F-Theta Objektive für die Lasermaterialbearbeitung

Bei Verwendung eines galvanischen 2D-Scanners, Änderung der Spiegelwinkel bewegt den Laserpunkt über das Werkstück. Die F-Theta Gläser der Jenoptik sind dann optimiert für ein quadratisches Scanfeld, in dem die Diagonale dieses Quadrats wird als Scanfelddiagonale bezeichnet.

Anwendungsrelevanz

Wenn die Galvanometerspiegel um mehr als die Winkel, die der quadratischen Scanfeldfläche entsprechen, zwei Haupteffekte angezeigt. Erstens verschlechtert sich die optische Leistung oberhalb der Beugungsgrenze und zweitens kann der Laserstrahl in das Objektiv eingeklemmt werden. (Sehen Sie Beam-Clipping)

In der theoretischen Nomenklatur ist die Brennweite der Abstand von der zweiten Kardinalebene zum paraxialen Brennpunkt des Objektivs. Das heißt, wenn man das Objektiv als eine Linse mit verschwindender Länge darstellen würde, dann wäre der Abstand von dieser idealen Linse zum Brennpunkt die Brennweite.

Anwendungsrelevanz

Aus der F-Theta-Relation h = f * theta ergibt sich, dass die Bildhöhe die Bildhöhe proportional zur Brennweite, d.h. wenn man den Anwendungsbereich vergrößern will, kann man Objektive mit größerer Brennweite verwenden. Will man jedoch die gleiche Bildpunktgröße beibehalten, so müsste man nach der Definition der Fokusgröße auch die Größe des Lasereingangsstrahls vergrößern. Eine weitere Eigenschaft ist der Abstand zwischen Objektiv und Werkstück. Wenn dieser vergrößert werden muss, ist in der Regel eine Vergrößerung der Brennweite erforderlich (siehe auch hinterer Arbeitsabstand).

Der maximale volle diagonale Scanwinkel entspricht der Scanfelddiagonale, d.h. die Verwendung des Objektivs mit Winkeln oberhalb dieses Maximalwinkels führt zu Beschneidung des Strahls.

Anwendungsrelevanz

Aus der F-Theta-Beziehung geht hervor, dass eine Vergrößerung der Feldgröße auch durch die Verwendung größerer Scanwinkel erreicht werden kann. Dies hätte den Vorteil, dass die Strahlgröße gleich bliebe. Große Abtastwinkel stellen jedoch eine erhebliche Komplikation für das Design von kostengünstigen F-Theta-Objektiven.

Bei der Fokussierung von Licht kann die Spotgröße σ die Beugungsgrenze nicht überschreiten, d. h. die Größe des Lichtflecks hängt nicht mehr von den Abbildungsfehlern der Linse ab sondern nur noch von den physikalischen Eigenschaften Wellenlänge λ, dem Eingangsstrahldurchmesser Ø und der Brennweite f ab. Was den Eingangsstrahldurchmesser des Lasers betrifft, so ist es ist es üblich, die Fokusgröße als den Durchmesser zu definieren, bei dem die Intensität auf 1/e² der maximalen Intensität in der Spotmitte abfällt. Für Eingangsstrahlen, die wie in Eingangsstrahldurchmesser" definiert sind, ist die Fokusgröße gegeben als σ = 1,83 λ f /.

Anwendungsrelevanz

Eine Verringerung der Fokusgröße verringert sofort z. B. die Strukturgrößen der geschriebenen Muster. Sie erhöht auch die maximale Intensität in der Mitte des Spots und hebt ihn damit über die Anwendungsschwelle eines bestimmten Materials. Liegt die Intensität jedoch weit über der Anwendungsschwelle, wird die für die Anwendung nicht benötigte Energie nicht benötigte Energie im Material deponiert, was zu unterschiedlichen, nicht kontrollierbaren Nebenwirkungen, die möglicherweise die Leistung der Anwendung beeinträchtigen. Daher muss der Anwender die optimale Fokusgröße für die jeweilige Anwendung finden.

Wenn der Strahldurchmesser des ankommenden Laserstrahls zu groß ist oder der Scan Scan-Winkel über dem maximal zulässigen Winkel liegt, können Teile des Laserstrahls Teile des Laserstrahls beim Durchgang durch das Objektiv auf mechanische Teile treffen. Dies wird als als Begrenzung des Laserstrahls verstanden.

Anwendungsrelevanz

Ein Laserstrahl, der im Objektiv abgeschnitten wird erzeugt unerwünschtes Streulicht und kann außerdem das Objektiv erwärmen was zu einer thermischen Fokusverschiebung und sogar zur Zerstörung des Objektivs führen kann. Alle JENar^® Standard- und Silverline^® Objektive sind so konstruiert, dass keine Strahlenbegrenzung auftritt wenn sie mit dem auf den Datenblättern beschriebenen Scanneraufbau verwendet werden.

