionsverluste.
BREWSTER-Prisma
Wenn mit polarisiertem Licht gearbeitet wird, empfiehlt sich die Verwendung von BREWSTER-Prismen. Für die parallel zur Einfallsebene polarisierte
Komponente treten nahezu keine Reflexionsverluste auf, wenn die Einstrahlung im Brewsterwinkel
αB erfolgt.
AMICI-Prisma (Geradsichtprisma)
AMICI-Prismen bewirken eine spektrale Zerlegung
polychromatischen Lichtes, wobei für eine definierte
zentrale Wellenlänge keine Strahlablenkung erfolgt.
Die Prismen bestehen aus zwei unterschiedlichen
Materialien A und B. Typische Materialkombinationen sind A - Flintglas und B - Kronglas.
28
Technische Daten – Dispersionsprismen
Standardwerte
Material
Maßbereich (Kantenlänge)
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 100 mm
± 0,1 mm
90 %
Winkelgenauigkeit
± 10 arcmin
Pyramidalfehler
± 10 arcmin
Planität (633 nm)
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Prismen können, angepasst an die Anforderungen auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 20-10 ; λ/10 (633 nm) ; Winkelgenauigkeit ca. 3 arcsec
6.2.
Reflexionsprismen
Reflexionsprismen entsprechen in ihrer Wirkungsweise ebenen Spiegeln. Sie dienen der Strahlablenkung oder der Änderung der Bildlage (Drehung
bzw. Umkehr) gegenüber der Objektlage. Reflexionsprismen bestehen aus Glaskörpern mit
allseitig planen Flächen. Diese Flächen können
verspiegelt sein, oder aber ihre reflektierende Wirkung durch die Totalreflexion erhalten.
Es gibt eine große Vielfalt an Prismen, die sich in
verschiedene Funktionsgruppen einteilen lassen:
1. Ablenkung des Lichtes ohne Änderung der Bildlage
2. Ablenkung des Lichtes mit Seitenvertauschung
3. Ablenkung des Lichtes mit vollständiger Umkehr
der Bildlage (Seiten- und Höhenvertauschung)
4. Ablenkung und Bilddrehung (typisch 90 °)
Nachfolgend ist eine Auswahl an Prismen aufgeführt. Diese erhebt bei weitem keinen Anspruch auf
Vollständigkeit und deckt auch nicht unsere Fertigungsmöglichkeiten ab. Wenn Sie spezielle Prismen benötigen, übermitteln Sie uns bitte Ihre Anforderungen oder die zu realisierende Aufgabenstellung.
Halbwürfelprisma
Das Halbwürfelprisma wird vor allem zur 90°Umlenkung verwendet. In diesem Fall erfolgt der
Strahleintritt durch eine Kathetenfläche und die
Reflexion an der verspiegelten Hypotenuse.
Der Lichteinfall durch die Hypotenuse mit
zweimaliger Reflexion an den beiden Katheten
bewirkt eine Strahlumkehr (PORRO-Prisma).
29
BAUERNFEIND-Prisma
BAUERNFEIND-Prismen dienen der Strahlablenkung ohne Seiten- und Höhenvertauschung des
Bildes. Der Ablenkwinkel δ hängt ab vom Winkel γ
zwischen der Eintritts- und der ersten Reflexions-
fläche. Typische Ablenkwinkel sind 45 ° und 60 °
(45 °- bzw. 60 ° -Prisma). In jedem Fall muß die
längere Kathetenfläche des Prismas verspiegelt
werden, da keine Totalreflexion auftritt.
DOVE-Prisma
Dieses Prisma bewirkt eine Drehung des Bildes,
ohne dass ein parallel zur Hypotenuse einfallendes
Lichtbündel eine Richtungsänderung erfährt. Wird
das Prisma gegenüber dem Objekt gedreht, erfährt
das Bild eine Drehung um den doppelten Drehwinkel.
Pentagon-Prisma
Das Pentagon-Prisma dient der 90°-Ablenkung.
Sein Vorteil gegenüber dem Halbwürfelprisma
besteht darin, dass die Ablenkung unempfindlich
gegenüber einer geringfügigen Änderung des
Einfallswinkels ist. Das Bild ist weder seiten- noch
höhenvertauscht. Im Pentagon-Prisma erfolgt keine
Totalreflexion. Aus diesem Grund müssen die
reflektierenden
Flächen
verspiegelt
werden.
30
Dachkantprisma
Das Dachkant-Prisma, auch bezeichnet als AMICIDachkant-Prisma oder Rechtwinkeldachprisma,
dient der Strahlumlenkung um 90° mit Bildumkehr.
Es stellt eine Kombination aus einem gewöhnlichen,
rechtwinkligen Prisma und einer auf der Hypotenusenseite aufgesetzten Dachkante dar. Durch
den Dachkant-Prismenteil, wird das Bild in der Mitte
gespalten und die Seiten werden vertauscht.
Tripelprisma
Bei einem Tripelprisma sind drei Reflexionsflächen
senkrecht zueinander angeordnet (wie die Seitenflächen einer Würfelecke). Die Einfallsstrahlen
werden unabhängig vom Einfallswinkel parallel zu
sich, aber mit entgegengesetztem Richtungssinn,
reflektiert. Zur Erhöhung der Intensität der reflek-
tierten Strahlung ist die Anordnung von mehreren
Prismen nebeneinander möglich. Aus diesem Grund
wird die Eintritts- und Austrittsfläche in einer
hexagonalen Form gefertigt. In diesen Prismen wird
die Totalreflexion ausgenutzt. Eine Verspiegelung
ist deshalb möglich aber nicht notwendig.
Rhomboid-Prisma (Off-Set-Prisma)
Das Rhomboid-Prisma dient dem parallelen Versatz des Bildes, ohne seine Orientierung und die Strahlrichtung
zu ändern.
31
ABBE-KÖNIG-Prisma
Dieses Prisma nutzt das Umkehrsystem nach
ABBE-KÖNIG und wird für eine Bildaufrichtung.
eingesetzt. Es besteht aus zwei verkitteten
Prismen mit einer zusätzlichen Dachkante zur
vollständigen Bildumkehr.
