Rechner für Laser-Strahlaufweitung

Ein Laser-Strahlaufweiter ist ein afokales optisches System, das den Strahldurchmesser vergrößert und zugleich die Winkeldivergenz verringert. Meist besteht es aus zwei wie in einem Teleskop angeordneten Linsen. Der Aufweitungsfaktor, auch Vergrößerung genannt, ist der Ausgangsstrahldurchmesser geteilt durch den Eingangsstrahldurchmesser. Im idealen System entspricht er auch dem Verhältnis der Brennweitenbeträge der zweiten und ersten Linse. Ein fünffacher Aufweiter macht aus einem Eingangsstrahl von 2 mm einen Ausgangsstrahl von 10 mm. Die Erhaltung der optischen Étendue erklärt die entsprechende Änderung der Divergenz. Vernachlässigt man Aberrationen, Strahlbeschneidung und Beugung an endlichen Aperturen, wird die Winkeldivergenz durch den Aufweitungsfaktor geteilt. Ein Eingangsstrahl mit 1 mrad verlässt einen fünffachen Aufweiter idealerweise mit 0.2 mrad Divergenz. Dieser Zusammenhang ist bei großen Ausbreitungsstrecken, Lidar, Interferometrie, Materialbearbeitung, Justage und Anwendungen mit kleinem Fernfeldfleck nützlich. Dieser Rechner liefert den aufgeweiteten Durchmesser, die ideale Ausgangsdivergenz und den benötigten Brennweitenbetrag der zweiten Linse. Er verwendet den Betrag der ersten Brennweite, sodass dieselbe Rechnung für beide üblichen Bauformen gilt. Ein Kepler-Aufweiter nutzt zwei Sammellinsen mit einem Abstand von ungefähr der Summe ihrer Brennweiten. Er bildet einen internen Fokus, ermöglicht räumliche Filterung und kehrt das Bild um. Ein Galilei-Aufweiter verwendet zuerst eine Zerstreuungslinse und danach eine Sammellinse; ihr Abstand entspricht ungefähr der Differenz der Brennweitenbeträge. Er ist kürzer und hat keinen internen Fokus, was bei hoher Leistung vorteilhaft sein kann. Die praktische Auslegung erfordert mehr als paraxiale Verhältnisse. Freie Linsenaperturen brauchen Reserve über den nominalen Strahldurchmesser hinaus, je nach zulässiger Beschneidung häufig mehrere Strahlradien. Beschichtungen müssen zu Wellenlänge und Leistung passen, Linsenmaterialien der Pulsenergie oder Dauerintensität standhalten. Aberrationen, Eingangskollimation, Linsenabstand, Strahlqualität und Justage beeinflussen die erreichte Divergenz. Das Ergebnis ist daher eine ideale Erstabschätzung, keine vollständige optische Auslegung. Vergleiche damit Aufweitungsoptionen und Brennweitenpaare und prüfe den Entwurf anschließend anhand gaußscher Strahlausbreitung, Aperturen, Zerstörschwellen, mechanischer Toleranzen und gemessener Strahlparameter.