HeNe-Laser – mit exzellenter Strahlqualität

optolines No. 9 | 1. Quartal 2006

Fachmagazin für Optomechanik und Optoelektronik

HeNe-Laser – mit exzellenter Strahlqualität

Neu überarbeitetes ­Programm an HeliumNeon-Lasern | Seite 4

Neue Laserstrahlquellen von LINOS HeNe-Laser und diodengepumpte Festkörperlaser

Neue Positionierer

Manuell und mit Piezomotor

Umschaltbare Faserlaser um 10 mW Neues vom Institut für Laser Physik, Hamburg

Optische Tische von LINOS und TMC Thermisches Verhalten, Teil III

Editorial

Content

INSIGHT Measurement06 | Laserstrahl zeichnet Gauss-Weber-Telegrafenweg nach | Die Gewinner des LINOS Weihnachts­ preisrätsels 2005 | Seite 3 INNOVAS HeNe-Laser und diodengepumpte ­Festkörperlaser – neue Laserstrahl­ quellen von LINOS | Seite 4

Liebe Leserin, lieber Leser! Die jüngsten Veröffentlichungen vom In­dustrieverband spectaris stimmen froh: 5,7 Prozent Umsatzplus in 2005 und der Trend soll sich auch in diesem Jahr fortsetzen. Laser und optische Komponenten bilden dabei den Kernbereich optischer Technologien, die allein in Deutschland über 100.000 Menschen beschäftigen. Der Markt bleibt interessant, was am spürbar steigenden Wettbewerbsdruck deutlich wird. Entsprechend den höheren Anforderungen ist es für LINOS wichtig, sich neben der Kompetenz in Bezug auf Produkte, Systemkomponenten und Qualitätsniveau auch durch eine individuelle Kommunikationsstrategie zu differenzieren. Ziel einer Anzeigenkampagne in Fachmedien ist es, über ein Produkt oder eine Serviceleistung zu informieren und dabei das Profil des Anbieters und des umworbenen Produktes abzubilden. LINOS ist Anbieter hochwertiger Komponenten und Lösungen aus dem Bereich der Photonik. Sie kommen in unterschiedlichsten Gebieten zum Einsatz und tragen dort maßgeblich zur Effektivität und Funktionalität eines Gesamtsystems bei. Die in der Anzeigenkampagne 2006 verwendeten Motive und Textelemente zeigen, wie wichtig einzelne Komponenten für die Gesamtleistung eines Systems sind. Durch Bildwahl und Bildwitz wird dieser Gedanke bewusst überzogen und weckt somit die notwendige Aufmerksamkeit des Betrachters. Das sachliche Layout und die reduzierten Farbräume konzentrieren den Blick des Betrachters auf das Wesentliche. Keine Spielereien stören die Bildwirkung. Diese nüchterne „Verpackung“ des Inhalts lässt Rückschlüsse auf die Eigenschaften der angebotenen LINOS ­Produkte zu: Zuverlässig, solide, hohe Qualität.

INNOVAS Neue Positionierer im LINOS Programm – Lineartisch mit Piezomotor – manuelle Präzisionspositionierer | Seite 8 INNOVAS Lichtquelle, Spektrometer, Auswertungssoftware – kompaktes Programm­ paket für die Spektroskopie | Seite 9

INNOVAS Weit durchstimmbare, kontinuierliche Infrarot-Laserstrahlung – Optisch-parametrischer Oszillator | Seite 10 CHECKUP Neuentwicklung aus dem Institut für Laser-Physik der Uni Hamburg – Umschaltbare Faserlaser um 10 mW | Seite 12 SPECIAL Weltweites Zentrum für Mess­ technik – Kooperationen im Göttinger „Measurement Valley“ | Seite 15

BASICS Optische Tischsysteme von LINOS und TMC, Teil III – thermisches Verhalten von Tischplatten | Seite 16 LINOS LIVE LINOS auf der „Photonics West“ | ­Literaturtipp | Messen und Roadshows – LINOS Redaktionsteam | Impressum | Seite 19

Mit der ersten Ausgabe von optolines in diesem Jahr wünschen wir Ihnen unterhaltsame Information. Herzliche Grüße

