Laserablation mit Diodenlasern

[Sky and Sand]

Die Idee wäre dann am Eingang z.B. 100x 10Watt-Dioden mit 0.1mm Faser einzukoppeln und am Ende die übertragene Gesamtleistung aus einem insgesamt nur 0.1mm dicken Faserbündel rauszuholen ...

Das wird nicht funktionieren. Wenn eine Faser sich über ihre Länge in ihrem Durchmesser verjüngt, verändert sich der Winkel bei der totalreflexion bei jeder Brechung. Irgendwann wird deine Strahlung aufgrund zu großer Winkel aus der Faser ins Cladding entweichen. Wenn du was findest was die Strahldichte erhöht, dann hast dus geschafft

Man sieht übrigends schon sehr gut das es nicht klappt wenn man es auf ein Blatt Papier zeichnet. Was ähnliches hatten wir mal in ner Vorlesung, blos da wars ein trichterförmiger Spiegel.

[VDX]

... hmmm ... bei homogenen Fasern sehe ich das ein

Bei meinen Taper-Mustern kann ich ein eingestrahltes Bild von einem Ende zum anderen fast ohne Verluste übertragen und wenn ich beim dicken Ende einstrahle, habe ich am dünnen Ende eine etwas höhere Lichtichte als andersrum, allerdings habe ich das mit Umgebungslicht/LED's probiert und habe auch kein Intensitätsmeßgerät da ...

Hat jemand evtl. Erfahrung mit sowas bei getaperten GRIN-Fasern mit negativem Brechnungsindex?

Viktor

[Sky and Sand]

GRIN Fasern mit negativem Brechungsindex?

GRIN ist klar, aber wieso negativer Brechungsindex?

[VDX]

... das habe ich mir irgendwie so überlegt - die normalen GRIN-Fasern sind so aufgebaut, daß die Beugung zur Mitte hin erfolgt - damit tritt ein Strahl beim Verjüngen/tapern der Faser immer etwas steiler aus dem Kern aus, als er eingetreten ist, so daß er irgendwann quer aus der Faser entweichen kann ...

Wenn ich jetz einen umgekehrten Aufbau hätte, der den Strahl eher in den Randbereich ablenkt, wo er immer den gleichen Reflektionswinkel erfährt, wie er eingetreten ist, durch den Gradienten aber wieder Richtung Rand gebeugt wird ... sollte das doch eigentlich dazu führen, daß die Energie durch Beugung vom Kern weg und Totalreflektion am äußeren Rand in der Randzone geführt wird und der Reflektionswinkel nicht so groß wird, das der Strahl entweichen kann ...

Was auch noch möglich wäre: eine Abfolge von GRIN-Fasern mit unterschiedlichem Brechungsindex - getaperte N-GRIN zum Verjüngen des Strahls und dann ein Stück P-GRIN zum Harmonisieren ... mehrfache Abfolge bis zum gewünschten Austrittsdurchmesser ...

Viktor

[Sky and Sand]

Hmm das zweifle ich mal stark an das das möglich ist. Simulier doch mal in ZEMAX, dann siehst du eigentlich sehr schnell obs geht oder eben nicht. Vor allem muss man schauen ob sowas überhaupt herstellbar ist.

[VDX]

... hab kein "ZEMAX" ... kenne es noch nicht mal

Könnte evtl. jemand, der Zugang zu einen entsprechenden Simulator hat, die Idee mal austesten?

Die Herstellung der N-GRIN-Faser sollte eigentlich analog zur normalen möglich sein ... nur werden die aufwachsenden Schichten von Innen nach Außen optisch dichter ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Die Idee wäre dann am Eingang z.B. 100x 10Watt-Dioden mit 0.1mm Faser einzukoppeln und am Ende die übertragene Gesamtleistung aus einem insgesamt nur 0.1mm dicken Faserbündel rauszuholen ...

Dazu hab ich nun lange überlegt, und mir fällt dazu folgendes ein:
Zitat:
Die Brillanz enthält das Produkt aus Ort und Impuls und das Produkt aus Zeit und Frequenz, die beide jeweils wegen der heisenbergschen Unschärferelation nicht beliebig klein werden können.
und:
Intensität und Divergenz einer Strahlung lassen sich durch Optik verändern. Der Satz von Liouville sagt aus, dass sich die Brillanz einer Quelle nicht durch Optik steigern lässt, weiterhin ist die Frequenz unveränderlich (geändert, die Quelle schreibt (meiner Meinung nach falsch) "Wellenlänge unveränderlich" - Das widerspricht der Dispersion und den Brechungsgesetzen...und die Energie eines Photons - als wohl unveränderlicher Größe ist E=h*Frequenz)

