In vielen optischen Systemen ist eine Strahlsteuerung nur in eine Richtung erforderlich. Möglicherweise muss sich ein Laser horizontal ausdehnen und gleichzeitig seine ursprüngliche vertikale Abmessung beibehalten, oder ein Bildgebungssystem muss möglicherweise die Breite eines Bildes ändern, ohne die gleiche optische Leistung auf seine Höhe anzuwenden. Eine herkömmliche sphärische Linse kann diese Art der selektiven Steuerung nicht bieten, da ihre optische Wirkung auf beide Achsen wirkt.

Aus diesem Grund konzentrieren sich Ingenieure bei der Bewertung der Verwendung von Plankonkavlinsen häufig auf zylindrische Optiken, anstatt einfach nach einer Linse zu suchen, die einen größeren Strahl erzeugt. Eine plankonkave Zylinderlinse führt eine negative zylindrische optische Brechkraft entlang einer Achse ein, wodurch ein kollimierter Strahl in dieser Richtung divergiert, während die orthogonale Achse im Wesentlichen unbeeinflusst bleibt. Die richtige Brennweite, das richtige Material, die Blende und die Oberflächenspezifikation hängen dann vom tatsächlichen Strahlengang und den Systemanforderungen ab.

Wie eine plankonkave Zylinderlinse eine einachsige Divergenz erzeugt

Eine plankonkave Zylinderlinse hat eine ebene Oberfläche und eine konkave Zylinderoberfläche. Im Gegensatz zu einer sphärischen Negativlinse ist ihre optische Leistung in einer meridionalen Richtung konzentriert.

Wenn kollimiertes Licht in die Linse eintritt, ändert die zylindrische Oberfläche den Ausbreitungswinkel der Strahlen in einer Achse. Die Strahlen divergieren, als kämen sie von einem virtuellen Linienfokus auf der Einfallsseite der Linse. Die orthogonale Achse erhält wenig oder keine äquivalente Zylinderkraft.

Diese Unterscheidung ist bei Strahlformungssystemen wichtig. Wenn ein Laserstrahl in vertikaler Richtung breiter ist als in horizontaler Richtung, kann eine Zylinderlinse ausgewählt werden, um nur die erforderliche Achse zu modifizieren. Der resultierende Strahl kann näher an das gewünschte Seitenverhältnis heranrücken, ohne unnötige optische Leistung in die andere Achse einzubringen.

Das Ausmaß der Divergenz hängt eng mit der negativen Brennweite des Objektivs zusammen. Eine kürzere absolute Brennweite, beispielsweise -10 mm, erzeugt eine stärkere optische Leistung als ein Objektiv mit einer Brennweite von -200 mm. Allerdings bestimmt die Brennweite allein nicht die endgültige Strahlgröße. Der anfängliche Strahldurchmesser, die Ausbreitungsentfernung, die Linsenposition und die gewünschte Ausgabeabmessung müssen ebenfalls berücksichtigt werden.

Beispielsweise kann ein Strahl, der sich allmählich über einen relativ langen optischen Weg ausdehnen muss, eine wesentlich andere Brennweite erfordern als eine kompakte optische Baugruppe, bei der die Ausdehnung nur über eine kurze Distanz erfolgen muss.

Wofür wird eine Plankonkavlinse verwendet?

Eine der nützlichsten Anwendungen für Plankonkavlinsen ist die anamorphotische Strahlformung. Viele Laserquellen erzeugen elliptische oder asymmetrische Strahlen statt perfekt kreisförmiger Profile. Wenn nur eine Achse korrigiert werden muss, kann eine zylindrische Negativlinse diese Dimension gezielt vergrößern.

Das gleiche Prinzip gilt für die eindimensionale Bildkomprimierung. In einem Bildgebungssystem kann die zylindrische optische Leistung die Bildgeometrie entlang einer Richtung verändern, ohne die gleiche Vergrößerungsänderung in der senkrechten Richtung vorzunehmen. Dies kann nützlich sein, wenn das Bild an einen Detektor, Schlitz oder ein nachgeschaltetes optisches Element mit asymmetrischer aktiver Fläche angepasst werden muss.

Plankonkave Zylinderlinsen können auch in Laserstrahlaufweitungssysteme integriert werden. Die negative optische Leistung führt dazu, dass eine Achse eines kollimierten Strahls divergiert, wodurch die Strahlbreite während der Ausbreitung zunimmt. In Kombination mit anderen zylindrischen oder sphärischen Optiken kann diese kontrollierte Divergenz Teil eines komplexeren Strahlaufbereitungssystems werden.

Eine weitere Anwendung ist die Erzeugung von Laserlinien, wobei die genaue optische Anordnung sorgfältig überlegt werden muss. Ein negatives Zylinderelement erzeugt nicht wie eine positive Zylinderlinse einen konvergierenden Linienfokus. Stattdessen kann damit eine Achse erweitert oder umgeformt werden, bevor eine nachfolgende Fokussieroptik die gewünschte Linie erzeugt. In einem solchen System ist die plankonkave Linse Teil der Strahlaufbereitungsstufe und nicht notwendigerweise das letzte Fokussierungselement.

