Thermischer Fokus Shift bei Hochleistungslaserobjektiven PhotonicNet Workshop A.Walter

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1 Thermischer Fokus Shift bei Hochleistungslaserobjektiven PhotonicNet Workshop A.Walter

2 Gliederung Stand der Technik Aufbau eines F-thetas Angaben der Glashersteller Aktuelles Produktangebot Einflussparameter Testsystem Anzahl optischer Flächen Vergütungen Glassorten (OH-Gehalt) Ausblick A.Walter

3 Stand der Technik steigende Strahlqualität der n mit hoher mittlerer Leistung erhöhte thermisch induzierte Fokusverschiebung in Kollimations-, Strahlführungs- und Bearbeitungsoptiken Komponenten eines F-Theta Objektivs A.Walter

4 Stand der Technik jedes optische Glas besitzt thermische Eigenschaften thermische Änderung der Linse: ψ p = dd dt n 1 α Brechungsindex abhängig von T thermische Materialausdehnung Änderung der optischen Wirkung: Φ = Φ ψ p BK7: Quarzglas: dd dd (10 6 dd dd (10 6 )= 2.4 α (10 6)= 7.1 )= 10 α (10 6)= A.Walter

5 Stand der Technik A.Walter

6 Einflussparameter Strahlqualität Einfluss-Parameter Flächen Anzahl Sauberkeit Rauigkeit Vergütung Material Multi-Component (BK7) Single-Component (Quarz) Sorte OH-Gehalt Sonstige A.Walter

7 Testsystem Faserlaser Kollimator Quarzasphäre f=120mm Testobjekt: Asphären f=200mm aus verschiedenen Materialien und Beschichtungen Kaustik-Messung: Primes Focus Monitor Beamdump A.Walter

8 Testsystem Messungen mit zwei systemen: System 1: - 6kW-Faserlaser - Multi nm - Ø150μm Faser - M² 13 System 2: - 1kW-Faserlaser - Single nm - Ø15μm Faser - M² = 1, A.Walter

9 Anzahl der optischen Flächen S6ASS7420/328: - Asphäre - 1 Linse - Corning7980 0F - Gleiche Vergütung (/328) S4LFT2175/328: - F-Theta-Objektiv - 4 Linsen - Corning7980 0F - Gleiche Vergütung (/328) mit system 2 gemessen A.Walter

10 Anzahl der optischen Flächen Ergebnis: Der Fokusshift der einzelnen Linsen summiert sich nicht auf. mit system 2 gemessen A.Walter

11 Vergütungen Asphärische Fokussierlinsen f=200 (S6ASS742_/xxx) mit 2 verschiedenen Vergütungen x: /xxx Vergütung Verfahren Gemessen bei: /000 Unvergütete Linsen unvergütet 500W, 750W, 1000W /328 /329 MIL-C-48497; R<0,15%; nm; MIL-C-48497; R<0,15%; nm; IP (absorptionsarm) E-Beam (absorptionsarm) 1kW, 2.5kW, 5kW 1kW, 2.5kW, 5kW A.Walter

12 Vergütungen System 1: System 2: Mittelwerte von ΔZ in mm Mittelwerte von ΔZ in mm Leistung 750W 1000W 2500W 5000W Leistung 600W 1000W 000 0,079 0, ,181 0, ,180 0, ,210 0, ,176 0, ,187 0,403 Normierung von ΔZ über Leistungsdichte und Rayleighlänge: Mittelwerte von ΔZ (normiert*1000) Mittelwerte von ΔZ (normiert*1000) Leistung 750W 1000W 2500W 5000W Leistung 600W 1000W ,576 16, , , ,727 10, , , ,771 8, , , A.Walter

13 Vergütungen System 1: System 2: Mittelwerte von ΔZ in mm Mittelwerte von ΔZ in mm Leistung 750W 1000W 2500W 5000W Leistung 600W 1000W 000 0,079 0, ,181 0, ,180 0, ,210 0, ,176 0, ,187 0,403 Mittelwerte von ΔZ (normiert*1000) Mittelwerte von ΔZ (normiert*1000) Leistung 750W 1000W 2500W 5000W Leistung 600W 1000W ,576 16, , , ,727 10, , , ,771 8, , ,917 Aber: Die IP (/328) Vergütung ist unempfindlicher gegenüber größeren Einfallswinkeln und hat deutliche Vorteile bei der Haftung und Robustheit A.Walter

14 Vergütungen /328er-Vergütung (IP): 1064nm /329er-Vergütung (E-Beam): 1064nm A.Walter

15 Glassorten Änderung des Fokus-Shifts für folgende Fokussiersysteme bei Erhöhung der leistung von 100W auf 1000W: System Artikel-Nr. Fokusgrößen -Änderung Fokus- Shift BK7-System S6ASS5090/328 ~ 350% ~ 0,7mm Quarzglas-System S6ASS5080/328 ~ 10% ~ 88 μm Quarzasphäre S6ASS7480/328 ~ 2% ~ 73 μm BK7 um Faktor 8 schlechter als Quarz! BK7: Quarzglas: dd dd (10 6 dd dd ( A.Walter )= 2.4 α (10 6)= 7.1 )= 10 α (10 6)= 0.52

16 Glassorten Asphärische Fokussierlinsen f=200 (S6ASS742y/xxx) aus verschiedenen Materialien y: Nr. Bezeichnung 7420 Corning F Blasen und Einschlüsse n / T in 1/K OH- Gehalt in ppm Andere Verun- Reinigungen 0.03 mm² ppm 7421 Infrasil mm² ,9 ppm 7422 Suprasil mm² ,065 ppm A.Walter

17 Glassorten System 1 (Mittelwerte): System 2 (Mittelwerte): - Je kleiner der Strahl- Ø, desto größer der Fokusshift - Sättigung - Fehlerbalken unnorm. ~0,1mm System 1: ±2,5 System 2: ±13 - OH Gehalt: Corning mit 1000ppm, scheint besser zu sein als Infrasil mit 8ppm A.Walter

18 Fokusdurchmesser System 1 (Mittelwerte): System 2 (Mittelwerte): - Änderung des Durchmessers bei beiden Systemen etwa im gleichen Bereich (2-6%) - Keine eindeutige Aussage möglich, welches Material oder Vergütung am besten ist. - Unvergütete Linsen scheinen Vorteile zu haben (System 1: <1% für 1000W) A.Walter

19 Gläser mit negativen Brechwertänderung Interessante Veröffentlichung: Thermal lensing compensation objective for high power laser Autor: M. Scaggs, G. Haas durch Kombination von Quarzglas und Gläser mit negativem Brechwertänderung (z.b. N-PSK 53A und CaF2) wird der thermische Fokusshift reduziert diese Gläser schwierig zu bearbeiten Quarzglas: N-PSK 53A: CaF2: dd dd (10 6 dd dd (10 6 dd dd (10 6 )= 10 α (10 6 )=0.52 )= -4.3 α (10 6 )=9.6 )= α (10 6 )= A.Walter

20 Ausblick ZIM Forschungsprojekt seit 07/2012 Titel: Entwicklung eines thermisch kompensierten F-theta Objektivs für das Selektive Melting TFOS Kooperationspartner: SLM Solution GmbH Laboratorium Göttingen Heraeus Quarzglas GmbH& Co. KG Sill Optics GmbH& Co. KG Effekte der Near Surface Absorption genauer betrachten A.Walter

21 Thermischer Fokus Shift bei Hochleistungslaserobjektiven Vielen Dank für Ihr Interesse PhotonicNet Workshop A.Walter