Funktionsweise Kollimator

[MarekF]

Hallo Forum,

ich habe mich hier Angmeldet, weil ich auf euer Fachwissen hoffe. Ich fange gerade an mich mit dem Thema Laser zu beschäftigen und stehe etwas auf dem Schlauch. Und je mehr ich lese, desto schlimmer wird es.

Nehmen wir mal an, ich will das Strahlprofil einer Multimode Laserdiode verbessern. Dann scheint die übliche Vorgehensweise eine Kombination aus Kollimatorlinse und anamorphen Prismenpaar zu sein.

Das Prismenpaar streckt vereinfacht gesagt die kurze Seite des rechteckigen Strahlprofils, so dass man ehr einen quadratischen oder besser noch, runden Strahl erreicht. In einer idealen Welt würden parallele Strahlen auf das Prismenpaar treffen und dieses auch wieder verlassen, so dass sich an der Größe des Strahls nichts mehr ändert. Er wird nur gleichmäßiger geformt. Also muss man den Strahl schon vorher verkleinern.

Da sollte jetzt der Kollimator ins Spiel kommen und bei mir setzt es aus. Das Beispielbild auf Wikipedia zu Kollimator zeigt eine Lichtquelle, deren Strahlen parallel gerichtet werden. Also genau falsch herum für einen Laser. Na macht nichts, drehen wir die Linse eben um. Parallele Strahlen laufen ein und werden auf einen Punkt fokusiert. der Abstand dieses Fokus sollte der Brennweite entsprechen. Dann müsste ich aber auch nach der doppelten Brennweite wieder einen gleichgroßen Strahl haben und ab dort wird er nur noch größer, oder?

irgendwo hatte ich mal gelesen, dass man ein fertiges Modul mit Kollimator und Prismen einstellt, indem man am Kollimator dreht, bis man in 10 Metern Entfernung einen schönen Punkt erhält. Aber dann müsste die Brennweite doch riesig sein. Und wenn sie das ist, sehe ich nicht was es bringen soll den Kollimator ein paar Millimeter vor oder zurück zu schieben. Die Diode liefert auf dem kurzen Stück ja quasi parallele Strahlen. Da müsste die Position der Linse dazu im Vergleich doch egal sein?

Also, wo liegt mein Denkfehler? Die einzige Lösung, die ich mir vorstellen kann wäre ein Linsensystem, bei dem die Strahlen am Austritt wider gleichgerichtet werden. Aber es gibt auch Kollimatoren mit nur einer Linse, dass kann doch nicht sein.

Gruß und Danke
Marek

[Death]

Moin Marek,

schau auch mal hier rein

https://www.edmundoptics.de/knowledge-c ... expanders/

[VDX]

Hi Marek,

eventuell verwechselst du die Funktion eines Kollimators mit einer Fokussierlinse?

Der Kollimator soll ja nicht fokussieren, sondern den Strahl parallel ausrichten, damit er ggf. durch weitere optische Komponenten, z.B. Prismenpaare zur Strahlformung "hindurchgefädelt" werden kann ... oder auch, um ihn für verschiedene andere Anwendungen nutzen zu können.

Weil bei den Diodenmodulen mit den Kollimatoren durch "verstellen" auch gleich fokussiert wird, sieht das hier anders aus - deswegen evtl. ein (verständliches) Mißverständnis?

Einen weiteren "mißverständlichen" Punkt habe ich da auch noch herausgelesen - für einen besseren Fokus oder besseres Strahlprofil (geringere Divergenz) wird der Strahl vor der Fokussierlinse nach Möglichkeit aufgeweitet - beim Fokussieren wird der Spot danach kleiner/feiner oder mit einem Teleskop (Beamexpander/Beamreducer) zum gewünschten Durchmesser aufgeweitet oder reduziert ... aber auch mit kleinerer/kürzerer Schärfentiefe (auch "fälschlicherweise" als Tiefenschärfe bezeichnet).