Während die Brennweite ein eher theoretisches Konstrukt ist, beschreibt den Arbeitsabstand den realen Abstand zwischen dem Ende des Objektivs (der Rand, der dem Werkstück am nächsten ist) und dem Werkstück.

Anwendungsrelevanz

Der hintere Arbeitsabstand beschreibt, wie viel Freiraum zwischen Werkstück und Objektiv vorhanden ist. Da Brennweite und hinterer Arbeitsabstand eng zusammenhängen, ist in der Regel ein größerer Freiraum zwischen Werkstück und Objektiv erforderlich.

Telezentrizität beschreibt den Winkel des Schwerpunkts des Laserstrahls am Kante des Scanfeldes, z. B. wie stark der gesamte Strahl geneigt ist bezüglich der optischen Achse.

Anwendungsrelevanz

Telezentrische Linsen weisen in der Regel eine homogenere Fokusgrößenverteilung über das gesamte Feld auf. Darüber hinaus sind telezentrische Linsen sind „maßstabserhaltender“, wenn das Werkstück defokussiert wird. Wird z.B. das Werkstück von der Linse wegbewegt, aber die Neigung von der Laserstrahl verschwindet, ändert sich die Punktposition nicht. Dies ist beispielsweise bei Bohranwendungen wichtig. Eine unmittelbare Folge von ein kleine Telezentrizitätswinkel besteht darin, dass die Linsen etwa den gleichen Durchmesser als Felddiagonale. Daher werden telezentrische Linsen in der Regel teurer als nicht-telezentrische.

Telezentrizität beschreibt den Winkel des Schwerpunkts des Laserstrahls am Kante des Die Geometrie eines 2D-galvanometrischen Scanners ist für die Design einer effizienten Linse. Da die beiden Scanspiegel eine bestimmte um Kollisionen zu vermeiden, wird die Anwendungsleistung nicht rotationssymmetrisch, sondern weisen stattdessen eine zweifache Spiegelsymmetrie auf in X und Y.

Der Abstand zwischen den Spiegeln wird durch den Parameter a1 vorgegeben. Der Abstand vom zweiten Spiegel zum Flansch des Objektivs wird beschrieben über Parameter a2.

Die Trennung von Spiegeln macht das physikalische Konzept einer Pupille unzulässig. Daher definiert man eine effektive Pupille als in einer mittig zwischen den beiden Spiegeln. Das Nichtvorhandensein eines echten Schülers hat auch zur Folge, dass ein Das 2D-galvanometrische Scansystem kann nicht perfekt telezentrisch sein.

Anwendungsrelevanz

Verschiedene optische Eigenschaften eines bestehenden F-Theta Linse kann durch Änderung der Scannergeometrie modifiziert werden. Aber Vorsicht ist geboten: damit der Laserstrahl nicht irgendwo im Objektiv abgeschnitten wird. Zum Beispiel die Vergrößerung des Abstands zwischen objektiver und effektiver Pupille ändert den Telezentrizitätswinkel (in der Regel verringert er ihn). Aber: Beschneiden des maximalen Scanwinkels und damit der maximalen Feldgröße, reduziert werden.

Die laserinduzierte Schadensschwelle (LIDT) beschreibt die Laserintensität (oder -fluenz), ab der eine Beschädigung der Linsen auftritt. Dieser Schwellenwert hängt von mehreren Parametern wie Wellenlänge und Pulsdauer ab und umfasst verschiedene physikalische Phänomene. Bei CW und langen Impulsen (> 10 ns) ist das Hauptproblem die Akkumulation von Energie im Material und das anschließende Schmelzen und Verdampfen. Bei ultrakurzen Pulsen (< 10 ps) sind dagegen nichtthermische Prozesse wie Lawinenionisierung und Coulomb-Explosion dominierende Schadensursachen. Diese Vielfalt an unterschiedlichen Verfahren macht eine analytische Beschreibung sehr schwierig und für industrielle Zwecke erscheint es ratsam, Beschichtungen und Materialien zu testen und phänomenologische Beschreibungen abzuleiten.

Jenoptik testete seine Standardbeschichtungen und -werkstoffe für die gängigsten Anwendungsparameter und drückte die impulsdauerabhängige Schädigungsschwellenfluenz im Sinne eines Leistungsgesetzes der Pulsdauer aus die Pulsdauer τ. = c * ∞ ^ p

Die Parameter c und p dieses Gesetzes sind wellenlängenabhängig. Darüber hinaus hängt die tatsächliche Schadensschwelle des Systems entscheidend von mehreren äußeren Einflüssen ab, wie z. B. angemessene Lagerung, Handhabung und Reinigung. Unsachgemäße Pflege der optischen Systeme reduziert die Schadensschwelle und führt zum Erlöschen der Garantie. Aufgrund unterschiedlicher Intensitäten im Inneren des optischen Systems kann die Schadensschwelle des Systems von der Schadensschwelle der Einzelelementbeschichtung abweichen.