Aus:
http://de.wikipedia.org/wiki/Brillanz
http://de.wikipedia.org/wiki/Satz_von_L ... e_(Physik)
http://de.wikipedia.org/wiki/Etendue - (Lichtleitwert)
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlparameterprodukt
http://de.wikipedia.org/wiki/Strahlpropagationsfaktor

Das bestimmt auch, wie weit man eine Diode fokussieren kann...und weshalb die Ablation so gut mit einem Nd-YAG-Laser funktioniert (hohe Brillanz und kleines Strahlparameterprodukt) und mit Dioden (niedrige Brillanz und großes Strahlparameterprodukt) nicht.
Danach sollte das auch nicht klappen mit der Bündelung von 100 Fasern mit x Querschnitt in eine Faser mit auch x Querschnitt. Da passt dann gut das anschauliche Beispiel von S&S...mit dem Spiegeltrichter...

Zum negativen Brechungsindex kennt man ja Metamaterialien, aber praktisch ist das erst im Mikrowellenbereich erfolgreich gelungen, jedenfalls noch nicht im sichtbaren optischen Bereich...so weit ich weis...
http://de.wikipedia.org/wiki/Metamaterial

Dazu könnte ich mir aber eine Platte aus so einem Metamaterial vorstellen...zur "Bündelung 100 auf 1"...aber überlege noch, ob das nicht auch den oben zitierten Gesetzen widerspricht....und ob nicht einfach durch die Fokussierung von mehreren Dioden auf einen Punkt die Brillanz zur Ablation/Plasmadurchbruch erreicht werden kann und wenn ja - mit wievielen mit welcher Leistung/ bzw. Energie...

(WITZ: Alle Laser der Feaks beim Treffen auf einen Punkt - und "PAFF" - ein Schwarzes Loch..."FLUPP" - Erde weg!!!..... )

Was fällt euch noch ein?

[VDX]

... mir ist klar, daß durch den Verlust der Kohärenz die maximal mögliche Energiedichte beschränkt ist ... im Prinzip werden die vorher noch halbwegs kohärenten Strahlen durch die Mehrfachbeugung/Reflexion immer mehr chaotisiert und zerstreut.

Ich kann mich noch an eine Lösung zum 'um die Ecke führen' von X-rays erinnern (ähnlich zu dem Satelliten-Röntgenteleskop mit den Mehrfach-Streifspiegeln), wobei Röntgenlicht in ein Bündel von innen verspiegelten Hohlfasern eingekoppelt wurde und durch die Bragg-Reflektion durch die Hohlleiter wie Licht in einer Glasfaser geführt werden konnte ... auch um weite Kurven herum ...

Eigentlich stelle ich mir sowas ähnliches mit dem Laserstrahl vor, wobei der Strahl nur noch in einem Randbereich der Faser geführt wird, der sein Reflektionsverhalten auch bei Querschnittsänderungen beibehält ... außer daß der Ringdurchmesser langsam abnimmt

Die Frage ist eher, bis wohin kann so ein System optimiert werden?

Viktor

[Sky and Sand]

Wenn du aber den Querschnitt abnehmen lässt, so verändert sich aber bei jeder Reflektion der Winkel mit dem die Strahlung an den Faserrand trifft. Irgendwann trifft er eben so steil auf das er nicht mehr totalreflektiert wird. Wie Ulli schon sagte, Brillanz, oder auch Strahldichte lässt sich nicht beliebig steigern.

[Dr.Ulli]

Brillanz, oder auch Strahldichte lässt sich nicht beliebig steigern.

Sie lässt sich GARNICHT steigern! Das ist wie mit der Energieerhaltung - mehr gibts einfach nicht - nur Umwandlung oder Verlust...

Mit "Strahldichte" meintest du aber wohl eher Strahlqualität...oder?...

[Sky and Sand]

Strahldichte ist doch das selbe wie Brillanz.
Polkopplung erhöht die Brillanz (beispiel).

[VDX]

... mit 'Taper' und 'bildübertragendes Faserbündel' meine ich sowas wie im Anhang - das ist ein Bündel aus 1500 Glasfasern, die an einem Ende gleichmäßig verjüngt sind ... ich habe noch eins, das gleichzeitig mit dem Tapern noch einen Biegung um 45° macht

Beim Rumspielen damit kann ich sehen, daß beim Tapern die hindurchgeführt Gesamthelligkeit abnimmt, die "Helligkeit pro Fläche" aber zuzunehmen scheint - deswegen auch meine Frage, ob ich mit mehreren leicht verjüngten Fasern eine Art Spleiß-Einkopplung hinbekommen kann ...

Viktor

[Sky and Sand]

Interessante Bilder.
Ich überleg mal, aber heut nicht mehr "Brain Overload"

Bei den Teilen wird die Strahlung wirklich in der Mitte zurückgebogen? Also Inverse Gradientenindexfaser?
Gibts die Teile zu kaufen oder ist das eine Art Prototyp?

