Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

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Termite
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Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

Beitrag von Termite » Sa 02 Nov, 2013 12:44 pm

Hallo zusammen,

Kurze Vorstellung:
Ich bin 36, aus BW, Informatiker, Grundlagen der Elektronik / Mechanik aus der Ausbildung vorhanden.
Laser interessiert mich aktuell nur technischer Sicht um ein Bearbeitungsproblem zu lösen. Aktuell bin ich am überlegen, Leiterplatten mittels UV - Laser zu belichten, so wie die Leute das hier vorhaben bzw. Paul aus dem Labor.

Nun zu meinem Problem.

Ich vermute, das die F Theta Optik die in der Scannereineheit eines Laserdurckers verbaut sind nicht umbedingt für blaue Laser von 405 bzw. 445nm geeignet sind. Bzw, das die Opktik mit den Strahleigenschaften dieser Laserdioden Probleme bereiten wird. Daher war meine Überlegung die ganzen Linsen weg zu lassen. Dadurch wird der Fokuspunkt auf einer Kreisbahn über / unter /durch die zu belichtende Leiterplatte wandern. Bei mir würde sich ein Längenunterschied von ca 10 mm ergeben. (vom aussenbereich zum innenbereich).
Beim einlesen in die Laseroptik bin ich auf die WIKI Seite des Gausß Strahl gestoßen. Hier wird ja beschrieben, das die Strahltaille sowie die Schärfentiefe von der Wellenlänge und der Brennweite abhängig ist. Bzw. in dem NewPort Dokument Seite 485.

Nehmen wir mal an, ein Laserstrahl mit 1,5mm Durchmesser, und eine Linse mit einer Brennweite von 150mm. Kann es sein, das sich dann eine Strahltaille von 25um ergibt und eine Schärfentiefe von ca 10 mm? Anders ausgedrückt in einem bereich von 10mm ändert sich die Strahltalie nur von 35um auf 25um und wieder zurück?

Gelten die oben genannten Formeln nur für TEM00 Laser oder kann man die auch auf eine blauen Laser aus einer Laserdiode anwenden?

Ich weiß, daß die Strahleigenschaften blauer Laserdioden recht mies sind (um nicht zu sagen katastrophal). Die 1,5mm Strahlbreite sind nach dem Kollimator nicht zu schaffen. Kann man hier ggf ein Teleskop verwenden um den Strahl nach dem Kollimator auf die gewünschte breite zu trimmen?

gruss Michael

undineSpektrum
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Re: Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

Beitrag von undineSpektrum » Sa 28 Dez, 2013 1:45 am

Hallo,

richtig ist grundsätzlich, daß die Formeln für den Gaußstrahl exakt im physikalischen Sinne nur für ein idealen Gaußstrahl ( Laserstrahl mit TEM 00 - Mode ) gelten, aber die Formeln lassen sich auch auf Moden höherer Ordnung oder Mischmoden unter der Berücksichtigung von Korrekturfaktoren anwenden.
In der Praxis ist dieser ideale Gaußstrahl am besten von einem He-Ne-Laser bei 632,8 nm Wellenlänge im TEM 00 bei Leistungen von wenigen Milliwatt realiserbar. Die Strahlqualität eines Lasers einer Laserdiode bezieht sich immer darauf, wie nahe ein Laserstrahlprofil diesem Idealfall des Gaußstrahls bei der bekannten Wellenlänge kommt. (Strahlqualitätszahl) Bei vielen Laserdioden ergeben sich aus unterschiedlichen Gründen erheblich Abweichungen.
Du hast im Prinzip die richtige Theorie für die Abschätzung des Fokusdurchmessers und der Fokuslänge / Schärfentiefe gefunden und benutzt.
Ohne nachgerechnet zu haben hören sich Deine Werte für einen Laserstrahl bei 445 nm Wellenlänge bei der Fokussierung durch Deine Linse mit f=150mm realistisch an.
Ja, Du kannst Deinen Strahldurchmesser mit einem Teleskop "trimmen", d.h. also auf einen erforderlichen Wert einstellen. Das Verhältnis der Brennweite von Feldlinse zur Brennweite der Okularlinse bestimmt dabei den Vergrößerungsfaktor der Strahltaille vor dem Teleskopokular.