Technische Daten – Reflexionsprismen
Standardwerte
Material
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 100 mm
± 0,1 mm
90 %
Winkelgenauigkeit
± 10 arcmin
Pyramidalfehler
± 10 arcmin
Planität (633 nm)
λ/4
60 – 40
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Prismen können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 20-10; λ/10(633 nm) , Winkelgenauigkeit ca.3 arcsec
32
7.
Strahlteiler
Strahlteiler dienen der Teilung oder Zusammenführung von Lichtstrahlen. Der Effekt der Strahltrennung kann durch optisch aktive Materialien oder
Strahlteilerschichten erfolgen. Abhängig von der
Aufgabenstellung muß die Art der strahlteilenden
Komponente, ihre Form und das Material ausgewählt werden.
Hinsichtlich der funktionalen Wirkung werden drei
Grundarten der Strahlteilung unterschieden:
•
•
•
Intensitätsaufteilung
Spektrale Aufteilung
Trennung von Polarisationszuständen
Es lassen sich zwei Arten von Strahlteilerschichten
klassifizieren :
A.
B.
metallische Strahlteilerschichten
dielektrische Strahlteilerschichten
Metallische Schichten wirken unabhängig von der
Wellenlänge und sind für beliebige Einfallswinkel
anwendbar. Der Polarisationszustand des einfallenden Lichtes wird verändert, wobei die Änderung
mit zunehmendem Einfallswinkel stärker wird.
Allerdings ist dieser Effekt klein im Vergleich zu
dielektrischen Teilungsschichten.
Oftmals sind auch Kombinationen aus den drei
Grundarten umzusetzen bzw. es ist zu beachten,
dass die Aufteilung hinsichtlich einer physikalischen
Größe die anderen Parameter nicht beeinflusst. Ein
Beispiel dafür ist die Intensitätsteilung eines Strahls
ohne dessen Polarisationszustand zu ändern.
Es ist zu beachten, dass metallische Schichten
einen Teil der Strahlung absorbieren. Oftmals wird
die Metallschicht mit einer dünnen dielektrischen
Schicht (MgF2 oder SiO2) überzogen, um die
mechanische Stabilität zu erhöhen.
Eine andere Unterscheidung für die Strahlteiler ist
durch die Bauform gegeben :
Dielektrische Mehrfachschichten bieten die
Möglichkeit, das Teilungsverhältnis beliebig einzustellen, ohne dass Absorptionsverluste auftreten.
Die Teilung ist stark abhängig von der Wellenlänge
und dem Einfallswinkel.
•
•
•
Strahlteilerplatten
Strahlteilerwürfel
Spezielle Bauform
Intensitätsstrahlteiler können sowohl monochromatisches als auch polychromatisches Licht (weiß
oder ein anderes Band des Spektrums) teilen. Der
einfallende Lichtstrahl wird dabei in einen
transmittierten und reflektierten Anteil getrennt.
Typische Teilungsverhältnisse sind 20:80, 40:70,
50:50 oder 70:30. Das Teilungsverhältnis wird in
jedem Fall durch eine Strahlteilerschicht bestimmt.
Der Polarisationszustand spielt eine wesentliche
Rolle und kann von der Teilerschicht beeinflußt
werden. Das gibt die Möglichkeit, auf Grundlage
dielektrischer Schichten Polarisatoren herzustellen
(siehe Kapitel 8.1.). Auf der anderen Seite kann
durch eine spezielle Schichtfolge eine Polarisation
vermieden werden, allerdings trifft dieses dann nur
für eine Wellenlänge zu. Diese Art spezieller
Intensitätsstrahlteiler wird auch als Nichtpolarisierender Strahlteiler bezeichnet. Für diesen Typ sind
die Teilungsverhältnisse von 20:80 und 50:50
lieferbar.
33
Selektive Strahlteiler dienen der Trennung des
Lichtes in Anteile unterschiedlicher Wellenlängen.
Diese Gruppe der Strahlteiler wird im Kapitel 9,
Filter, beschrieben.
Für die Strahlablenkung bei 45° Lichteinfall gilt :
α = γ (n'−1)
Zur Vermeidung von störenden Reflexionen an der
Rückseite kann diese mit einer AR-Schicht versehen werden, oder die Platte wird mit einem geringen
Keilwinkel gefertigt.
Polarisierende Strahlteiler trennen die Polarisationszustände s und p voneinander, so dass ein nichtpolarisierter Strahl in seine senkrecht zueinander stehenden Polarisationsanteile aufgeteilt wird. Detaillierte Informationen finden Sie im Kapitel 8,
Polarisatoren.
7.1.
Strahlteilerplatten
Strahlteilerplatten bestehen aus einer planparallelen
Platte aus Glas, Quarz oder einem einachsigen
Kristall (z.B. CaF2) mit einer dielektrischen oder
metallischen Beschichtung. Bei Strahlteilerplatten ist
zu beachten, dass ein Strahlversatz in Abhängigkeit
von der Plattenstärke und dem Einfallswinkel auftritt.
Versatz beim Durchgang durch eine Strahlteilerplatte :
υ =d⋅
sin(α − α ' )
cos α '
Technische Daten – Strahlteilerplatten
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 100 mm
Maßtoleranz
± 0,1 mm
90 %
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Teilungsverhältnisse (metallisch)
Teilungsverhältnisse (dielektrisch)
Spektralbereich
20:80 bis 90:10
Breitband :
30:70, 50:50, 70:30 ± 5 %
V-Typ :
10:90 bis 90:10 ± 2 %
Metallisch :
400 nm ÷ 6 µm
Dielektrisch :
300 nm ÷ 10,6 µm
Antireflexionsbeschichtung
Kundenspezifikation
Keilwinkel
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Strahlteilerplatten können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
34
7.2.
Die innerhalb von Laserresonatoren verwendeten
Auskoppelspiegel stellen eine spezielle Art der
Strahlteilerplatte dar. Sie weisen i.A. einen hohen
Reflexionsgrad auf, was die Bezeichnung “Spiegel”
begründet. Wesentlich ist aber die Strahlteilungsfunktion, wodurch ein definierter Anteil der
Laserstrahlung ausgekoppelt wird. Für den
Auskoppelspiegel existiert ein bestimmter Reflexionsgrad Rop, bei dem das Betriebsregime des
Auskoppelspiegel für 532 nm
Lasers optimal ist.
Für den HeNe-Laser zum
Beispiel liegt Rop zwischen 95 % und 99 %, bei
Festkörperlasern
zwischen 20 % und 90 %.
