Wellenfront-Krümmungs-Sensor – Messung mit hoher Auflösung
Stetig steigende Anforderungen an laserbasierte Produktionsprozesse erfordern eine umfassende Echtzeit-Charakterisierung der eingesetzten Lasersysteme mit hoher räumlicher Auflösung. Gleiches gilt auch für die präzise Vermessung von Aberrationen in optischen Elementen.
Wir vertreiben seit vielen Jahren Wellenfrontsensoren für derartige Aufgaben, wobei wir in Kooperation mit dem Laser-Laboratorium Göttingen (LLG) auch kundenspezifische Lösungen anbieten.
Bisher arbeiteten diese Systeme ausschließlich nach dem Hartmann-Shack-Verfahren, welches den zu analysierenden Strahl mit Hilfe von Mikrolinsen aufteilt. Die genaue Vermessung der Lage der einzelnen Teilstrahlen (= Wellenfrontgradienten) erfolgt mit einer Kamera.
Beim neuen Wellenfront-Krümmungs-Sensor des LLG nimmt eine CCD-Kamera zwei Strahlprofile an benachbarten Positionen in Propagationsrichtung des Strahls auf. Die Verteilung der Wellenfront w(x,y) lässt sich aus diesen beiden Profilen durch Lösung der Intensitäts-Transport-Gleichung rekonstruieren.
Prinzipiell kann die Aufnahme sogar gleichzeitig erfolgen, nämlich durch geeignete Strahlteilung und verzögerte Darstellung des zweiten Profils neben dem ersten. Dieses ist ein geschickter Ansatz, zeigt aber Schwächen in der Verwirklichung. Denn es ist wichtig, dass der Abstand der beiden Aufnahmeebenen an die spezielle Charakteristik des Strahls angepasst werden kann, um eine besonders hohe Genauigkeit zu erzielen. In dem neuen LLG-Aufbau ist deshalb eine variable Verschiebung der Kamera in Strahlrichtung möglich.
Dieser Wellenfront-Krümmungs-Sensor besteht aus einer kleinen motorisierten Verfahreinheit mit einer CCD-Kamera, beides wird über ein Notebook bedient. Der Aufbau ist äußerst kompakt und ermöglicht durch einen USB3.0-Anschluss relativ hohe Datenmengen.
Gegenüber dem Hartmann-Shack-Verfahren besitzt der neue Sensor erhebliche Vorzüge. Zum einen ist die räumliche Auflösung nicht mehr durch die Größe der Mikrolinsen (typischerweise 100 – 300 µm), sondern nur noch durch die Pixelgröße der eingesetzten Kamera begrenzt (< 10 µm). Damit kann die hohe Ortsauflösung interferometrischer Verfahren erreicht werden. Zum anderen ist die Methode selbst-referenzierend, d. h. anders als beim H.-S.-Sensor und auch den meisten Interferometern wird keine externe Referenz-Wellenfront benötigt.
Der Wellenfront-Krümmungs-Sensor vereinigt in sich also die folgenden wesentlichen Vorteile:
- Wellenfront-Diagnostik mit hoher Ortsauflösung
- Selbstreferenzierend
- Geringe Anforderungen an die Kohärenz der untersuchten Strahlung
- Sehr kompakter Aufbau
Wie der Hartmann-Shack-Sensor ermöglicht auch der Wellenfront-Krümmungs-Sensor eine umfassende Laser-Strahlcharakterisierung in Quasi-Echtzeit. Aus der Wellenfront und dem gleichzeitig erfassten Strahlprofil lassen sich nämlich für kohärente Quellen die Strahlkenngrößen wie Durchmesser, Divergenz und M2 gemäß ISO-Standards mit einer Genauigkeit im Prozentbereich ermitteln.
Außerdem erlaubt die Software eine hochaufgelöste Zernike-Analyse von Aberrationen, entweder eines Laserstrahls oder aber von zu charakterisierenden optischen Elementen und Oberflächen.
Anwendungsfelder
- Strahlcharakterisierung (besonders für kleine Strahldurchmesser)
- Optik-Tests (NIR - EUV)
- Oberflächen-Topographie