Bei der Verwendung / Fokussierung der Strahlung von Laserdioden mußt Du beachten, daß das Strahlprofil nicht gleichmäßig rund, sondern oval / elliptisch / rechteckig o.ä. sein kann und die Abbildung / Kollimation mit einer gewöhnlichen Linse nicht das erwartete Ergebnis bringt.
Eine genaue Kollimation / Fokussierung der Strahlprofils / der Strahltaille geht leider nur mit einem Anamorphoten.
Manchmal enthält die Laserdiode / das Diodenmodul allerdings diese Optik bereits ... ggf. beim Hersteller anfragen / Datenblatt studieren oder einfach ausprobieren wie der Strahlquerschnitt aussieht...

Grüße und viel Erfolg,

Undine

Termite
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Re: Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

Beitrag von Termite » Mo 06 Jan, 2014 1:29 pm

Danke für die Antwort.

Das die Laserdioden sich horizontal und vertikal anders verhalten ist mir bekannt.
Dann werde ich mal überlegen was meine nächsten schritte sein werden. Und schauen wo die nächsten Probleme auftauchen.

Gruss Michael

ps. Ich hatte die Hoffnung schon aufgegeben überhaupt auf das Thema eine Antwort zu bekommen.

Termite
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Re: Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

Beitrag von Termite » Do 09 Jan, 2014 7:26 pm

Nabend zusammen.

Die Brennweite definiert ja den winkel der fokusierung.
Ich kann Brennweite hier auch durch Fokuswinkel ersetzen. Bzw die Breite des Strahls der auf eine Linse trifft.
Wenn ich mir das jetzt richtig zusammenreime dann ergibt sich jetzt daraus folgendes.

Je grösser die Brennweite um so grösser die Strahltaile und so grösser die Tiefenschärfe.
Je kleiner die Brennweite um so kleiner die Strahltaile und so kleiner die Tiefenschärfe.

Was jetzt bei einem elliptischen Strahlprofiel dazu führt, das sich Ausrichtung von vertikal auf horizontal ändert. Soweit komm ich ja noch mit.

Was ich jetzt nicht ganz kapiere, was passiert, wenn die Strahltaile grösser wird als der auf die Linse auftreffende Strahl. Wenn die Brennweite so gross ist, das die Strahltaile gösser als der uhrsprungs Strahl wird.

Gruss Michael

undineSpektrum
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Re: Berechnung Schärfentiefe bzw Strahltaille

Beitrag von undineSpektrum » Fr 10 Jan, 2014 1:08 am

Hallo,

was ich nicht ganz verstehe: Wo ist da Dein Problem ... ?

Ok, Gaußstrahl und Transformation des Gaußstrahls, das hast Du qualitativ hier richtig wiedergegeben...

Wie bereits geschrieben kannst Du z.B. mit einem Teleskop die Größe der Strahltaille verändern - also verkleinern ( das ist der meistens relevante Fall einer Fokussierung in einem Bearbeitungskopf ) oder aber auch vergrößern... dafür werden große Brennweiten benutzt - ist qualitativ wie in der geometrischen Optik - das ist dann ( salopp gesagt ) der Fall des Parallellichtbündels mit großer Fernwirkung wie bei einem Linsenscheinwerfer.

Der Unterschied ist nur, daß ein paralleles Lichtbündel in der Theorie des Gaußstrahls nicht möglich ist, sondern nur eine Transformation in einen Gaußstrahl der dem parallelen Lichtbündel sehr ähnlich ist. -> Große Strahltaille, kleiner Divergenzwinkel... erzeugt aus einem Gaußstrahl mit kleinerer Strahltaille und größerem Divergenzwinkel... denn bei der Transformation ( Veränderung ) des Gaußbündels eines Laserstrahls bleibt das Strahlparameterprodukt ( Produkt aus Divergenzwinkel und Strahltaillenradius ) immer konstant... Theta[1]*w[0,1]=Theta[2]*w[0,2] ...

Beantwortet das Deine Frage? :)

Grüße,

Undine

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