Laserspiegel zeichnen sich durch eine hohe Politurgüte aus und besitzen eine hohe Zerstörschwelle.
Substratformen : plan, konkav, konkav-konvex
Substratmaterialien : Quarzglas, N-BK 7 u.a.
Auskoppelspiegel für 1064 nm
Technische Daten – Laser-Auskoppelspiegel
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 100 mm
Maßtoleranz
-0,1 mm
Dickentoleranz
±0,1 mm
Planität oder Formgenauigkeit (633 nm)
Spektralbereich
90 %
λ/10pro Zoll
10 – 5
300 nm ÷ 6 µm
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Auskoppelspiegel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : λ/20 (633 nm)
35
7.3.
Strahlteilerwürfel
Strahlteilerwürfel besitzen im Vergleich zur Strahlteilerplatte den Vorteil, dass der transmittierte Strahl
keinen Versatz erfährt. Unter Umständen ist auch
die gleiche optische Weglänge für den reflektierten
und transmittierten Strahl von Bedeutung.
Die Strahlteilerwürfel werden i.A. aus zwei verkitteten 90 °-Prismen gefertigt. Durch die Kittschicht
wird die thermische Belastbarkeit des Teilers herabgesetzt, was insbesondere bei hohen Laserleistungsdichten zu beachten ist. Die strahlteilende
Beschichtung befindet sich auf einer der Hypotenusenseite der verkitteten Prismen, d.h. einer
Würfeldiagonalfläche und ist auf einen Strahleinfall
von 45° ausgerichtet.
Technische Daten – Strahlteilerwürfel
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 50 mm
Maßtoleranz
± 0,1 mm
80 %
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Spektralbereich
20:80 bis 90:10
Breitband :
30:70, 50:50, 70:30 ± 5 %
V-Typ :
10:90 bis 90:10 ± 2 %
Metallisch :
350 nm ÷ 1500 nm
Dielektrisch :
400 nm ÷ 1500 nm
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Strahlteilerwürfel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
36
7.4.
Die Funktionsweise des Pentagon-Strahlteilers ist
mit der des Strahlteilerwürfels vergleichbar. Aber
das Bild wird in einem weiten Winkelbereich nicht
umgekehrt und der Ablenkwinkel ist unabhängig
vom Einfallswinkel. Dieser Strahlteilertyp findet
vorrangig Anwendung, wenn die präzise Justage in
einem optischen System kompliziert oder nicht
ausreichend möglich ist. Der Strahlteiler besteht aus
einem Pentagonprisma und einem Keil, zwischen
denen eine dielektrische Schicht ist. Die Reflexionsfläche des Pentagonprismas muss verspiegelt werden.
Technische Daten – Pentagon-Strahlteiler
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 30 mm
Maßtoleranz
± 0,1 mm
Ablenkgenauigkeit für 90°-Strahl
± 2 arcmin
± 1 arcmin
90 %
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60 – 40
Spektralbereich
10:90 bis 90:10
Breitband :
30:70, 50:50, 70:30 ± 5 %
V-Typ :
10:90 bis 90:10 ± 2 %
Metallisch :
350 nm ÷ 1500 nm
Dielektrisch :
400 nm ÷ 1500 nm
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Pentastrahlteiler können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt
werden. Beispiel : 20-10 ; λ/10 (633 nm).
Hinsichtlich der Strahlablenkung werden 3 Genauigkeits-klassen gefertigt :
±1 arcmin
±30 arcsec
±15 arcsec
37
7.5.
Spezielle prismatische Strahlteiler
Unter diesem Punkt sei zunächst das KösterPrisma hervorgehoben. Dieses dient der Aufteilung
eines Strahls in zwei parallele Teilstrahlen. Der
Abstand der Austrittsstrahlen ist abhängig von der
Höhe der Einstrahlung und kann somit variiert
werden. Der neben dem KÖSTER-Prisma darge-
stellte
spezielle
Strahlteiler
(ParallelstrahlTeilerprisma) dient ebenfalls der Erzeugung zweier
paralleler Strahlen. In diesem Fall sind die
Ausbreitungsrichtung des einfallenden Strahles und
der Ausgangsstrahlen im Rahmen der Toleranzen
identisch.
Köster-Primsa
Parallelstrahl-Teilerprisma
Technische Daten – Spezielle prismatische Strahlteiler
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 30 mm
Maßtoleranz
± 0,1 mm
± 2 arcmin
90 %
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
Teilungsverhältnisse
Spektralbereich
60 – 40
Metallisch :
10:90 bis 90:10
Dielektrisch :
10:90 bis 90:10
Metallisch :
350 nm ÷ 1500 nm
Dielektrisch :
400 nm ÷ 1500 nm
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Die prismatischen Strahlteiler können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden. Beispiel : 40-20 ; λ/10 (633 nm); <30 arcsec
38
8.
Polarisatoren
Der Polarisationszustand des Lichtes wird durch
drei Parameter beschrieben, die Orientierung (links
oder rechts), den Grad der Elliptizität und der
Richtung der Hauptachse der Ellipse. Der Normalzustand der Polarisation ist elliptisch. Lineare oder
zirkulare Polarisation stellen Spezialfälle dar. Die
optischen Polarisationskomponenten basieren auf
zwei fundamentalen Phänomenen der Polarisation
durch Reflexion und der Polarisation durch Doppelbrechung.
8.1. Brewster-Platten-Polarisator
Nach den Fresnelschen Formeln für die Reflexion
wird bei einem bestimmten Einfallswinkel, dem
Brewsterwinkel α B = arctan (nGlas/nLuft), die parallel
zur Einfallsebene schwingende Komponente nicht
reflektiert. Damit enthält der reflektierte Lichtstrahl
nur die senkrecht schwingende Komponente und ist
vollständig linear polarisiert.
Für die Reflexionskoeffizienten rs und rp gilt :
2
rS = sin (2 α B – 90°)
rP = 0
Die transmittierte Komponente
Schwingungsrichtungen.
enthält
beide
Beispiele für Brewsterwinkel αB und Reflexionsgrade rs
αB
rS
Material
n
λ
Quarzglas
546,1 nm
1,460
55,6°
13,1 %
N-BK7
546,1 nm
1,5167
56,6°
15,5 %
N-SK2
546,1 nm
1,6099
58,2°
19,8 %
CaF2
5 µm
1,3991
54,4°
10,4 %
Ge
5 µm
4,02
76,0°
78,0 %
Si
5 µm
3,43
73,7°
71,0 %
39
Vielplatten-Polarisatoren
Polarisatoren, die auf einer Einfachreflexion im
Brewsterwinkel basieren, sind in ihren technischen
Daten den planparallelen Platten identisch (siehe
Abschnitt 5).
