Höchste Qualität für Hochleistungslaser

Innovation bei AR Linsenbeschichtungen
Linsenbeschichtungen sind eine wichtige Komponente von CO2-Hochleistungslasern. Sie sollen die Linsen schützen und gleichzeitig eine hohe optische Leistungsfähigkeit mit niedrigem Absorptionsgrad und langer Lebensdauer bieten. Eine andere beliebte Charakteristik, insbesondere bei sichtbarem Licht von Justierlasern, ist die Transparenz der Beschichtung. Das Kosten-/Nutzenverhältnis der Beschichtung muss ebenso berücksichtigt werden, wie die Umweltauswirkungen hinsichtlich der genutzten Substrate. Für die Hersteller der Optiken besteht die große Herausforderung darin, eine Beschichtung zu entwickeln, die in allen diesen Bereichen überzeugt.

Einleitung
In einem Hochleistungs-CO2-Laser wird ein Kohlendioxid-Gasgemisch durch ein elektromagnetisches Strahlungsfeld angeregt und damit ein Laserstrahl erzeugt. Solche Laser liefern durch ihre optischen Komponenten sehr hochkonzentrierte Energiemengen. Um die Komponenten selbst vor Abnutzung zu schützen und gleichzeitig ihre Leistungsfähigkeit zu verbessern, werden die Linsen mit einer Anti-Reflexionsbeschichtung (AR) versehen. Ohne eine qualitativ hochwertige Beschichtung würden selbst die leistungsfähigsten Lasersysteme in kürzester Zeit ihre Funktionsfähigkeit einbüßen. Die Anti-Reflexionsfähigkeit der Linsen reduziert die Verluste vornehmlich durch Streuung, aber auch durch Absorption und erhöht damit die Leistungsfähigkeit der Lasersysteme.

Neue Linsenbeschichtungen bieten also die Chance, die Laserleistungen in transmittierenden Strahlengängen zu erhöhen. Gleichzeitig sind die Beschichtungen selbst immer höheren Leistungsdichten bzw. Energiedichten ausgesetzt und müssen – gerade bei der Nutzung in Hochleistungslasern - sehr haltbar sein, um eine ausreichend lange Lebensdauer zu gewährleisten. Um diese Langlebigkeit zu erzielen, können die Hersteller farbige Linsenbeschichtungen wählen – den größten Effekt erzielen dabei übrigens schwarze Linsen. Allerdings führt das bei der Nutzung von Laserpointern mit sichtbarem rotem Licht zu Problemen. Um diese Hürde zu überwinden, muss eine transparente Linse eingesetzt werden.

Schon hier wird der Balanceakt zwischen Funktionalität und Haltbarkeit offensichtlich. Darüber hinaus soll die Beschichtung bezahlbar bleiben und ein gutes Kosten-Nutzenverhältnis aufweisen. Ein weiterer wichtiger Aspekt bei der Produktion von AR Beschichtungen ist die Zunahme der gesetzlichen Bestimmungen in Hinblick auf die Entsorgung radioaktiven Abfalls. Zahlreiche Beschichtungen sind leicht radioaktiv; nur wenige nicht-radioaktive Linsenbeschichtungen vermeiden diese Probleme. Betrachten wir das Spektrum der Ophir Optiken für Hochleistungs-CO2-Laser (s.Tabelle), lassen sich drei Linsentypen unterscheiden, die jeweils eine eigene Beschichtung haben. Die Beschichtungen unterscheiden sich in den vorher diskutierten Bereichen: Transparenz, Absorptionsrate, Lebensdauer, Preis und Radioaktivität der Beschichtung.

CO2 Optik Produktname HeNe* Transparent Maximale Absorption@10.6μ Produkt-Lebensdauer Preis Radioaktiv (ThF4)
Duralens V 0.23% Standard Standard Ja
Black Magic _ 0.15% Hoch Mittel Nein
Clear Magic V 0.13% Hoch Hoch Nein
*Helium Neon Laser Wellenlänge – 0.633μ

Abbildung 1: Tabelle Ophirs CO2 Laserlinsen

Duralens® verfügt über eine Standard AR Beschichtung, eine Absorptionsrate <0.2%, HeNe Transparenz, eine Standard Produkt-Lebensdauer und ein vernünftiges Kosten-/Nutzenverhältnis. Black Magic hat eine geringere Absorptionsrate, ist allerdings nicht transparent, obwohl sie gleichzeitig robuster ist und eine längere Lebensdauer bietet. Clear Magic ist – wie der Name schon sagt – transparent und hat eine extrem niedrige Absorptionsrate <0.13%. Auch sie bietet eine längere Lebensdauer, allerdings zu einem etwas höheren Preis. Sowohl die Black Magic- als auch die Clear Magic-Beschichtungen sind nicht radioaktiv.