Mecky Imkamp Leitung Marketing-Kommunikation 

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Insight

„Kopf hoch“ in Göttingen – Laser zeichnet Telegraphenweg nach LINOS unterstützt historisches Gauß-Weber-Ereignis von 1833 – tägliche Botschaften Mitte Februar hieß es für die Göttinger Bürger allabendlich „Kopf hoch“. Denn am Himmel wiederholte sich ein historisches Ereignis mit zeitgemäßen Mitteln. 1833 gelang es Carl Friedrich Gauß und Wilhelm Weber in Göttingen erstmals mittels elektromagnetischer Datenleitung Botschaften zu senden. 173 Jahre später und anlässlich der Messe Measurement06 sendete ein Lasertelegraph codierte Botschaften zur Sternwarte und zum Nordturm der Johanniskirche. Das gesamte Equipment – u.a. ein 15fach Beamexpander, diverse Spiegel und Profile – stellte LINOS zur Verfügung. Installiert wurde der Laser auf dem Dach eines Hochhauses. Von hier strahlten die verschlüsselten Informationen zur Sternwarte und zum Kirchturm. Zur Verschlüsselung der Information diente der von Gauß und Weber entwickelte Code, wonach jeder Buchstabe eindeutig aus einer Kombination kurzer und langer Impulse dargestellt wurde. www.measurement2006.de

15fach aufgeweitet durch einen Beamexpander von LINOS: Ein grünes Laserlicht mit 532 nm Wellenlänge zeichnete den Weg des Gauß-Weber-Telegraphen am Göttingen Nachthimmel nach und trifft den Nordturm der Johanniskirche.

Göttingen – Zentrum der Messtechnik Measurement06 fokussiert Hightech-Kompetenzen Göttingen liegt nicht nur an der Leine, sondern auch im Zentrum eines „Measurement Valley“. Die Hochtechnologiebranche in und um die südniedersächsische Stadt setzt jährlich rund 850 Millionen Euro um. Etwa die Hälfte entfällt auf die 39 Mitglieder des Vereins „Measurement Valley“, der seinen Namen vom kalifornischen „Silicon Valley“ ableitet. Hinzu kommen wissenschaftliche Forschungseinrichtungen und universitäre Ausbildungsstätten. Erstmals in seiner achtjährigen Geschichte präsentierten sich die Unternehmen des Vereins – darunter auch LINOS – mit eigenen Ständen auf einer Messe in der LOKHALLE am ICE-Bahnhof. Vorträge über taktile und optische Messtechniken, Kalibrier- und Qualitätsmanagement sowie tiefe Einblicke in die Nanowelt flankierten den zweitägigen Kongress. Die geballte Kompetenz rund um die Messtechnik ist europaweit einzigartig. Neben Firmen wie LINOS, MAHR, SARTORIUS oder ZEISS gibt es zahlreiche kleinere Unternehmen und Forschungseinrichtungen, von denen viele als Spinoffs gestartet sind. Das Gesamtkonzept mit einer Fachausstellung, einem Weiterbildungsprogramm und einem wissenschaftlichen Kongress stieß auf große Zustimmung. Denn es trafen Teilnehmer aufeinander, die sich der Messtechnikbranche aus ganz unterschiedlichen Blickwinkeln näherten. Auch weitere konkrete Kooperationen konnten auf der Messe angebahnt werden. Deshalb

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steht schon heute fest: Das „Measurement Valley“ wird bald zur „Measurement08 – enabling processes“ einladen. Lesen Sie auf Seite 15 mehr über Göttingen und seine Unternehmen im „Tal der Messtechnik“.

Die Gewinner LINOS Weihnachtspreisrätsel 2005 Die Beteiligung am großen LINOS Weihnachtspreisrätsel 2005 war zahlreich, und die Einsender des richtigen Lösungsworts „WEIHNACHTSMARKT“ waren zugleich sehr aufmerksam! Schlich sich doch bei den sechs Fragen ein kleiner Satzfehler im Layout ein (wofür wir uns entschuldigen). Noch vor Weihnachten freuten sich über die Preise: 1. Preis: i-pod nano Dr. Norbert Lang, Greifswald 2. Preis: MP3 Player Ralf Peter, Oberkochen 3. Preis: SENSEO Kaffeemaschine Christian Pabst, Erlangen Herzlichen Glückwunsch!

Niedersachsens Wirtschaftsminister Walter Hirche (links) mit LINOS CEO Prof. Dr. Gerd Litfin am ­Messestand von LINOS auf der Measurement06 in Göttingen.