Der Grad der Polarisation, resultierend von einer
einzigen Reflexion, ist relativ gering und in der
Praxis wird eine Zahl von Platten parallel
zueinander angeordnet. Der Kontrast K eines
solchen Polarisators, bestehend aus N Platten, wird
durch das Verhältnis der transmittierten Intensitäten
mit p- und s-Polarisation beschrieben.
 n 2 +1
T

K = P = 
TS  2n 
4N
Wir fertigen Mehrplatten-Polarisatoren in verschiedenen kundenspezifischen Ausführungen an.
Zwei Varianten sind nachfolgend dargestellt.
Während bei der ersten einfachen Variante ein
Strahlversatz zu verzeichnen ist, kann dieser durch
die Hinzufügung entgegengesetzt orientierter
Platten kompensiert werden.
8.2. Dielektrische Polarisatoren
Dielektrische Polarisationsplatten
Der Effekt der Polarisation durch Reflexion kann
wesentlich besser auf Grundlage von dielektrischen
Schichten ausgenutzt werden. Gegenüber der Polarisation durch einfache Reflexion weisen beide
Teilstrahlen einen hohen Polarisationsgrad auf.
Dielektrische Polarisationsplatten bestehen aus einer planparallelen Platte mit einer dielektrischen
Vielfachschicht, die für eine Wellenlänge die
maximale Differenz zwischen den Koeffizienten für
die p- und s-Polarisation erzeugt. Der Polarisator
wird im optischen Strahlengang im Brewsterwinkel
justiert. Er ist für eine spezielle Wellenlänge
konstruiert. Das typische Kontrastverhältnis beträgt
500:1.
40
Technische Daten – Dielektrische Polarisationsplatten
Standardwerte
Material
Kundenspezifikation
5 ÷ 50 mm
Maßbereich (Kantenlänge bzw. Durchmesser)
Maßtoleranz
-0,1 mm
Dickentoleranz
±0,1 mm
Spektralbereich
90 %
500 nm ÷ 1500 nm
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60-40
Rs
>99,8 %
Rp
<10 %
Ts
<0,2 %
Tp
>90 %
Kontrastverhältnis
500:1
2
Maximale Belastbarkeit
500 MW/cm
Antireflex-Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Dielektrische Polarisationsplatten können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen
Qualitätsstufen gefertigt werden.
Dielektrische Polarisationswürfel
Dielektrische Polarisationswürfel bestehen aus zwei
verkitteten Rechtwinkelprismen mit einer dielektrischen Vielfachschicht. Die Transmission für die ppolarisierte Komponente ist sehr hoch. Die sKomponente wird hingegen reflektiert.
Die dielektrische Schicht wird so aufgebaut, dass
immer ein Einfall im Brewsterwinkel vorliegt. Die
Würfelhälften werden aus Flintglas hergestellt.
Diese Polarisatoren können breitbandig eingesetzt
werden, jedoch auf Grund der Kittschicht nur bei
geringeren Leistungsdichten.
Technische Daten – Dielektrische Polarisationswürfel
Standardwerte
Material
Maßbereich (Kantenlänge bzw. Durchmesser)
Maßtoleranz
Spektralbereich
Kundenspezifikation
10 ÷ 50 mm
±0,1 mm
90 %
500 nm – 1500 nm
41
Planität (633 nm)
1 λ pro Zoll
60-40
Rs
>99,8 %
Rp
<10 %
Ts
<0,2 %
Tp
>90 %
Kontrastverhältnis
500:1
2
20 MW/cm
Antireflex-Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Dielektrische Polarisationswürfel können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen
Qualitätsstufen gefertigt werden.
8.3. Doppelbrechende Polarisatoren
Die Eigenschaft anisotroper Kristalle, einen auf den
Kristall auftreffenden Lichtstrahl in zwei Komponenten zu zerlegen, wird als Doppelbrechung
bezeichnet. Die beiden Komponenten werden als
ordentlicher und außerordentlicher Strahl bezeichnet. Sie sind senkrecht zueinander linear polarisiert.
Für die beiden Komponenten sind unterschiedliche
Brechungsindexe relevant, die mit no (ordentlicher
Strahl) und ne (außerordentlicher Strahl) bezeichnet
werden. Während no richtungsunabhängig ist, weist
ne ein anisotropes Verhalten auf.
Ein Maß für die Doppelbrechung bietet die
maximale Differenz zwischen no und ne, die in der
Richtung senkrecht zur optischen Achse auftritt.
Beispiele doppelbrechender Kristalle (Werte gelten für λ = 589,3 nm)
Material
no
ne
ne-no
Art der Doppelbrechung
CaCO3
SiO2
LiNbO3
MgF2
1,6584
1,5442
2,3002
1,3780
1,4864
1,5533
2,2147
1,3890
-0,1720
+0,0091
-0,0855
+0,0110
Negativ
Positiv
Negativ
Positiv
GLAN-TAYLOR-Polarisatoren
Die Funktionsweise des Glan-Taylor-Polarisators ist
ähnlich der des Glan-Thompson-Polarisators. Im
Fall des Glan-Taylor-Typs sind die beiden Prismen
durch einen Luftspalt mit ca. 0,05 mm Stärke
getrennt. Die Luftspaltversion ermöglicht höhere
Leistungsdichten im Vergleich zur verkitteten
Variante, aber die Akzeptanz wird reduziert. Glan-
Taylor-Polarisatoren werden i.A. so konstruiert,
dass die Eintritts- und Austrittsfläche senkrecht zum
Strahl liegen. Die inneren Flächen werden so ausgerichtet, dass der ordentliche Strahl an der ersten
Fläche total reflektiert wird. In diesem Fall beträgt
der Akzeptanzwinkel 8°.