Anwendungsrelevanz

Die Möglichkeit, mehr Energie pro Zeit durch ein optisches System zu leiten, ermöglicht ein schnelleres Scannen und damit einen höheren Durchsatz.

Trotz Antireflexbeschichtungen in höchster Qualität auf unseren optischen Komponenten kann es zu einer geringen Restreflexion kommen, die Strahlengänge verursacht, die sich auf andere optische Komponenten konzentrieren können. Dadurch und je nach Laserleistung kann das betroffene Bauteil seine Eigenschaften verändern oder – bei extremer Ausleuchtung – beschädigt werden.

Jenoptik berücksichtigt diese Effekte daher besonders in der Konstruktionsphase von F-Theta-Objektiven und Strahlexpandern. Das optische Design ist optimiert, um Fokusebenen reflektierter Strahlengänge außerhalb optischer Komponenten und Scanner zu platzieren.

Bei unterschiedlichen optischen Aufbauten, z. B.

• Inklusive zusätzlicher Deckgläser
• Abweichende Deckglasmontage
• Divergierende oder konvergente Strahlengänge
• Verwendung von Linsen mit anderen Scansystemen
• Unterschiedliche Abstände zwischen Scansystem und Linsen
• Reflexe durch Werkstücke (z.B. Brillen ohne Antireflexbeschichtung) können sich die Positionen der Rückreflexionen verändern und Schäden an optischen Komponenten oder Scanspiegeln verursachen.

Um diese Auswirkungen zu vermeiden und zuverlässige Betriebsbedingungen zu gewährleisten, bitten wir Sie, sich mit uns in Verbindung zu setzen, um Ihr System abzustimmen.

Wenn sich die Temperatur eines optischen Materials ändert, ändern sich die entsprechende Form und der Brechungsindex. Diese beiden Effekte verändern die optischen Eigenschaften des Systems, hauptsächlich die Fokusposition. Diese Positionsänderung wird als thermische Fokusverschiebung bezeichnet. Ein Objektiv kann optimiert werden, um einer globalen homogenen Temperaturänderung standzuhalten (aufgrund von Schwankungen der Raumtemperatur und ausreichender Entspannungszeit), z. B. durch den Einsatz temperaturabhängiger Abstandhalter. Bei Verwendung mit einem Hochleistungslaser wird die Temperaturverteilung über die Linsenelemente jedoch inhomogen und hängt auch vom Scanmuster ab. Die einzige Möglichkeit, Objektive unempfindlich gegenüber diesen Effekten zu machen, besteht darin, die Temperaturänderung zu reduzieren, zum Beispiel die Absorption in Linsen und Beschichtungsmaterial zu reduzieren.

Die induzierten thermischen Fokusverschiebungen für Top-Hat- (Δz_T) und Gauss-Intensitätsverteilungen (Δz_G) können analytisch berechnet werden. P_0 ist die Eingangsleistung des Lasers. f ist die Brennweite der Linse. Die Summe ist dann über alle optischen Elemente im System verteilt, angezeigt durch den Index i. n_i und dn/dT_i beschreiben den Brechungsindex und seine thermische Ableitung. alpha_i ist der Wärmeausdehnungskoeffizient, lambda_i ist der Wärmeleitkoeffizient, A_i und B_i beschreiben die Absorptionskoeffizienten von Beschichtung bzw. Material. d_i ist die Dicke des Elements und phi_i ist der Durchmesser des Laserstrahls auf Element i.

Für Hochleistungsanwendungen ist der Bereich der verwendbaren Materialien klein (Quarzglas oder CaF2), wodurch die meisten Materialkoeffizienten (dn/dT, n, alpha, Lambda) fixiert werden. Darüber hinaus bestimmen die Anwendungsanforderungen die Parameter Eingangsleistung (P_0) und Brennweite (f) und die Strahlgrößen (phi) auf und Dicke (d) der Elemente in einer F-Theta-Linse stellen in der Regel keine leistungsstarken Optimierungsparameter dar. Grundsätzlich unterscheiden sich optische Designs, die die optischen Spezifikationen erfüllen, in der Regel nicht sehr stark in ihren jeweiligen Linsenformen. Die vielversprechendste Strategie zur Reduzierung der thermischen Fokusverschiebung eines Systems besteht daher darin, die absorbierte Energiemenge zu reduzieren. Dies kann durch die Wahl von Materialien und Beschichtungen mit geringer Absorption erreicht werden.

Anwendungsrelevanz
Eine thermische Fokusverschiebung verändert, wenn sie nicht kompensiert wird, im Laufe der Zeit die Anwendungsleistung. Ein Werkstück, das zu Beginn des Prozesses perfekt fokussiert ist, kann nach einiger Prozesszeit erheblich unscharf sein und das Anwendungsergebnis wird sehr unterschiedlich aussehen.