Marita Plitzko zieht den ersten Gewinner und mit ihr freut sich das Redaktionsteam aus Janine Jagemann sowie (v.l.) Bastian Dzeia, Thomas ­Thöniß und Norbert Henze.



Innovas

HeNe-Laser und diodengepumpte Festkörperlaser

Neue Laserstrahlquellen von LINOS Der Einsatz von Lasern hat sich in den letzten Jahren ständig erweitert, und ein Ende ist noch lange nicht ­abzusehen. Die exzellente Strahlqualität, die lange Lebensdauer und vor allem das immer noch unschlagbare Preis-Leistungsverhältnis des klassischen Helium-Neon-Lasers und diodengepumpter Festkörperlaser bieten den Diodenlasern energisch Paroli. LINOS bietet ab Mitte 2006 ein breites Spektrum an HeNe-Lasern an. Aus diesem Anlass beschäftigt sich optolines mit dem Aufbau und Anwendungen des HeNe-Laser sowie dioden­ gepumpter Festkörperlaser.

Abb. 1: HeNe-Laser mit 632,8 nm, 594,1 nm und 543,5 nm.

Der HeNe-Laser gehört als Gaslaser zu den ersten Lasern im sichtbaren Wellenlängenbereich, die realisiert wurden. Er wurde im Jahre 1961 als erster kontinuierlich arbeitender Laser entwickelt. Bis zum Siegeszug der Laser­dioden hat sich der Laser vom Typ Helium-Neon weltweit am meisten verbreitet. Er wurde für Justier- und Positionieraufgaben eingesetzt, aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften aber auch in Interferometern und in der sensorischen Messtechnik. Die ersten Scannerkassen und sogar die ersten CD-Spieler waren damit ausgerüstet. Während diese und auch die Anwendungen für Justierung und Positio­ nierung heute mehr und mehr von den

Diodenlasern abgelöst werden, finden die HeNe-Laser in der Analytik, Messtechnik und Sensorik sowie in Wissenschaft und Forschung nach wie vor weite Verbreitung. Seine Vorteile sind die exzellente Strahlqualität, die lange Lebensdauer und das immer noch unschlagbare Preis-Leistungsverhältnis. Wegen der ausgereiften Herstellungstechnologie und den nach wie vor hohen Stückzahlen, konnten die Herstellkosten weiter gesenkt werden.

Hohe Strahlqualität

HeNe-Laser also nunmehr seit 25 Jahren behauptet. Auch viele OEM-Hersteller wählen nach wie vor den HeNe-Laser für die Bestückung auch neu entwickelter Produkte und das trotz des Wettbewerbs durch die Laserdioden. Der Hauptgrund dafür ist, dass die Laserdiode als Einzelbauelement zwar sehr preiswert ist, der Aufwand jedoch, eine vergleichbare Strahlqualität wie beim HeNe Laser zu erreichen mit Kosten zu Buche schlägt, die diesen Vorteil wieder wettmachen. Aufgrund der extremen Elliptizität der Laserdiodenstrahlung ist beispielsweise eine Strahlzirkularisierung notwendig. Auch ist die Wellenlänge der Laserdiode stark von der Temperatur abhängig. Um eine mit dem HeNe-Laser vergleichbare Stabilität zu erreichen, muss die Diode aufwändig temperaturstabilisiert werden. Auch in der Kohärenzlänge ist der HeNe-Laser mit ca. 20 cm bis 30 cm einer Diode, die typischerweise nur auf einige Millimeter kommt, weit überlegen. Andere Vorteile des HeNe-Lasers sind: ●

exzellente Modenreinheit, typischerweise > 95% gaussförmig TEM00

●

günstige Verhältnis zwischen Resonatorlänge und -breite (Durchmesser)

