Beamprofiling extrem: Fernfeld- versus Nahfeldstrategien bei kleinsten Fokusdurchmessern

Das Profil von Laserstrahlen mit einem Strahldurchmesser kleiner als 10 Mikrometer (1) zu messen, zählt zu den größten Herausforderungen im Bereich der Laserstrahlanalyse. Dies liegt darin begründet, dass zur Strahlanalyse klassischerweise CCD-Kamera-Arrays mit einer Pixelgröße von 3-10 Mikrometern eingesetzt werden, um den Strahl ohne Vergrößerung zu analysieren. Bei einem extrem kleinen Strahl liegen allerdings nicht genügend Pixel innerhalb des Fokusdurchmessers, um ihn aussagekräftig zu analysieren. Die hohe mechanische Präzision der Strahlprofil-Messgeräte und die Tatsache, dass die Strahlen hochdivergent sind und sich schnell ausbreiten, erschweren die Messungen zusätzlich.

 

Das führt dazu, dass sich viele Unternehmen bei Projekten mit kleinen Strahldurchmessern im Blindflug bewegen. Anstatt sich auf Daten direkter Messungen zu verlassen, vertrauen sie auf indirekte Messmethoden und Schätzungen, hoffen auf die Richtigkeit theoretischer Modelle oder einfach darauf, dass die Herstellerdaten der Realität entsprechen. Dieses Verhalten ist allerdings fatal, denn gerade bei Anwendungen wie der effizienten Glasfaserkopplung, der Oberflächen-Defekterkennung, dem optischen Design oder der optischen Prozesskontrolle in der Fertigung kommt es auf die exakte Messung des Strahlprofils an.

 

Obgleich die Messung eines Strahls kleiner als 10 Mikrometer deutlich schwieriger ist, als die Messung eines Strahls von 1-2 Millimetern, erhält man aussagekräftige Strahlprofile auf gleiche Art und Weise. Betrachten wir zwei Technologien: Nahfeld- und Fernfeld-Profiling. Nahfeld-Profiling scheint klar zu sein, da es das Licht an seinem schmalsten Punkt im Nahfeld der Strahltaille abbildet. Die Fernfeld-Messung lässt sich weniger intuitiv verstehen, da der Strahl in großer Entfernung von der Strahltaille gemessen wird, um deren Größe zu bestimmen. Doch die wenig bekannte Messmethode weist gegenüber der Nahfeld-Methode zahlreiche Vorteile auf.

 

Wo liegt das Nahfeld und wie wird darin korrekt gemessen?
Das Nahfeld eines Laserstrahls ist die Region um dessen Strahltaille oder Fokus. Bei kleinen Strahldurchmessern besteht ein Nahfeld-Messgerät aus einer Mikroskop-Objektivlinse, um den Strahl im Fokus darzustellen und zu vergrößern. Das erzeugte Bild wird mit einem Strahlprofil-Messgerät aufgezeichnet. In den meisten Fällen nutzt man dazu ein CCD-Strahlprofil-Messgerät, aber auch die Verwendung eines Beamprofilers mit rotierender Schlitzapertur ist möglich. Beim Nahfeld-Profiling spielt die mechanische Präzision der Positioniervorrichtung eine wichtige Rolle, da die Strahlgröße sehr sensibel auf kleinste Ungenauigkeiten auf die Lage der Bildebene reagiert. Die mechanischen Einflüsse lassen sich mit der Formel zur Strahlausbreitung nachvollziehen:

 

 

Dz ist dabei die Strahlgröße auf der z-Ebene entlang des optischen Wegs, D0 ist die Strahltaille (die wir messen möchten) und θ ist die Divergenz im Fernfeld, dargestellt in der Einheit Radiant. Bei einem beugungsbegrenzten Strahl wird das zu:

 

 

Aus der Formel ergibt sich, dass die Messebene nur eine Toleranz von 5-7 Mikrometern aufweisen darf, um einen 5 Mikrometer großen Strahl im sichtbaren Wellenlängenbereich mit einer Genauigkeit von 2% zu messen. Das bedeutet, dass der gesamte Messaufbau im Verhältnis zum Fokus so genau positioniert sein muss, um eine Strahlgröße mit akzeptabler Genauigkeit zu erhalten. Auch die Fokustiefe der Mikroskop-Objektivlinse muss entsprechend gering sein. Den Aufbau optisch nach Augenmaß auszurichten, wie das bei anderen Strahlprofilmessungen möglich ist, erweist sich bei kleinen Durchmessern als unmöglich. Die gute Nachricht dabei: Das dafür benötigte mechanische Zubehör und die Mikroskop-Objektive mit der entsprechenden Präzision sind heute schon verfügbar.

