Fasergekoppelt statt freistrahlend

Singlemode-fasergekoppelte Laser als Lichtquelle

Neben der Optimierung von freistrahlenden Linienlasern hat sich Z-Laser mit der Entwicklung eines fasergekoppelten Linienlasers befasst (Produktfamilie ZFSM). In dem neuen Laser wurde die Lichtquelle durch einen optischen Singlemode-Wellenleiter (Faser) ersetzt. Wie Bild 1 zeigt, wird die Laserquelle, die auf die Treiberplatine moniert ist, mit dem Optikkopf durch eine monomodige Faser verbunden. Die Faser, die den Laserstrahl von der Diode zu der Optik leitet, kann etliche Meter lang sein. Der Laserstrahl wird durch ein Linsensystem in die Faser eingekoppelt. Der geringfügig größere Brechungsindex des Faserkerns gegenüber dem Faser-Cladding bewerkstelligt die Führung des Strahls im Faserkern bis zum Ende der Faser. Der Durchmesser des Faserkernes wird so bestimmt, dass nur die sogenannte Fundamental-Mode durch die Faser transportiert wird. Der typische Durchmesser von Faserkernen für sichtbares Laserlicht liegt deutlich unter 10µm, z.B. für 660nm wird ein 4µm-Faserkern mit einer NA von circa 0,1 für die Singlemode-Übertragung verwendet. Wenn man die Fasereigenschaften für die Übertragung der Fundamental-Mode richtig wählt, wird am Austritt ein perfekt kreisförmiges gaußsches Strahlprofil mit einer Strahlqualität bis zu 1,05 erzeugt. Kommerzielle Fasern haben eine typische NA von ca.0,1-0,13, die damit deutlich geringer ist als die NA von typischen Laserdioden. Diese NA ist gültig für alle sichtbaren bis nahinfraroten Wellenlängen. Zum Vergleich zeigt Tabelle 1 die Eigenschaften typischer freistrahlender bzw. fasergekoppelter Laser: Im Vergleich zu freistrahlenden Linienlasern sieht man die großen Vorteile von fasergekoppelten Lasern hinsichtlich der optischen Projektionsqualität. Eine Linienhomogenität von besser als ±10% und einer Liniengeradheit von besser als 0,01% der Linienlänge ist mit dem ZFSM erhältlich. Aktuelle M2-Messung ergeben reproduzierbare Werte von M2=1,06 (Bild 2). Die Koaxialität der Projektionsachse liegt bei ±2mrad ohne zusätzlichen Aufwand für die aktive Ausrichtung der Optiken. Die optischen Eigenschaften der Faserlichtquelle ermöglichen die Projektion von Linien unter 15µm Linienbreite. Dabei werden Beugungsmuster fast vollständig unterbunden (Bild 3). So werden nun auch Mikrolinien für anspruchsvolle Lasertriangulationen möglich, etwa für die Wafer-Inspektion oder für andere Mikrometerstrukturen.

Entkoppelter Optikkopf

Während der freistrahlende Laser ein kompaktes System darstellt, welches die Treiberschaltung, Laserdiode, und die Optik in einem Gehäuse integriert, wird im ZFSM die Laserdiode mit ihrer Treiberelektronik von der Optik entkoppelt. Für viele Anwendungen bietet diese Aufbauweise Vorteile. Typische Beispiele sind Umgebungen mit hohen Temperaturen oder hohen elektromagnetischen Feldern. Die empfindliche Laserdiode mit der Treiberelektronik kann genügend weit entfernt untergebracht werden, sodass nur der Optikkopf den rauen Umweltbedingungen ausgesetzt ist. Je nach den Anforderungen an die optische Projektion kann der Optikkopf sehr klein ausfallen, was neue Anwendungsmöglichkeiten für die Maschineninspektion oder für kleine Anwendungs-Geometrien bietet. Die Treiberelektronik enthält neben den Interfaces umfangreiche Diagnose- und Sicherheitsfunktionen sowie eine Mikrocontroller-basierte Lasersteuerung. Versorgungsspannungen von 5 bis 30V sind möglich und es stehen Erweiterungsoptionen zur Verfügung (TEC, Pulsgeneratoren, zusätzliche Funktionsmodule). Allerdings sind einige Einschränkungen zu beachten. Aufgrund der begrenzten Kopplungseffizienz von Laserdiode in die Faser, die bei circa 50% liegt, kann der ZFSM nicht mit gleich hohen optischen Leistungen wie freistrahlende Laser angeboten werden. Außerdem ist die Ausgangsleistung nach der Faser vom Biegeradius der Faser abhängig. Eine starke Biegung der Faser vergrößert den Leistungsverlust in der Faser, da ein Teil des Strahles durch das Faser-Cladding nach außen transmittiert wird. Für Anwendungen, die eine stabile Ausgangsleistung benötigen, ist eine statische Installation daher notwendig. Aufgrund des Doppelbrechungseffektes von konventionellen Fasern sowie einer Abhängigkeit der Polarität des Ausgangslichtes von mechanischen Vibrationen ist für Applikationen, die eine sehr stabile Polarität benötigenden, der Einsatz von polarisationserhaltenden Fasern notwendig.

Fazit

Durch den Einsatz fasergekoppelter Singlemode-Laserdioden in der industriellen Bildverarbeitung lassen sich die optischen Projektionseigenschaften erheblich verbessern, und somit die Grundlage für eine höhere Projektionsqualität in vielen Anwendungsbereichen bereitstellen. Mit dem ZFSM-Laser wird eine Produktfamilie vorgestellt, die dank der zur Verfügung stehenden Auswahl an Wellenlängen und Optiken viele Kombinationsmöglichkeiten bietet und somit vielfältige Anwendungsperspektiven eröffnet – nicht nur als Linienlaser, sondern auch als Strahlquelle für allgemeine Inspektionsaufgaben, die eine strukturierte Beleuchtung benötigen. Aufgrund seiner optimierten Strahlqualität eignet sich der Laser auch für weitere messtechnische Anwendungen, wie etwa in der Gas- und Partikelanalyse, Maschineninspektion, Mikrostrukturanalyse, interferometrischen Messtechnik, sowie für biomedizinische Geräte.

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Z-Laser Optoelektronik GmbH
www.z-laser.com

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