Viktor

[MarekF]

Ok, jetzt hast du mich abgehangen. Also der Kollimator soll den Strahl parallel ausrichten. Wozu, außer um die Divergenz etwas zu verbessern? Der Laser ist doch schon eine Quelle paralleler Strahlung. Macht das auf den kurzen Stück hinter der Diode wirklich so eine Verbesserung aus? Er soll nicht fokusieren, tut es aber trotzdem. Dann bin ich doch wieder bei dem Problem, dass bei den geringen Brennweiten mit denen Kollimatoren angegeben sind, der Strahl sehr schnell deutlich größer werden müsste hinter dem Brennpunkt.

[VDX]

... eine Laserdiode gibt standardmäßig keinen parallelen, sondern einen kegeligen Strahl aus ... der Öffnungswinkel unterscheidet sich auch in den beiden Hauptrichtungen, welche "fast" und "slow" axis genannt werden - mit einem einfachen "fokussierenden" Kollimator, wie er in den Lasergravierern drin ist, wird dieser "fast+slow"-Kegelstrahl wieder auf einen Spot fokussiert, der nur weil er so klein ist, halbwegs rund ausschaut ... wenn genau hingeschaut, ist er da schon ein "Balken", was bei Aufweitung dann schon sehr deutlich zu sehen ist.

"Gute" Laserdioden-Kollimierer sind meist aus zwei unterschiedlichen Zylinder-Linsen aufgebaut, die nacheinander einmal die "fast" und danach die "slow"-Achsen parallel ausrichten ... was auch geht, ist das Kollimieren (parallelisieren) mit Linsen, was einen elliptischen Strahl ergibt, welcher dann mit zwei Prismen in der "breiten" Achse zusammengestaucht oder in der "schmalen" Achse aufgeweitet wird, damit der Strahl dann wieder halbwegs symmetrisch wird ...

Viktor

[MarekF]

Hmm verstehe, zum Teil. Dann müsste das parallel Ausrichten aber so passieren, dass der Strahl nachher kleiner ist. Wenn der Strahl fokusiert würde, dann hätte man ja wieder das Problem, dass er sich nach der Brennweite schnell vergrößert.

Wie sieht sowas denn in der Praxis aus? Mal angenommen, Laserdiode X erzeugt einen Strahl der Größer ist als meine Galvo Spiegel. Dann nimmt man einen Kollimator, der macht den Strahldurchmesser kleiner, jagt das Ganze durch ein Prismenpar, damit es runder wird und zum Schluss alles wieder auf den Galvo. Dann muss der Fokuspunkt doch eigentlich sehr weit weg liegen, damit der Strahl sich nicht zu früh weitet, oder?

[VDX]

... um die Divergenz (Aufweiten des Strahls mit der Entfernung) zu reduzieren, ist ein breiterer Strahl besser - hier wird dann ein passender Kompromiß gesucht.

Bei den Galvos für die Materialbearbeitung mit Fokussierung in ein paar Zehn Zentimetern auf einen Spot von ein paar Zehn Mikrometer wird deswegen ein möglichts breiter Strahl verwendet - typisch bis 10 oder 12mm ... dementsprechend groß müssen dann auch die Spiegel sein ... und wegen der hohen Spiegel-Masse dann auch die Galvos ... so ein Galvokopf kostet so um 1k€ oder mehr.

Für Lasershows mit einem "parallelen" Strahl sieht das wieder anders aus - hier wird eben der vorher erwähnte "passende Kompromiß" gesucht, mit möglichst kleiner Divergenz bei einem nicht zu breiten Strahl (mit dann auch kleineren Spiegeln und günstigeren Galvos). Her wird mit dem Kollimator auch kein "perfekt paralleler Strahl" einjustiert, sondern typisch ein Fokusabstand von bis ein paar zehn Metern, was im jeweiligen Anwendungsbereich wie ein "paralleler" Strahl ausschaut.

Auch ist ein zu enger Strahl bei Lasershows nicht immer gewünscht, weil damit auch die Gefährdung eventueller Zuschauer vermieden werden soll - je höher die Laser-Energie bzw. "Energiedichte", umso schwieriger wird eine Genehmigung bzw. ein "Sicherheits-Zertifikat" ...

Viktor