42
Technische Daten – GLAN-TAYLOR-Polarisatoren
Standardwerte
Material
Kalkspat
300 ÷ 2500 nm
Spektralbereich
5 ÷ 20 mm
Maßtoleranz
±0,1 mm
90 %
Parallelität
< 5 arcmin
5
Kontrastverhältnis
10
Planität (633 nm)
λ/4
60-40
cw : < 100 W/cm2
Pulse (10 ns) : < 200 MW/cm
Seitenfenster
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
2
WOLLASTON-Prisma
Die zwei senkrecht zueinander polarisierten Ausgangsstrahlen werden abhängig vom Winkel zwischen Eintrittsfläche und der inneren Fläche in unterschiedliche Richtungen abgelenkt.
Dieser Polarisator besteht aus zwei verkitteten
Rechtwinkelprismen, deren optische Achsen senkrecht zueinander orientiert sind. Daraus folgt, dass
der ordentliche Strahl des ersten Prismas zum
außerordentlichen Strahl im zweiten Prisma wird.
Technische Daten – WOLLASTON-Prismen
Standardwerte
Material
Spektralbereich
Kontrastverhältnis
Ablenkungswinkel a
Maßtoleranz
Parallelität
Planität (633 nm)
Fassung
Kalkspat
Quarz
MgF2
350 ÷ 2500 nm
200 ÷ 2800 nm
140 ÷ 6000 nm
10
5
10
5
10
5
1° - 20°
0,1° - 2°
0,1° - 2°
5 ÷ 20 mm
5 ÷ 25 mm
5 ÷ 15 mm
±0,1 mm
90 %
< 5 arcmin
λ/4
60-40
Kundenspezifikation
cw : < 20 W/cm
2
2
43
ROCHON-Prismen
Diese Polarisatoren ähneln den Wollaston-Prismen.
Sie bestehen aus zwei verkitteten Rechtwinkelprismen. Die Prismen sind in Bezug zur optischen
Achse derart geschnitten, dass der ordentliche
Strahl beim Durchgang durch den Polarisator keine
Richtungsänderung erfährt und der außerordentliche Strahl abgelenkt wird. Um diesen Effekt zu
erhalten, muß die optische Achse des Eingangsprismas senkrecht zur Eintrittsfläche sein und damit
parallel zum einfallenden Strahl. In diesem Fall
existiert nur ein Brechungsindex no. Im zweiten
Prisma gilt für den ordentlichen Strahl unverändert
der gleiche Brechungsindex und es erfolgt keine
Strahlablenkung. Für den außerordentlichen Strahl
hingegen gilt der Brechungsindex ne, woraus sich
eine Strahlablenkung ergibt, die sich noch einmal
beim Strahlaustritt verstärkt.
Technische Daten – ROCHON-Prismen
Standardwerte
Material
Spektralbereich
Kontrastverhältnis
Ablenkungswinkel a
Maßtoleranz
Kalkspat
Quarz
MgF2
350 ÷ 2500 nm
200 ÷ 2800 nm
140 ÷ 6000 nm
10
5
10
5
0,1° - 1°
0,1° - 1°
5 ÷ 15 mm
5 ÷ 25 mm
5 ÷ 15 mm
±0,1 mm
90 %
< 5 arcmin
Planität (633 nm)
λ/4 pro Zoll
Fassung
5
1° - 10°
Parallelität
10
cw : < 20 W/cm2
2
Kundenspezifikation
Strahlversatz-Polarisatoren
Diese Polarisatoren bewirken eine Aufspaltung unpolarisierten Lichtes in zwei senkrecht zueinander
linear polarsierte Teilstrahlen, die parallel zueinander und zum Einfallsstrahl verlaufen. Der Abstand
der Strahlen ist abhängig von der Wellenlänge und
proportional zu der Länge des Polarisators. Die
Strahlversatzerzeugung beruht auf der Ablenkung
des außerordentlichen Strahls im Kristall, wenn der
Winkel zwischen dem Strahl und der optischen
Achse ungleich 0° oder 90° ist. Im Fall, der Winkel
beträgt 45°, gilt für die Ablenkung ϕ des außerordentlichen Strahls :
n2 
 π 1 
ϕ   =  1 − e2  [rad]
 4 2 
no 
Der ordentliche Strahl passiert den Polarisator ohne
Ablenkung.
44
Technische Daten – Strahlversatz-Polarisatoren
Standardwerte
Material
Spektralbereich
Strahlversatz
Kalkspat
Quarz
MgF2
300 ÷ 2500 nm
200 ÷ 2800 nm
140 ÷ 6000 nm
5 ÷ 20 mm
5 ÷ 20 mm
5 ÷ 20 mm
0,1 mm ÷ 4 mm
5 µm ÷ 100 µm
5 µm ÷ 100 µm
Planität (633 nm)
λ/4
Maßtoleranz
±0,1 mm
Parallelität
90 %
≤ 3 arcsec
Fassung
Kundenspezifikation
8.4. Verzögerungsplatten
Verzögerungsplatten beruhen ebenfalls auf dem
Effekt der Doppelbrechung. Es erfolgt wiederum
eine Aufspaltung eingestrahlten Lichtes in zwei
Komponenten, die sich mit unterschiedlicher
Geschwindigkeit im Kristall fortbewegen, aber keine
räumliche Trennung erfahren. Dadurch kann in Abhängigkeit von der Plattendicke eine definierte
Phasenverschiebung zwischen den Komponenten
realisiert werden.
Die räumliche Verschiebung der beiden Komponenten ordentlicher und außerordentlicher Strahl (die
Verzögerung oder Phasenverschiebung) berechnet
sich nach :
2π
Γ=
(n e − n o ) d
λ
Für ein bestimmtes Material mit gegebenen
Brechungsindizees und einer festgelegten Laserwellenlänge hängt die Verschiebung nur noch von
der Dicke der Platte ab.
Wenn die Plattendicke gleich der Phasenverschiebung von λ/4 gewählt wird, erhält man eine
zero order λ/4-Verzögerungsplatte :
d=
λ
4 (n e − n o )
Im Fall von λ/2 entsprechend eine zero order λ/2Verzögerungsplatte :
d=
λ
2 (n e − n o )
Da zero order Verzögerungsplatten fertigungstechnisch schwer zu realisieren sind, werden auch
Verzögerungsplatten höherer Ordnung hergestellt,
bezeichnet mit multiple order.