Bislang fehlte eine Beschichtung, die alle geforderten Eigenschaften verbindet: nicht radioaktiv, mit einer niedrigen Absorption, HeNe transparent, mit längerer Lebensdauer und einem ausgezeichneten Kosten-/Nutzenverhältnis. Mit diesem Ziel vor Augen entwickelte Ophir eine neue Beschichtung: DuralensExtra™. Die Entwicklung dieser neuartigen Linsenbeschichtung erforderte neue Methoden und innovative Technologien in der Produktion ebenso wie der Qualitätsprüfung.

Methodik
Um alle Qualitäten zu vereinen, analysierte man sowohl die verwendeten Materialien als auch die Beschichtungsprozesse: Es entstand eine hybride AR-Beschichtung. Man entwickelte ein Beschichtungs-Rezept, das die Dauer einer Beschichtung reduziert und auf radioaktive Stoffe verzichtet. Gleichzeitig wurden die Verdunstungsrate der Beschichtungen erhöht und die Prozessparameter angepasst, wobei die niedrige Absorptionsrate und die hohe Durchlässigkeit für Hochleistungslaser beibehalten wurde.


Abbildung 2: Vergleich CO2 Linsenabsorption

Qualitätskontrolle
Hohe Leistungsfähigkeit der Linsen, geringe Absorption und niedrige Reflexionslevel werden durch die exakte Einhaltung der Qualitätsprüfungs-Prozesse und neueste Messtechnik erzielt. Das Ophir R&D-Team aus Ingenieuren und Physikern entwickelte eigens dafür Lasermesstechnik. Die größte Herausforderung war dabei eine Absorptionsstation, ohne dass ein ISO-Standard dazu existierte. Die Absorptionswerte wurden anhand einer kalorimetrischen Methode bestimmt, dabei wurde der Temperaturanstieg der Linse aufgrund der Laserstrahlung gemessen.

Um den Messfehler zu reduzieren, wurden zahlreiche Verbesserungen am Messystem vorgenommen. Ausgehend von einer Abweichung in der Wiederholbarkeit und Reproduzierbarkeit (W&R) höher 30 %, wurde die Basislinie stabilisiert und damit Auswirkungen durch die Umgebungstemperatur vermieden. Der Prozess wurde vollständig automatisiert. Im Zusammenspiel führten diese Schritte zu einer Verbesserung der W&R auf weniger als 20%.


Abbildung 3: W&R Absorptionstestergebnisse der Duralens Extra

Zusätzlich wurde die Genauigkeit der Reflexionsmessungen erhöht. Bisher wurde diese mit FTIR Spektrophotometern gemessen, doch es galt, den Fehler bei einer Wellenlänge weiter zu minimieren. Ähnlich wie bei den Absorptionsmessungen wurde auch hier der CO2 Laser für die Reflexionsmessungen genutzt. Ein Leistungsmessgerät wurde entwickelt, das die Laserleistung mit der Reflexion einer Prüfprobe bestimmt. Der Messfehler liegt damit nur bei ±0.025%.


Abbildung 4: Testergebnisse W&R Laserreflexion

Fazit
Nur qualitative hochwertige AR Beschichtungen gewährleisten die optimale Funktionsfähigkeit einer Hochleistungs-CO2-Laseranlage, schützen die Linse und erfüllen die Anforderungen an die optische Leistungsfähigkeit. Die umfassenden Forschungen des Ophir Teams in Bezug auf Technologien, Methoden und Prozesse mündeten in der Entwicklung einer besonders leistungsfähigen Beschichtung. Mehr zu DuralensExtra™ erfahren Sie hier

https://www.ophiropt.com/de/co2-lasers-optics/focusing-lens/duralens

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