Das Design des Strahlaufweiters oder -reduzierers ist für die Anwendung nicht immer wichtig, aber die Wahl kann durch Faktoren wie die einfachere Ausrichtung und das intuitivere Design der Kepler-Geräte und die kompakten Abmessungen der Galileischen Geräte beeinflusst werden. Darüber hinaus fokussiert ein Kepler-Gerät das Licht zwischen seinen beiden Linsen und gibt dann einen invertierten Strahl aus. Ein Galileisches Gerät behält die Ausrichtung des Strahls bei und bietet die Möglichkeit, Linsen auszuwählen, um die sphärische Aberration im Ausgangsstrahl zu reduzieren.
Strahlaufweiter und -reduzierer werden normalerweise nur mit kollimierten Strahlen verwendet, nicht mit divergierenden Strahlen. Diese Konstruktionen sind von Kepler- und Galilei-Teleskopen inspiriert. Die in beiden Fällen erzielte Vergrößerung entspricht der Brennweite der Ausgangslinse geteilt durch die Brennweite der Eingangslinse.
Merkmale des Kepler-Designs
Im einfachsten Kepler-Design sind zwei Sammellinsen durch einen Abstand getrennt, der der Summe ihrer Brennweiten entspricht. Ein auf dem Kepler-Teleskop basierendes Design wird nie kürzer sein als die Summe der Brennweiten der beiden Linsen, und der Ausgangsstrahl ist in Bezug auf den Eingangsstrahl umgekehrt.
Der Strahl wird zwischen den beiden Linsen gebündelt. Dies bietet die Möglichkeit, den Strahl räumlich zu filtern. Beispielsweise könnte ein Lochfilter im Brennpunkt des Strahls platziert werden, um die Strahlqualität zu verbessern. Abseits des Brennpunkts vergrößert sich der Strahldurchmesser, wenn er sich der Ausgangslinse nähert. Um den Durchmesser des kollimierten Strahls zu vergrößern, der von der Ausgangslinse erzeugt wird, ist es notwendig, die Ausgangslinse weiter vom Brennpunkt weg zu bewegen. Da der Abstand zwischen dem Fokus und der Ausgangslinse der Brennweite entspricht, muss dazu eine Linse mit einer längeren Brennweite verwendet werden.
Das Kepler-Design ist normalerweise nicht für hochenergetische Strahlen geeignet, wie z. B. gepulste Hochleistungslaserstrahlen, die bei einigen Schneid- und anderen Fertigungsanwendungen verwendet werden. Fokussierte Impulse mit einer Dauer von Nanosekunden und optischen Leistungen um ~1 MW oder mehr können beispielsweise die Luft ionisieren und einen Funken erzeugen, der die Leistung des Impulses unerwünscht reduziert und die Strahlqualität negativ beeinflussen kann.
Merkmale des Galilei-Designs
Ein einfaches Galilei-Teleskop enthält ebenfalls zwei Linsen, allerdings ist eine negativ und die andere positiv. Die Linsen sind so angeordnet, dass der Abstand zwischen ihnen der Differenz ihrer Brennweiten entspricht, was zu einem kompakteren Design als beim Kepler-Ansatz führt.
Der Galilei-Ansatz kann auch verwendet werden, um die durch den Strahlaufweiter oder -reduzierer verursachte sphärische Aberration zu minimieren. Alle sphärischen Linsen führen zu sphärischer Aberration, und eine Folge davon ist die Ausbreitung des Strahlfokus entlang der optischen Achse. Bei einer positiven sphärischen Linse fokussieren parallele Strahlen, die näher am äußeren Rand der Linse einfallen, auf einen Punkt auf der optischen Achse, der näher an der Linse liegt, verglichen mit parallelen Strahlen, die nahe der Linsenmitte einfallen. Da eine negative sphärische Linse den entgegengesetzten Effekt hat, kann die negative Linse im Galilei-Design verwendet werden, um einen Teil der sphärischen Aberration auszugleichen, die durch die positive Linse verursacht wird.
Wenn das Gerät als Strahlaufweiter verwendet wird, trifft der Strahl mit dem kleineren Durchmesser auf die negative Linse. Der von der negativen Linse erzeugte divergierende Strahl vergrößert seinen Durchmesser, wenn er sich der positiven Linse nähert, anstatt zwischen den beiden Linsen fokussiert zu werden. Dieser divergierende Strahl kann als ein Strahl beschrieben werden, der einen virtuellen Fokus besitzt, der sich auf der gegenüberliegenden Seite der negativen Linse befindet, wie in Abbildung 2 dargestellt. Da die positive Linse eine Brennweite hat (f2) von diesem virtuellen Fokus entfernt gibt die Sammellinse einen kollimierten Strahl aus, der im Vergleich zum Eingangsstrahl nicht invertiert ist. Wenn der Strahl nicht rotationssymmetrisch ist, kann die Ausgangsausrichtung des Strahls für die Anwendung wichtig sein.
Expansionsverhältnis
Strahlaufweiter und -reduzierer sind so ausgelegt, dass sie kollimierte Strahlen aufnehmen und bereitstellen. Obwohl die Strahlen kollimiert sind, ändern sich ihre Durchmesser während der Ausbreitung aufgrund von Beugungseffekten. Idealerweise ist die Taille des Eingangsstrahls eine Brennweite von der Eingangslinse entfernt, wie in den Abbildungen 1 und 2 gezeigt. Die Taille des Ausgangsstrahls ist dann eine Brennweite von der Ausgangslinse entfernt. Wenn die Taille des Eingangsstrahls nicht eine Brennweite von der Eingangslinse entfernt ist, stimmen die Position der Taille des Ausgangsstrahls, der Durchmesser der Taille des Ausgangsstrahls und/oder die Divergenz des Ausgangsstrahls möglicherweise nicht mit den geschätzten Werten überein.
Sowohl der Taillendurchmesser des Strahls (2Wo) und Divergenzwinkel (θ) werden durch Strahlaufweiter und -reduzierer beeinflusst. Die Änderung dieser beiden Strahlparameter kann mithilfe des Strahlaufweitungsverhältnisses des Geräts (m). Der Durchmesser der Taille des Ausgangsstrahls wird durch Multiplikation des Strahlaufweitungsverhältnisses mit dem Durchmesser des Eingangsstrahls berechnet. Der Divergenzwinkel des Ausgangsstrahls wird berechnet, indem der Divergenzwinkel des Eingangsstrahls durch das Strahlaufweitungsverhältnis geteilt wird.
Wenn das Gerät zwei Linsen enthält, ist die Formel zur Berechnung des Strahlaufweitungsverhältnisses für Kepler- und Galilei-Designs dieselbe. Das Strahlaufweitungsverhältnis entspricht der Brennweite der Ausgangslinse geteilt durch die Brennweite der Eingangslinse.