Für λ/4 – Platten gilt :
dm =
mλ
λ
+
ne − no
4 (n e − n o )
Für λ/2 – Platten gilt :
dm =
mλ
λ
+
n e − n o 2 (n e − n o )
Verzögerungsplatten dienen der Änderung und Analyse des Polarisationszustandes des Lichtes. Sie
finden insbesondere bei optischen Isolatoren und
elektrooptischen Modulatoren Anwendung.
Durch die Materialkombination von SiO2 und MgF2
ist es auch möglich achromatische Verzögerungsplatten herzustellen.
45
λ/4 – Verzögerungsplatte
λ/2 - Verzögerungsplatte
Zero order (0. Ordnung)
Muliple order
Technische Daten – Verzögerungsplatten (λ
λ/2 und λ/4)
Standardwerte
Material
Spektralbereich
Verzögerungstoleranz
Maßtoleranz
Parallelität
Planität (633 nm)
Fassung
Quarz
MgF2
200 ÷ 2800 nm
140 ÷ 6000 nm
λ/100 ÷ λ/300
λ/100 ÷ λ/300
10 ÷ 50 mm
±0,1 mm
80 %
≤ 3 arcsec
40-20
λ/4
Kundenspezifikation (R ≤ 0,20 %)
cw : < 20 W/cm
2
2
Kundenspezifikation
46
Technische Daten – Achromatische Verzögerungsplatten (λ
λ/2 und λ/4)
Standardwerte
Material
Quarz + MgF2
Spektralbereich
460 ÷ 680 nm
Verzögerungstoleranz
Maßtoleranz
Parallelität
Planität (633 nm)
Fassung
λ/50
10 ÷ 50 mm
±0,1 mm
80 %
≤ 3 arcsec
40-20
λ/4
Kundenspezifikation (R ≤ 0,2 %)
cw : < 20 W/cm
2
2
Kundenspezifikation
8.5. Keildepolarisatoren
Ein Depolarisator wandelt polarisierte Strahlung in
Strahlung mit unpolarisiertem Charakter (pseudorandom) um. Die Depolarisation basiert dabei auf der
örtlichen Überlagerung verschieden gedrehter
Polarisationszustände. Der Keilpolarisator nach
Hanle besteht aus einem Keilpaar. Die erste
Komponente ist doppelbrechend. Die schnelle Achse
ist in der Regel 45° zu dem Keil orientiert. Die zweite
Komponente, der Gegenkeil, korrigiert die Winkelablenkung
und wird aus einem Material mit
ähnlichem Brechungsindex hergestellt, ist aber nicht
doppelbrechend.
Technische Daten – Keildepolarisatoren
Standardwerte
Spektralbereich
200 ÷ 2800 nm
10 ÷ 50 mm
Parallelität
≤ 5 arcmin
Politurgüte
60-40
Aktive Fläche
90 %
Ebenheit (633 nm)
Fassung
λ/4
Kundenspezifikation
47
9.
Filter
9.1. Farbglasfilter
Farbglasfilter besitzen eine selektive Absorption im
optischen Wellenlängenbereich. Die Filterwirkung
wird durch die Eigenschaft des Glases hervorgerufen, kann aber zusätzlich durch eine dielektrische Beschichtung modifiziert werden.
Die wichtigsten Filterkennzahlen sind der spektrale
Transmissionsgrad τ(λ) und der spektrale
Reintransmissionsgrad τi(λ).
Der spektrale Transmissionsgrad τ(λ) wird durch
das Verhältnis des durchgelassenen spektralen
Strahlungsflusses zu dem auffallenden Strahlungsfluss definiert. Es werden mit dieser Definition die
Reflexionsverluste P(λ) an Vorder- und Rückseite
des Filters berücksichtigt.
Der spektrale Reintransmissionsgrad τi(λ) abstrahiert von den Reflexionsverlusten und versteht sich
per Definition als das Verhältnis des ausdringenden
spektralen Strahlungsflusses zu dem eingedrungenen Strahlungsfluss.
Der Zusammenhang zwischen τ(λ) und τi(λ) ist
gegeben durch :
τ ( λ ) = P (λ ) ⋅ τ i (λ )
mit R(λ),den wellenlängenabhängigen Reflexionsverlusten an Eintritts- und Austrittsfläche. Eine
korrekte Berechnung der Reflexionsverluste erfolgt
über die Formel :
2
 n −1  n −1
P (λ ) = 1 − 2

 +
 n + 1  n + 1
4
Elliptische Formen
48
Technische Daten – Farbglasfilter
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 150 mm
-0,1 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,02 mm
Planität (633 nm)
2 λ pro Zoll
Parallelität
60 – 40
< 15 arcmin
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Filter können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 40-20; λ/10 (633 nm), Parallelität im Bereich 1 – 3 arcsec
9.2. Neutralfilter
Der spektrale Transmissionsgrad von Neutralfiltergläsern weist in einem definiertem Spektralbereich
nur eine schwache Abhängigkeit auf. Die Gläser
werden daher zur aselektiven Lichtabschwächung
angewendet.
Da die Schott-Neutralgläser gleichmäßig durchgefärbt sind, besteht ein einfacher formelmäßiger
Zusammenhang zwischen dem gewünschten
Transmissionsgrad τ(λ) und der erforderlichen
Filterdicke d.
1
1
− lg
R (λ )
τ (λ )
1
lg
τ i1 (λ ))
Die Lichtabschwächung wird durch die optische
Dichte D beschrieben, die von der Dicke und der
internen Transmission des Glases abhängt. Es gilt :
lg
d=
D = log(1 / τ (λ ))
τ i1 (λ ) = Reintransmissionsgrad für Dicke 1 mm
und R (λ ) = Reflexionsgrad
mit
Technische Daten – Neutralfilter
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Kundenspezifikation
4 ÷ 160 mm
-0,1 mm
90 %
Dickentoleranz
± 0,02 mm
Planität (633 nm)
2 λ pro Zoll
Parallelität
60 – 40
< 15 arcmin
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Filter können, angepasst an die Anforderungen, auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 40-20; λ/10 (633 nm); Parallelität im Bereich 1 – 3 arcsec
49
9.3. Interferenzfilter
Die spektrale Wirkung dieser Filter beruht auf der Erscheinung der Interferenz bei mehrfachen Reflexionen in
Dünnschichtsystemen. Interferenzfilter bestehen aus einem Substrat, auf dem ein dielektrisches
Mehrschichtsystem aufgebracht ist. Die Auswahl des Substratmaterials richtet sich nach der jeweiligen
Anforderung, z.B. NBK7, Quarzglas oder auch ein Farbglas.