●

nahezu beugungsbegrenzter Strahl

●

hohe Strahllagestabilität

●

hohe Reproduzierbarkeit in der P­ roduktion



Gegen den Trend der immer kürzer werdenden Produktlebensdauern hat sich der

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Einheitlicher Aufbau

nischen Stabilität nicht mehr direkt an der Röhre, sondern am Außenskelett aus Invar befestigt – einem Material mit sehr geringer Wärmeausdehnung. Diese Laser haben dann nicht mehr die typische zylindrische Bauart, sondern einen rechteckigen Querschnitt. Die Bauweise ist deutlich aufwändiger, da die mechanische Stabilität bei einer Länge von ca. 1 m gewährleistet werden muss. Die Marktbedeutung dieser Laser nimmt daher ab. In diesen Leistungsklassen findet man heute Laserdiodenmodule, die mit 30 mW bis 50 mW Ausgangsleistung, strahlformenden optischen Elementen und einem speziellen Resonator-Design nahe an die HeNe-Laser Strahlqualität heranreichen. LINOS bietet auf Anfrage auch leistungsstärkere HeNe-Laser im Bereich 25 mW bis 30 mW an. Neben der sehr bekannten roten Wellenlänge bei 632,8 nm emittieren HeNe-Laser auch auf einer Reihe anderer Linien, bis hinein ins Infrarote. Durch ein spezielles Spiegeldesign können diese Linien verstärkt werden, so dass auch weitere Wellenlängen zur Verfügung stehen. Die bekanntesten sind 543,5 nm, 594 nm und 612 nm.

Der Aufbau aller HeNe-Laser ist grundsätzlich gleich (Abbildung 1). Sie enthalten eine Glasröhre mit einem Gemisch von Helium und Neon unter geringem Druck. Das eigentliche Lasermedium ist das Neon, die Helium Atome dienen zur Anregung des Neons. Dies geschieht durch eine Gasentladung, ähnlich wie wir sie von Leuchtstoffröhren kennen. Die Gasentladung findet in einem dünnen Glasröhrchen, der Kapillare, statt. Das umgebende Rohr dient als Gasreservoir. Ein spezielles Element sorgt als „Getter“ für das Einfangen unerwünschter Atome anderer Elemente wie z.B. Sauerstoff. An den Enden der Röhre befinden sich Elektroden, an die eine elektrische Hochspannung zugeführt wird. Die Kathode ist Elektronenlieferant und als großflächiger Aluminiummantel ausgeführt. Je nach optischer Ausgangsleistung liegt die Betriebsspannung zwischen 1.300 V und 3.700 V, die Entladungsströme bei 3,5 mA bis 7 mA. Als Resonator dienen Spiegel, die direkt mit der Röhre verbunden sind. Die optische Ausgangsleistung wird durch die Länge der Röhre bestimmt. Mit dem hier beschriebenen Aufbau lassen sich bei einer Röhrenlänge von ca. 640 mm bis zu 20 mW bei 633 nm erreichen. Noch höhere Ausgangsleistungen erfordern längere Röhren. Deren Spiegel sind aus Gründen der mecha-

Kathodenanschluss

HeNe-Laser genutzt, um Farbstoffe zur Fluoreszenz anzuregen und dadurch Zellen zu markieren. So lässt sich deren Struktur aufklären und beispielsweise Anzeichen für eine krankhafte Veränderung finden. Da bei der Etablierung dieser Techniken nur Gaslaser zur Verfügung standen, wurden die Farbstoffe speziell auf diese Wellenlängen abgestimmt. Sie sind bis heute Standard, auch wenn durch neue Lasertechnologien immer mehr Wellenlängen und entsprechende Farbstoffe hinzukommen. Die Emissionslinien des HeNe-Lasers im Roten und im Grünen sind in fast allen entsprechenden Geräte zu finden, auch die 594 nm werden für die Fluoreszenzanregung verwendet. Die bekanntesten Verfahren sind die Flow-Zytometrie und die Laser-Scanning Mikroskopie. Interferometrie Interferometrische Verfahren werden zur präzisen Bestimmung der verschiedensten Messgrößen angewendet. Beispiele sind das Messen von Partikelgeschwindigkeiten sowie das präzise Positionieren und die Weglängenmessung. Die optischen Eigenschaften des HeNe-Lasers sowie die hohe Stabilität und Lebensdauer machen ihn für diese Anwendungen ideal.

Anwendungen Fluoreszenzanregung In der Grundlagenforschung der Biomedizin wie auch in der Industrie werden

Kathode

Kapillarbohrung

Kapillare

Markierung und Justierung Mittels der Projektion eines Punktes oder einer Linie können Objekte präzise ausgerichtet werden. Obwohl diese Anwen- 

Anodenanschluss

Brewsterfenster (nur bei polarisierten Lasern) vollreflektierender Spiegel Spiegelhalter

Strahlaustritt teilreflektierender Spiegel Glas-MetallVerschmelzung

äußerer Glasmantel

Getter

HeNe-Gasfüllung

Resonatorlänge

Abb. 2: Aufbau einer HeNe-Laserröhre.

