Laserbeständige Optiken

Auf der Laser World of Photonics präsentiert SCHOTT neue Daten zur Laserzerstörschwelle im Volumen von verschiedenen optischen Gläsern einschließlich möglicher Alternativen zu Quarzglas als Linsenmaterial in industriellen Laseranwendungen. Die getesteten Gläser sind zur Verwendung in der Lasermaterialbearbeitung bei Wellenlängen von 532 und 1064 nm mit Pulslängen im Nano- und Pikosekundenbereich bestimmt.

Bis zum Jahr 2016 wird der weltweite Lasermarkt ein Volumen von US$ 10,40 Milliarden erreichen, so der jüngste Bericht von TechNavio. Haupttreiber ist die Entwicklung der Lasertechnologie der nächsten Generation, die Strahlen mit großer Energie bei hohen Wiederholraten und kurzen Pulsdauern ermöglicht. Um das optische Design dieser neuen Systeme zu erleichtern und zu optimieren, hat SCHOTT nun die Laserzerstörschwelle im Volumen seiner optischen Gläser, die sich am besten für Hochleistungsanwendungen eignen, untersucht.

"Die Laserfestigkeit eines optischen Systems hängt von der Oberflächenbeschaffenheit der optischen Komponenten ab. Aber mindestens genauso wichtig ist das Linsenmaterial, das Laserstrahlen und deren Reflexionen standhalten muss", sagt Dr. Ralf Jedamzik, Application Manager bei SCHOTT. "Quarzglas ist bislang das bevorzugte Material für Hochenergie-Laseranwendungen. Jedoch schränkt es das optische Design aufgrund seines niedrigen Brechungsindexes ein. Unsere neuen Daten zur Laserzerstörschwelle im Volumen verschiedener optischer Gläser legen interessante Alternativen nahe - mit einer größeren Bandbreite an optischen Eigenschaften, die anspruchsvollere Designs ermöglichen."

Linsen-Designs optimieren

SCHOTT hat Laserzerstörschwellen im Volumen von verschiedenen Glasarten geprüft, die ein breites Spektrum an Brechwerten und Abbe-Zahlen abdecken. Als Referenz wurde das Heraeus Quarzglas Suprasil® CG verwendet. Die Tests wurden am Laser Zentrum Hannover durchgeführt, einer der führenden europäischen Forschungs- und Entwicklungseinrichtungen auf dem Gebiet der Lasertechnik. SCHOTT kooperierte dabei mit Qioptiq, um LINOS F-Theta-Ronar Objektive hinsichtlich Leistung und Kosten zu optimieren.

"Wir erkannten, dass Gläser mit niedrigeren Abbe-Zahlen tendenziell eine niedrigere Laserzerstörschwelle haben - mit Ausnahme des Glases F2. Im Vergleich zu Flint-Gläsern wie SF6, weisen Gläser mit hohem Brechungsindex wie N-LASF44 und N-LAF21 eine höhere Laserzerstörschwelle auf", sagt Dr. Jedamzik. "Insbesondere N-BK7 und N-FK5 zeigten im Vergleich zu Suprasil® sehr gute Eigenschaften. Unter den gegebenen Testbedingungen können diese Glasarten als Alternativen zu Quarzglas angesehen werden."

Den Anwendungsbereich ausweiten

Die Glasarten N-BK7, N-FK5, F2, N-LAF21, N-LASF44 und SF6 wurden bei Wellenlängen von 532 und 1064 nm sowie bei Pulslängen von 10 bis 12 ns und 74 ps getestet - typische Bedingungen bei der Materialverarbeitung mit gepulsten Laserstrahlen. Gemäß DIN ISO 21254 wurden 150 Teststellen untersucht. Der Laserstrahl mit einem Durchmesser zwischen 5 und 10 mm (in Abhängigkeit von der Wellenlänge) wurde in die Probenmitte auf einen effektiven Durchmesser zwischen 33 und 41 μm fokussiert. Um Oberflächenschädigungen auszuschließen war es wichtig, die Laserintensität an der Probenoberfläche möglichst klein im Vergleich zur Laserintensität in der Probenmitte zu halten.

"Die veröffentlichten Ergebnisse ermöglichen bereits ein optimiertes Design des F-Theta-Objektivs, wenn die tatsächliche Laserbeanspruchung im optischen Pfad bekannt ist", unterstreicht Dr. Jedamzik. "Unsere Kunden können nun direkt auf die verfügbaren Daten zugreifen, was die Auswahl des geeigneten Materials für ihre jeweilige Anwendung erleichtert. In nächster Zeit plant SCHOTT seine Untersuchungen auf andere Glasarten und Komponenten auszudehnen, besonders im Hinblick auf bevorstehende Laserprojekte in Industrie und Forschung."

Quelle: SCHOTT AG