Diese Unterscheidung trägt dazu bei, einen häufigen Auswahlfehler zu vermeiden: die Auswahl einer Zylinderlinse entsprechend der gewünschten endgültigen Strahlform, ohne zu berücksichtigen, ob das optische System an dieser bestimmten Position eine positive oder negative Zylinderbrechkraft benötigt.

So wählen Sie die negative Brennweite aus

Bei einer plankonkaven Zylinderlinse ist die Brennweite nicht einfach eine auf dem Datenblatt aufgedruckte Zahl. Sie bestimmt die Stärke der negativen optischen Leistung und beeinflusst daher, wie schnell die ausgewählte Achse divergiert.

ECOPTIK bietet Brennweiten von -3,9 mm bis -700 mm. Der geeignete Wert hängt vom anfänglichen Strahldurchmesser, der erforderlichen Aufweitung, der verfügbaren Ausbreitungsentfernung und der Position anderer optischer Komponenten ab.

Eine relativ kurze negative Brennweite ist nützlich, wenn eine starke Divergenz innerhalb eines kompakten optischen Pfads erforderlich ist. Eine längere negative Brennweite sorgt für eine schwächere zylindrische Brechkraft und kann besser geeignet sein, wenn sich der Strahl über eine größere Entfernung allmählich ausdehnen muss.

Das Design sollte daher mit der erforderlichen Abmessung des Ausgangsstrahls beginnen und nicht nur mit dem Linsendurchmesser. Ingenieure sollten Folgendes bestimmen:

• Anfängliche Strahlgröße in der gesteuerten Achse

• Erforderliche Ausgangsstrahlgröße

• Zur Strahlaufweitung verfügbarer Abstand

• Gewünschte Divergenz

• Position der nachgeschalteten Optik

• Erforderliches Strahlseitenverhältnis

Das Objektiv kann dann entsprechend der durch die optische Geometrie erforderlichen negativen Brennweite ausgewählt werden.

Auch die Brennweitentoleranz verdient Beachtung. ECOPTIK bietet Toleranzen von ±1 % für höchste Präzisionsanforderungen bis ±3 %. Eine Variation der Brennweite verändert die effektive negative optische Leistung und damit die erwartete Divergenz. In einem Strahlformungssystem mit großer Ausbreitungsdistanz kann sich dieser Unterschied auf die Strahlgröße am nächsten optischen Element auswirken und eine zusätzliche Ausrichtung oder Anpassung erfordern.

Materialauswahl für verschiedene optische Wellenlängen

Die Materialauswahl sollte sich an der Betriebswellenlänge orientieren und nicht nur an den gewünschten mechanischen Abmessungen.

ECOPTIK bietet plankonkave Zylinderlinsen aus Materialien wie N-BK7/H-K9L, Quarzglas (UVFS) und CaF₂ an.

N-BK7/H-K9L wird häufig für optische Systeme im sichtbaren und nahen Infrarotbereich in Betracht gezogen, bei denen sein Übertragungsbereich und seine etablierten optischen Eigenschaften für die Anwendung geeignet sind. Quarzglas ist besonders relevant, wenn UV-Transmission, thermische Eigenschaften oder eine breitere spektrale Leistung erforderlich sind. CaF₂ kann für optische Systeme ausgewählt werden, die Übertragungseigenschaften erfordern, die bis in den ultravioletten und infraroten Bereich reichen.

Für eine Laserstrahlformungsanordnung sollte daher vor der Auswahl des Substrats die Wellenlänge definiert werden. Die Materialwahl beeinflusst die Transmission und kann auch das gesamte optische Design beeinflussen, wenn die Dispersion relevant wird.

Oberflächenqualität, Genauigkeit und mechanische Toleranz

Insbesondere bei Lasersystemen können optische Oberflächenspezifikationen einen direkten Einfluss auf das Strahlverhalten haben.

Zu den verfügbaren Oberflächenqualitäten gehören 40-20 und 60-40. Die Oberflächenqualität beschreibt Mängel wie Kratzer und Kerben. Bei streulichtempfindlichen Systemen können diese Defekte zur Streuung und unerwünschten Hintergrundintensität beitragen.

Die Oberflächengenauigkeit wird mit λ/2 oder λ/4 bei 632,8 nm angegeben. Im Gegensatz zur Oberflächenqualität betrifft dieser Parameter die Genauigkeit der optischen Oberflächenform und damit deren Einfluss auf die übertragene Wellenfront.

Für ein allgemeines Strahlaufweitungssystem ist die strengste Oberflächenspezifikation möglicherweise nicht erforderlich. In einem Präzisionslasersystem kann die Wellenfrontverzerrung jedoch schwerwiegender werden, da der Strahl nach dem Durchgang durch das zylindrische Element ein kontrolliertes Profil beibehalten muss.