 


Abb. 1: Ein häufig genutzter Nahfeld-Aufbau

 

Darüber hinaus muss sichergestellt werden, dass die Strahlabschwächung zwischen dem Mikroskop-Objektiv und dem Strahlprofil-Messgerät dort eingebracht wird, wo der Strahl kollimiert ist. Filter und Strahlabschwächer in unmittelbarer Fokusnähe können durch die hohen Leistungs-/Energiedichten sich zu einer thermischen Linse ausprägen und die Abbildung verfälschen. Darüber hinaus verursachen große Divergenzwinkel in der Nähe des Fokus Verzerrungen sobald der Strahl den Filter passiert.

 

Prüfung auf Oberflächen-Defekte
Das Nahfeld-Profiling wurde kürzlich bei der Prüfung von Optiken verwendet, die zur Analyse von Defekten einer Dünnschicht eingesetzt werden. Die Linsen waren so konzipiert, dass sie auf einer Testoberfläche Fokusdurchmesser in der Größe von 1-4 Mikrometer erzeugten und waren mit adaptiven Optiken kombiniert, um Verzerrungen zu minimieren. In einer Linse konnten wir einen Strahldurchmesser von zwei Mikrometern messen, beobachteten jedoch ein „halo“ um das Strahlprofil. Dieser „halo“ oder Streulichthof reduziert die Auflösung des Prüfsystems.

 


Abb. 2: Ein Strahl mit einer Größe von 2 Mikrometern bei geringer adaptiver optischer Korrektur

 

Mit Hilfe weiterer Optimierungen der adaptiven Optiken konnte der Streulichthof reduziert werden, wie das Bild unten zeigt.

 


Abb. 3: Der gleiche Strahl wie oben mit größerer adaptiver optischer Korrektur

 

Der Vergleich zeigt eine der Stärken bei der Nutzung einer mehrzeiligen CCD-Kamera mit dieser Technik. Dadurch, dass sie ein zweidimensionales Bild des Strahlprofils liefert, lassen sich räumliche Effekte einfach beobachten. Sie geben oft Hinweise auf die allgemeine Performance der Optiken und bringen optische Defekte ans Licht, die die Leistung des gesamten optischen Systems beeinträchtigen können.

 

Beamprofiler mit rotierender Schlitzapertur können Strahlen unter einer Größe von 10 Mikrometern präzise messen; je nach Design sogar ohne ein Mikroskop-Objektiv. Dieser einfachere Aufbau lässt die Profiler zunächst interessant erscheinen, häufig übersehen wird dabei die Tatsache, dass die Scanebene des Messaufbaus auf wenige Mikrometer genau sein muss, um zuverlässige Ergebnisse zu erzielen.

 

Soll der Durchmesser eines Laserstrahls festgelegt werden, der einen Wellenleiter oder eine Glasfaser verlässt – auch als Modenfelddurchmesser (MFD) bezeichnet – gestaltet sich dies mit einem auf einer rotierenden Apertur basierenden Beamprofiler schwierig. Die Glasfaser oder der Wellenleiter müsste direkt daran anliegen, wodurch die Messtrommel unter Umständen die Testquelle beschädigen könnte. Stattdessen nutzt man Mikroskop-Objektive mit einer Bildebene von 1 bis 5 mm vor der Linse, so dass der Profiler mit der Testquelle nicht in Berührung kommt.

 

Es gibt auch Labore, die Laserstrahlen mit kleinem Durchmesser mittels einer Rasierklinge, einer mikrometergenauen Positioniervorrichtung und einer Photodiode messen. Die Rasierklinge wird dabei langsam durch den Strahl geführt, um so dessen Größe zu ermitteln. Diese Technik funktioniert gut, so lange man keine aktive Justage vornehmen möchte, um die Performance zu verbessern und man bereit ist, zwischen einige Minuten und einer Stunde Messdauer zu warten, bis die Strahlgröße ermittelt wurde. Abgesehen davon eliminiert dieses Verfahren einen Großteil der räumlichen, zweidimensionalen Struktur des Strahls und liefert somit keine zuverlässigen Informationen zu Abweichungen in der Geometrie oder Intensitätsverteilung.

 

Einen kleinen Strahl aus der Distanz messen
Weniger bekannt ist die Fernfeld-Messung. Hier wird der Strahl zunächst im Fernfeld analysiert, anschließend wird durch eine Transformation der Verteilung des Fernfeld-Profils die tatsächliche Strahlgröße ermittelt. Die Fiber Optic Test Procedure (FOTP) 191 der Telecommunications Industry Association (TIA) beschreibt diese Technik als die “Direkte Fernfeld-Methode”, um den Felddurchmesser einer optischen Single Mode Faser zu messen. Zwar wurde die Methode dafür ursprünglich zur Ermittlung des Modenfelddurchmessers entwickelt, gilt sie aber gleichermaßen zur Messung jedes Single-Mode-Strahls.