[andythemechanic]

DIe Teile kann man kaufen, das nennt sich Bildleitfaser oder ähnlich. Diese Fasern werden vor allem in der Medizintechnik eingesetzt z.B. in Endoskopen. Allerdings passiert in solchen Fasern genau das, was hier angesprochen wurde. Wenn man sie immer dünner macht geht irgendwann Licht verloren, da es nicht mehr totalreflektiert wird. Dieses Licht würde die Abbildung stören da es in Fasern gelangt wo es nicht hingehört. Deswegen macht man zwischen die eigentlichen Bildleitfasern absorbierende Schichten.

Grüße
Andreas

[VDX]

... das ist ein Bündel aus 1500 'normalen' Glasfasern (jeweils mit einem extrem dünnen schwarzen Mantel als Isolation zwischen den Faser) als Rohling für das Ziehen von Bildfasern für Fiberscope - diese werden dann verjüngt, bis der Gesamtdurchmesser auf 0.2mm runterkommt ... die Einzelfaser hat dann nur noch einen Durchmesser von 3 Mikrometern.

(Ich habe noch ein paar fertiggezogene 300mm lange Segmente mit 0.5mm Durchmesser bzw. mit 1.5mm Durchmesser und 10.000 Einzelfasern aus der Fiberskop-Fertigung)

Dieser Taper wurde quasi nach Beginn der ersten Verjüngung aus dem Ziehprozess rausgeholt, wobei ein Ende schon dünner ist, das andere aber noch im Originalzustand.

Da bei normalen Glasfasern die beschriebene Reflektionswinkelerhöhung 'zuschlägt', habe ich ja gefragt, wie das bei einer GRIN-Faser mit negativem Brechungsindex aussehen würde, bei der der Lichtstrahl nur noch im Kernmantel geführt würde und nicht mehr durch die Mitte ginge ...

Viktor

[andythemechanic]

wie das bei einer GRIN-Faser mit negativem Brechungsindex aussehen würde,
Viktor

Das Proble mit negativem Brechungsindex ist, dass man ihn nur im Doppelpack mit extremer Absorbtion und Dispersion kriegt. Wenn du in deiner Faser also den Brechungsindex negativ machst ist das Licht nach wenigen Mikrometern weg.

Andreas

[VDX]

Hi Andreas,

hast du dafür genauere Infos?

Ich hatte mir was mit einer Totalreflexion an der Faser-Außenseite und einem etwas dichteren Gradienten im Faserkern vorgestellt ...

Viktor

[Dr.Ulli]

Feine Teile VDX!
hast du schonmal gemessen wieviel % noch rauskommt, je nachdem auf welcher Seite man einkoppelt?
Wenn man die Bilder anschaut scheint von dick auf dünn doch ne Menge Verlust zu sein...(falls man das überhaupt über die Bilder beurteilen kann).

Gibt es Metamaterialien (neg. n) schon im VIS-bereich? Soweit ich weis, nicht.

[VDX]

... bei den bisherigen Tests war die Flächen-Helligkeit am dünnen Ende deutlich höher, als am Dicken - bei dem ich natürlich nur die eingestrahlte Intensität auf eine größere Fläche verteile

Daß es in den Fotos viel heller aussieht, ist eine Art 'Katzenauge-Effekt' - dabei beleuchtet zusätzliches Umgebungslicht und der Kamerablitz durch die Faser das Papier, was dann viel heller zu sehen ist - eigentlich auch ein Hinweis auf die 'Fokussierung' der Intensität durch die Verjüngung der Faser hindurch

Ohne Kamera ist die Zunahme der Helligkeit auch zu sehen, allerdings nicht so stark, wie mit dem Kamerablitz.

Derartige Taper-Zylinder in Klein werden oft bei der Endoskopie verwendet, um das Licht einer Halogenlampe in die Randfasern einzukoppeln, damit die Beleuchtung ebenfalls durch die Fasern erfolgen kann ...

Viktor

[VDX]

Gibt es Metamaterialien (neg. n) schon im VIS-bereich? Soweit ich weis, nicht.

normale GRIN-Linsen haben zur Mitte hin eine höhre Dichte, damit sich das Licht zum Zentrum hin beugt und so wieder fokussiert wird - meist werden die Linsen so passend auf <1/2 der Beugungswellenlänge geschnitten, so daß ein eingekoppelter divergierender Strahl beim Austritt parallel austritt oder leicht fokussiert wird.

Wenn ich jetzt mit einer dünnen Glasfaser geringerer Dichte anfange, und sie durch Tunken oder Beschichten mit immer dichterem Material bedecke, sollte ich eine GRIN-Faser mit der umgekehrten Wirkung hinbekommen - das Licht wird dann immer vond der Mitte weg, zum Rand hin gebeugt.