Der mechanische Durchmesserbereich beträgt 2 mm bis 300 mm, mit einer üblichen Durchmessertoleranz von +0,0/-0,1 mm. Der erforderliche Durchmesser sollte sich nach der Apertur des einfallenden Strahls und der mechanischen Montageanordnung richten. Eine Überdimensionierung der Linse führt zu unnötigen Gehäuseabmessungen, während eine unzureichende freie Apertur den Strahl abschneiden kann.

Plankonkave vs. plankonvexe Zylinderlinsen

Die beiden Linsentypen lassen sich am besten anhand ihrer optischen Funktion unterscheiden.

Eine plankonkave Zylinderlinse sorgt für negative Zylinderbrechkraft. Es verursacht Divergenz in einer Achse und eignet sich daher für die Strahlaufweitung in einer Achse, die Korrektur des Seitenverhältnisses und die kontrollierte Strahlformung.

Eine plankonvexe Zylinderlinse sorgt für positive Zylinderbrechkraft. Es bündelt Licht in einer Achse und kann aus kollimiertem Eingangslicht einen Linienfokus bilden.

Die Auswahl kann daher mit einer einfachen optischen Frage beginnen:

Benötigt das System eine einachsige Divergenz oder einachsige Konvergenz?

Wenn sich der Strahl in eine Richtung ausdehnen muss, ist eine plankonkave Zylinderlinse der geeignete Ausgangspunkt. Wenn das Ziel darin besteht, eine Achse zu fokussieren oder einen Linienfokus zu erzeugen, ist eine plankonvexe Zylinderlinse im Allgemeinen besser geeignet.

In einigen optischen Baugruppen können beide Typen zusammen verwendet werden. Ein negatives zylindrisches Element kann zunächst eine Achse erweitern oder umformen, während ein positives zylindrisches Element später die Konvergenz steuert. Die Kombination ermöglicht es dem Designer, das Strahlseitenverhältnis und die Fokussierungsgeometrie unabhängiger zu manipulieren, als dies mit einer einzelnen sphärischen Linse möglich wäre.

ECOPTIK für kundenspezifische zylindrische optische Komponenten

ECOPTIK erforscht seit 15 Jahren die Technologie zur Herstellung optischer Komponenten und stellt Präzisionsoptiken her, darunter zylindrische Spiegel, sphärische Linsen, mikrooptische Komponenten, Filter, Prismen, Fenster und andere kundenspezifische optische Elemente.

Für Zylinderlinsenanwendungen bietet ECOPTIK Materialoptionen an, darunter Glas von Schott, CDGM und Corning sowie Saphir, CaF₂, MgF₂, Quarzglas, Si, ZnSe und ZnS. Das Unternehmen bietet auch Linsenmontagedienste für Anwendungen an, bei denen das optische Element in eine größere Baugruppe integriert werden muss.

Zu den Inspektionsmöglichkeiten gehören ZYGO-Laserinterferometer, ZEISS CMM Spectrum und Agilent Cary 7000 UMS, die Dimensions-, Interferometrie- und Spektraltests sowie die Bereitstellung von Produktberichten unterstützen.

Diese Kombination aus Materialauswahl, Herstellung, Inspektion und Montagefähigkeit ist relevant, wenn eine plankonkave Zylinderlinse an eine definierte Wellenlänge, Strahlgeometrie, Toleranz oder integrierte optische Baugruppe angepasst werden muss und nicht als generische Komponente gekauft werden muss.

Auswahl einer plankonkaven Zylinderlinse für das optische System

Der eigentliche Zweck einer plankonkaven Zylinderlinse besteht nicht einfach darin, einen Strahl zu vergrößern. Sein Wert ergibt sich aus der Anwendung negativer optischer Leistung auf eine Achse, während die Kontrolle über die andere Achse erhalten bleibt.

Bei der Auswahl des Objektivs sollten Ingenieure zunächst festlegen, ob das System Divergenz, Strahlaufweitung, Seitenverhältniskorrektur oder eindimensionale Bildmodifikation erfordert. Der nächste Schritt besteht darin, die erforderliche negative Brennweite aus der anfänglichen Strahlgröße, der Zielstrahlgröße, der Ausbreitungsentfernung und der nachgeschalteten optischen Konfiguration zu bestimmen.

Anschließend muss das Material auf die Wellenlänge abgestimmt werden, während Durchmesser, Brennweitentoleranz, Oberflächenqualität und Oberflächengenauigkeit entsprechend der Empfindlichkeit der Anwendung ausgewählt werden sollten.

Wenn man diese Zusammenhänge versteht, stellt sich die Frage: „Wofür wird eine plankonkave Linse verwendet?“ viel nützlicher als eine einfache Definition. Bei der Laserstrahlformung, anamorphotischen Systemen, Bildgebung und optischer Konditionierung ist die richtige plankonkave Zylinderlinse diejenige, deren negative Zylinderbrechkraft und Spezifikationen genau mit der Achse übereinstimmen, die gesteuert werden muss.