 

Als Fernfeld wird die Region bezeichnet, in der sich die Struktur des Strahls nicht mehr länger entlang des optischen Wegs entwickelt und das daraus resultierende Profil das gleiche ist wie bei einer Beobachtung im Unendlichen. Sie beginnt bei einer Entfernung von >> πd2/λ, wobei d der Durchmesser der Strahltaille und λ die Wellenlänge des Lichts bezeichnet. Bei einem Referenzstrahl von 10 Mikrometern und einer Wellenlänge von einem Mikrometer, ergibt sich eine Entfernung von ~300 Mikrometern. Ein Teil der Herausforderung bei der Messung eines Strahls mit einer geringen Strahltaille im Fernfeld ist, dass sich der Strahl schnell aufweitet und im Fernfeld schnell eine Größe von einigen Zentimetern erreicht. Für die meisten CCD- oder anderen Array-basierten Kameras ist dies viel zu groß.

 

Stattdessen nutzt man hier einen goniometrischen Radiometer, wie den LD8900 von Ophir Spiricon. Er analysiert die winkelabhängige Intensitätsverteilung des Strahls. Über die gemessene Winkelverteilung berechnet man den Felddurchmesser nach dem Petermann II Integral, das 1983 von Klaus Petermann entwickelt wurde.

 


F(θ) ist die Fernfeld-Intensität als Funktion des Messwinkels.

 

Ein goniometrischer Radiometer besteht in der Regel aus einem beweglichen Sensor, der langsam in einem festen Bogen bewegt wird, während die Quelle an einer Stelle fixiert wird, um das Fernfeld-Profil zu bestimmen. Nur in wenigen Fällen wird der Sensor fixiert und die Quelle bewegt. Eine der Stärken dieser Technik ist, dass die präzise mechanische Positionierung der Testquelle entfällt. Bei den meisten Messaufbauten gelten Toleranzen bis zu einem Millimeter. Da das Profiling im Fernfeld eine deutlich geringere Präzision beim Messaufbau erfordert, liefert es wiederholbarere Messergebnisse, die weniger vom Anwender abhängen wie bei Nahfeld-Messungen.

 

Darüber hinaus lassen sich Messungen mit dem richtigen Fernfeld-Scanner deutlich schneller durchführen. Fernfeld-Scanner nutzen schnell drehende Faserbündel, um in Bruchteilen einer Sekunde (2) hochauflösende Fernfeld-Profile zu generieren. Durch die Verwendung eines klappbaren Spiegelsets bei unterschiedlichen Horizontalwinkeln erhält man in weniger als einer Minute ein hochauflösendes, halbkugelförmiges Intensitäts-Profil im Fernfeld.

 

Diese Technik erwies sich bei der Charakterisierung des Felddurchmessers bei optischen Fasern und Wellenleitern als sehr genau. Selbst Fasern mit sehr geringem Felddurchmesser (< 5 Mikrometer), Profile mit nicht Gauß’sche Verteilung und elliptische Strahlen lassen sich durch die Transformation des Fernfeld-Profils analysieren. Und das, obwohl die Strahlattribute die Annahmen des Petermann II Integrals eigentlich verletzen.

 

Schlussfolgerung
Laserstrahlen mit geringer Größe werden in einer Vielzahl sensibler Anwendungen genutzt, dennoch werden sie häufig nicht direkt analysiert. Dabei lassen sich die Herausforderungen bei Strahlgrößen unter 10 Mikrometern mit vorhandenen, zuverlässigen Messtechniken durchaus überwinden. Anstatt zu schätzen, wie die Strahltaille in ihrem kritischen optischen System aussieht, kennen die Ingenieure die tatsächlichen Daten und können damit fundierte technische Entscheidungen treffen.

 

Weitere Darstellungen:

Abb. 4: Bei einem Messaufbau mit einem herkömmlichen goniometrischen Radiometer bewegt sich entweder die Quelle oder der Sensor

 


Abb. 5: Ein goniometrisches Radiometersystem, indem Sensor und Quelle fixiert sind, um damit in Echtzeit goniometrische Profile zu erstellen 2,3

 

Über den Autor
Derrick Peterman arbeitet als Sales Manager zunächst für die Photon, Inc. und nach deren Übernahme durch Ophir-Spiricon 2010, für die Ophir Photonics Group. Im Rahmen seiner Tätigkeit sammelte er umfangreiche Erfahrung bei zahlreichen Strahlprofil-Anwendungen. Derrick schloss sein Studium der Physik an der Ohio State University mit einem PhD ab.

 

Referenzen

  1. Der Strahldurchmesser hat unterschiedliche Definitionen. Wir verwenden 13,5% des Spitzenwerts oder die (1/e2) Definition sofern nicht anderweitig spezifiziert. Da die meisten Laserstrahlen unter 10 Mikrometer naturgemäß eine ziemlich Gauß’sche Verteilung aufweisen, kämen andere häufig genutzte Definitionen wie die Second Moment Methode (1/e2) ziemlich nahe.
  2. Jeff Guttman, 2000 NIST Symposium on Optical Fiber Measurements
  3. Jeff Guttman, 2002 NIST Symposium on Optical Fiber Measurements