Funktional lassen sich die Interferenzfilter in drei Gruppen unterteilen :
Bandpassfilter : Transmission eines definierten Spektralbereiches und Blockung der sich anschließenden
Bereiche
Langpassfilter : Sperrung eines kurzwelligen Bereiches
Kurzpassfilter : Sperrung eines langwelligen Bereiches
Langpassfilter
Kurzpassfilter
Technische Daten – Interferenzfilter
Standardwerte
Substratmaterial
Maßtoleranz
Dickentoleranz
Planität (633 nm)
Parallelität
Kundenspezifikation
4 ÷ 150 mm
-0,1 mm
90 %
± 0,1 mm
2 λ pro Zoll
60 – 40
< 15 arcmin
Beschichtung
Kundenspezifikation
Fassung
Kundenspezifikation
Filter können, angepasst an die Anforderungen auch in anderen Qualitätsstufen gefertigt werden.
Beispiel : 20-10; λ/10 (633 nm); 3 arcsec
50
10.
Elektro-optische Modulatoren basieren auf dem
Effekt der spannungsinduzierten Doppelbrechung.
Pockels-Zellen stellen einen Typ der EOM’s dar,
die über eine angelegte Spannung an die Zelle eine
linear abhängige steuerbare Doppellbrechung
ermöglichen. Die Zelle enthält einen uniaxialen
Kristall, der biaxial wird, sofern ein elektrisches Feld
angelegt wird. Ist die neue induzierte Achse 45°
ausgerichtet zu der Polarisationsebene eines
einfallenden Lichtstrahls, dann wird der Lichtstrahl
in
zwei
senkrecht
zueinander
polarisierte
Teilstrahlen aufgesplittet. Die Teilstrahlen passieren
den Kristall auf Grund der induzierten unterschiedlichen Brechungsindizees mit unterschiedlicher Geschwindigkeit. Diese induzierte Doppelbrechung
∆n ist proportional zum angelegten
elektrischen Feld. Über die Kristalllänge I gibt es
somit eine gesteuerte Fasenverschiebung
zwischen den beiden Teilstrahlen, die für die
Strahlmodulation genutzt wird.
Γ=
2π
1.
Pockels Zellen, die einen longitudinalen elektrooptischen Effekt nutzen. In diesem Fall verläuft
das angelegte elektrische Feld parallel zur Richtung
des einfallenden Lichtstrahls.
2.
Pockels Zellen, die einen transversalen elektrooptischen Effekt nutzen. In diesem Fall verläuft
das angelegte elektrische Feld senkrecht zur
Richtung des einfallenden Lichtstrahls. Für diesen
Modulator-typ ist die Halbwellenspannung indirekt
proportional zur Kristalllänge und direkt proportional
zum Abstand der Elektroden.
Bsp. für LiNbO3:
∆nl
λ
λ ist dabei die Wellenlänge des einfallenden Strahls.
Die Spannungsempfindlichkeit der Pockels Zellen
ist durch die Halbwellenspannung Uλ/2 gegeben.
Das ist die Spannung, die erforderlich ist um eine
Phasenverschiebung von =180° zu erhalten. Für
=90° wird die sogenannte Viertelwellenspannung
Uλ/4 benötigt.
Es gilt für die Halbwellenspannung:
Es gibt zwei grundlegende Konfigurationsarten für
die Pockels Zellen, transversal und longitudinal:
Uλ =
2
λ
3
2no r22
⋅
d
l
r22 – elektro-optischer Koeffizient
51
10.1.
KDDP Pockels Zellen
unabhängig von der Kristallapertur. Die Kontrastverhältnisse betragen >1000:1.
KDDP-Kristalle sind ein häufig verwendetes Material
für Pockels-Zellen, die im UV, VIS und NIR-Bereich
eingesetzt werden. Der große elektro-optische
Koeffizient
resultiert
in
der
geringsten
Betriebsspannung aller Kristalle der [x]DP-Familie.
Die relativ große Dielektrizitätskonstante führt zu
einer homogenen Feldverteilung über der
Kristallapertur. KDDP-Kristalle sind im Bereich 350
– 1500 nm transparent und können bei sehr hohen
optischen Leistungsdichten eingesetzt werden, so
dass KDDP ein Basismaterial für Pockels Zellen im
Hochleistungslaserbereich ist.
Die Serien C100[x] und C2002 werden aus
hochqualitativem z-0°-KDDP-Kristallen hergestellt.
Sie beinhalten Einzel- und Doppelkristall-Zellen. Um
ein longitudinales
elektrisches
Feld hoher
Uniformität zu erhalten werden ringförmige GoldChrom-Elektroden verwandt. Alle Zellen sind zum
Schutz gegen atmosphärisches Wasser und zur
Vermeidung von Reflexionsverlusten mit einer
Brechungsindex angepassten Suspension (indexmatching liquid) gefüllt. Die Quarzglasfenster werden optional mit einer äußeren AR-Schicht versehen.
Bezüglich der standardmäßig genutzten longitudinalen Feldkonfiguration ist die Betriebsspannung
Daten der KDDP Pockels Zellen Serie
Material
KDDP
Spektralbereich
350 – 1500 nm
Kontrastverhältnis
C 100(x)
1000:1
C 2002
800:1
Maximale Leistungsdichte
600 MW/cm
Anstiegszeit
2
< 1 ns
Minimale Pulsdauer
2 ns
Wellenfrontdeformation
Standard
λ/5
Spezial
λ/10
Technische Spezifikation – KDDP Pockels Zellen
Typ
C 1001
C 1002
Kristall
C 1003
C 2002
KDDP
Apertur [mm]
8
10 – 12
10
10
630 nm
1.9
1.9
1.9
0.95
1064 nm
3.2
3.2
3.2
1.6
Maximale Spannung [kV]
7.5
7.5
7.5
5.0
Kapazität [pF]
10
11
11
12
Doppelt
konzentrisch
konzentrisch
Viertelwellenspannung
[kV]
konzentrisch
Anschlussstecker
H.V.BNC
BNC
Zellen-Durchmesser [mm]
35
35
35
36
Zellen-Länge [mm]
35
40
35
53
> 98
> 98
> 98
> 97
Maximale Transmission mit ARBeschichtung [%]
Optionen:
•
•
•
Modifikation der Standardtypen nach Kundenspezifikation
Integrierter Q-switch (feste Verbindung mit justierbarem Polarisator)
Ausführung als Trockenzelle (d.h. ohne Verwendung der index matching liquid)
52
Hauptabmessungen:
C 1001
C 1002
C 1003
C 2002
10.2.