Wenn die fertige Faser außen sehr glatt und verspiegelt ist, so stelle ich mir vor, daß das eintretende Lich (wie ein über den See hüpfender Stein) immer wieder am Rand zurückgespiegelt wird und nicht mehr durch die Mitte geht.

Wenn die Faser nun verjüngt wird, bleibt die Spiegel-Geometrie längs der Faser gleich, nur der Umfang wird kleiner, so daß die 'Beugungsschicht' dünner wird und die seitlichen Anteile etwas 'enger zusammenrücken' müssen ... k.A., was das für die Energiedichte beim Durchgang bedeutet

Viktor

[Dr.Ulli]

Mit GRIN ist doch Gradienten-Index-Faser gemeint...nicht wahr?
Das ist dann wie bei einer Zuckerlösung, die man ein paar Tage stehen lässt: Unten hohe optische Dichte - oben niedrigere und der Brechungsindex ist verlaufend dazwischen. Damit kann man das Licht schön in einem Bogen ablenken...(irgendwo gibt es hier - glaube ich- Bilder). Somit läuft das Licht in der Faser nicht immer gerade Strecken (wie bei einer Stufen-Index-Faser), bis zur nächsten Totalreflektion, sondern sozusagen in Bögen durch die Faser (wie ne Schlange windet es sich dadurch). Und das ist alles....nix mit negativem Brechungsindex.

[Sky and Sand]

VDX redet ja von n-GRIN Fasern, bei denen das Licht in der Mitte, statts kurz vorm Faserrand umgelenkt wird.

[VDX]

... genau, bei der 'normal' indizierten Faser ist die Dichte zur Mitte hin höher, so daß die Beugung das Licht quasi um den Kern herum 'pendeln' läßt.

Bei einer 'negativ' indizierten Faser wäre die Dichte zum Kern hin geringer, so daß die Beugung zum Rand hin erfolgen würde ... und hier ein Spiegelcoating, daß das Licht im gleichen Winkel wieder zurückreflektiern würde ...

Viktor

[Sky and Sand]

Mit negativ indiziert meinst du aber sicher keine Negativen Brechungsindex oder? Und somit kommen dabei auch keine Metamaterialien zum Einsatz? Einfach nur beispielsweise Rand n=1,5 sinkt bis 1,2 in der Mitte und steigt dann wieder auf 1,5 an. War das so gemeint?

[VDX]

... ja, ich betrachte es von der Wirkungsweise einer GRIN-Linse aus - die normale Optik beugt zur Mitte hin, die 'negative' verhält sich dazu invers ...

Viktor

[LaserTM]

Hi Ulli,
wenn die Frage noch aktuell ist:
Diodenlaser mit sehr großer Brillanz gibt es u.a. bei LIMO (http://www.limo.de). Z.B. wurde dort mal gezeigt, dass man mit deren LIMO25F50 (25W cw aus 50µm Kerndurchmesser, NA0,22 Faser bei einer Wellenlänge; 1,3MW/cm²) Metalle sauber beschriften kann.
Mehr Leistung gibt es noch beim:
LIMO1300-F200-SL808 915 940 980-140-EX1503 (1300W aus 200µm-Faser, also 4,1MW/cm²).
Ob das Material, das beim Schneiden mit diesem Laser abgestragen wird, in der passenden Zusammensetzung für Deine Anwendung vorliegt, kann ich aber nicht sagen.
VG
LaserTM

[Dr.Ulli]

Danke, LaserTM!
Aber auch die kannte ich schon...mit Diodenlasern klappt die "stöchiometrische Verdampfung" einfach (noch???) nicht...vielleicht in ein paar Jahren....

[VDX]

... wie siehts mit TAE N2-Lasern aus?

Ich habe gerade einen alten da, der mit 400kW und 300ps langen Pulsen bei 337nm Wellenlänge spezifiziert ist - die Pulszeit kann bis zu 100ps reduziert werden, die max. Leistung geht dann aber auch etwas runter.

Ich weiß, daß Excimer-Laser eine 'kalte' Ablation machen, die haben aber meist noch etwas kleinere Wellenlängen.

Bei Gelegenheit suche ich mir eine Stickstoffversorgung zusammen, dann teste ich das Teil in Richtung Mikro-Materialbearbeitung aus

Viktor

[Dr.Ulli]

Danke VDX! - da denk ich gleich an "Rocketman"...


Es sollte auf jeden Fall eine Diode o.ä. sein - möglichst klein und z.B. in ein Röntgenanalysegerät passen...und kein "großer Klotz"...
Aber das Thema hat sich inzwischen erst einmal erledigt...