Lithiumniobat ist mit seinen speziellen Eigenschaften ein bevorzugtes Material für die Pockels
Zellen. Das betrifft insbesondere den großen
elektro-optischen Koeffizienten, die Transparenz im
Bereich 400 nm bis 4,5 µm und den hohen
Schmelzpunkt von 1250°C. Auf Grund der
Kristallhärte und seiner Resistenz benötigt der
Kristall im Gegensatz zu den KDDP-Zellen keinen
zusätzlichen Schutz,
Die Serie C104[x] basiert auf einer transversalen
E-Feld-Konfiguration mit einer relativ geringen
Viertelwellenspannung.
Gold-Chrom-Elektroden
längs zweier Seitenflächen liefern eine homogene
Feldverteilung über der Apertur. Die Kristalle sind so
orientiert, dass die Ausbreitung des transmittierten
Laserstrahls in Richtung der z-Achse erfolgt.
Auf Grund des hohen Brechungsindex von LiNbO3
(für 1064 nm gilt : n0= 2,20 und ne=2,15) empfiehlt
sich eine AR-Beschichtung der Eintritts- und
Austrittsfläche.
Die Kristallflächen der Zellen C1045 und C1045S
sind im Brewsterwinkel konfiguriert, so dass eine
AR-Schicht nicht notwendig ist. Durch den
polarisierenden Effekt der Brewster-Flächen ist kein
separater Polarisator erforderlich.
C1045S ist speziell für den Er:YAG-Laser
konzipiert. Die Zelle wird durch Saphirfenster
abgeschlossen und ist mit Stickstoff gefüllt.
Daten der LiNbO3 Pockels Zellen Serie
Material
Spektralbereich
LiNbO3
400 nm – 4500 nm
Kontrastverhältnis
200:1
Transmission mit AR-Beschichtung
98%
Maximale Leistungsdichte
Anstiegszeit
2
200 MW/cm , (1 Hz)
ca. 2 ns
Minimale Pulslänge
Wellenfrontdeformation
5 ns
Standard / Spezial
λ/4 / λ/8
53
Technische Spezifikation – LiNbO3 Pockels Zellen
Typ
C 1041
C 1043
C 1044A
Kristall
C 1045S
4
6
8
8
5
633 nm
0,350
0,400
0,575
0,575
0,400
1064 nm
0,700
0,800
1,150
1,150
0,800
5
1,650
3000 nm
Max. Spannung [kV]
3.0
Kapazität [pF]
20
Anschluss-Stecker
2.5
5
25
terminals
concentric
2 concentric
M2
Zellen-Durchmesser
[mm]
Zellen-Länge [mm]
Kristalloberfläche
Optionen:
•
•
•
•
C 1045
LiNbO3
Apertur [mm]
Viertelwellenspannung
[kV]
C 1044B
concentric
HV BNC
17
36
36
24 x 40
24 x 50
35
28
34
35
35
36
44
plan / plan
Brewster
Modifikation der Standardtypen nach Kundenspezifikation
Integrierter Q-switch (feste Verbindung mit justierbarem Polarisator)
Ausführung als Fasen-Modulator
Doppel-Kristall-Version
Hauptabmessungen:
C 1041
C 1043
C 1044A
C 1044B
C 1045
54
Stichwortverzeichnis
ABBE-KÖNIG-Prisma
32
Linsen bester Form
Achromat
Achromatische
AMICI-Dachkantprisma
13
Linsensysteme
13
7
47
LITTROW-Prisma
27
31
Meniskus
AMICI-Geradsichtprisma
28
Mikroskopobjektiv
13
15
Neutralfilter
49
Apochromat
13
Objektive
13
BAUERNFEIND-Prisma
30
Off-Set-Prisma
31
13
9
Bikonkavlinse
8
Okular
Bikonvexlinse
7
30
37
BREWSTER-PlattenPolarisator
BREWSTER-Prisma
28
Optische Gläser
ParallelstrahlTeilerprisma
PELLIN-BROCAPrisma
Pentagon-Prisma
CCD-Kamera-Objektiv
13
Dachkantprisma
Dispersionsprisma (30°,
60°)
Doppelbrechende
Polarisatoren
DOVE-Prisma
Elektro-optische
Modulatoren
Expander
31
Plankonkavlinse
8
27
Plankonvexlinse
7
42
PlanparallelePlatten
21
30
Planspiegel
17
51
Polarisationsplatten
39
14
Polarisationswürfel
41
Farbglasfilter
48
Polarisatoren
33
Fenster
22
Prismen
25
Fernrohr
13
Reflexionsprismen
29
Filter
39
Rhomboidprisma
32
Geradsichtprisma
GLAN-TAYLORPolarisatoren
Halbwürfelprisma
28
ROCHON-Prisma
44
42
Sphärische Spiegel
18
29
Spiegel
17
Huygens Augenglas
14
19
Interferenzfilter
50
Spiegelsubstrate
17
BREWSTER-Fenster
22
39
2
38
28
KDDP Pockels Zellen
52
Strahlteiler
33
Keildepolarisator
47
Strahlteilerplatte
34
Keilplatte
23
36
Kondensor
14
Konkavlinse
8
Strahlteilerwürfel
StrahlversatzPolarisatoren
Streuscheiben
Konvexlinse
7
Tripelprisma
31
KÖSTER-Prisma
Kristalle
38
6
44
24
Triplett
13
45
Laseraufweitungssysteme
11
Vielplatten-Polarisator
40
35
WOLLASTON-Prisma
43
53
Zoom-Modul
13
6
Zylinderlinsen
11
Linsen
55
Notizen
56
DoroTEK Gesellschaft
für Systemtechnik mbH
Flugplatzstrasse F1, Nr. 9
D-15344 Strausberg
Tel +49 (0) 3341 215427
Fax +49 (0) 3341 215429
E-mail
Internet
[email protected]
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