> www.linos-katalog.de

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dungen, wie schon erwähnt, zunehmend von den Laserdioden besetzt werden, gibt es auch für dieses Segment nach wie vor Bedarf. Die gute Handhabbarkeit von HeNe-Lasern und das gute Preis-Leistungsverhältnis machen ihn auch für diese Anwendung attraktiv. Sonstige Anwendungen Weitere Anwendungen sind BarcodeScanning, Laser-Film-Belichtung oder die Anwendung als Wellenlängen-Referenz. Schließlich ist der HeNe-Laser aufgrund seines einfachen Aufbaus ein beliebtes Lehrmittel in Schule, Ausbildung und ­Studium.

Diodengepumpte Festkörperlaser Das Angebot an Laserlichtquellen wird ergänzt durch diodengepumpte Festkörperlaser. Diese sind angetreten, um die Argon-Ionen Laser zu ersetzen, die über lange Zeit für den sichtbaren Bereich des Spektrums dominierend waren. Die Vorteile der diodengepumpten Festkörperlaser (DPSSL-Diode Pumped Solid State Laser) liegen auf der Hand: Sie sind kompakt, leichtgewichtig und emittieren bei einer Leistungsaufnahme von weniger als 12 W beispielsweise bis zu 100 mW bei 532 nm.

Ideal für Materialbearbeitung Neu im Katalog 2006 Mit dem neuen Katalog bietet LINOS ab Sommer 2006 ein optimiertes Spektrum an HeNe-Lasern an. Neu sind vor allem die leistungsstarken grünen Laser mit Leistungen bis zu 2,5 mW bei 543 nm. Die Auswahl beginnt hier mit 0,5 mW. Im roten Bereich reichen die angebotenen Ausgangsleistungen von 0,5 mW bis 20 mW, auf Anfrage sogar bis 30 mW. Das Spektrum wird ergänzt durch einen gelben Laser mit 2 mW bei 594 nm.

Auch die Festkörperlaser haben eine lange Geschichte. Der 1960 realisierte erste Laser war ein Festkörperlaser mit einem Rubinkristall als Lasermedium. Die ersten Festkörperlaser wurden durch Blitzlampen gepumpt. Auch heute werden leistungsstarke Laser noch auf diese Weise gepumpt. Mit der Verfügbarkeit von effektiven Laserdioden nahm die Bedeutung der lampengepumpten Systeme ab und die der diodengepumpten zu. Das Pumpen erfolgt hier entweder longitudinal, d.h. entlang der optischen Achse oder transversal d.h. senkrecht zur optischen Achse. Der weitaus größte Markt für Festkörperlaser

ist die Materialbearbeitung. Hier werden Leistungen von mehreren hundert Watt bis hin zu einigen Kilowatt und darüber benötigt. Für die optische Messtechnik, Analyse oder medizinische Diagnostik wird bedeutend weniger optische Ausgangsleistung benötigt. Die DPL-Serie von LINOS hat Ausgangsleistungen im Bereich von 10 mW bis 100 mW bei 532 nm und 5 mW bis 10 mW bei 473 nm. Es handelt sich hierbei um einen longitudinal, diodengepumpten Laser mit einer resonatorinternen Frequenzverdopplung. Abbildung 3 zeigt das Grundprinzip dieser Laser. Einfache Frequenzverdopplung Eine Laserdiode dient als Pumpquelle für den Nd-dotierten Laserkristall. Die Wellenlänge der Diode ist so gewählt, dass sie eine Absorptionslinie des Laserkristalls trifft, für Nd:YAG and Nd:YVO4 ist dies um die 800 nm. Durch diese gezielte Wahl der Absorptionswellenlänge ist die Pumpeffi­ zienz bedeutend höher als bei Blitzlampen. Das infrarote Pumplicht wird in den Laserkristall fokussiert. Den Resonator bilden die Eintrittsfläche des Laserkristalls und der Auskoppelspiegel, der teildurchlässig ist und einen Teil der Laserstrahlung auskoppelt. Die Laserwellenlängen liegen bei 1064 nm für den grünen DPSSL und bei 946 nm für den blauen DPSSL. Durch den gleichzeitig im Strahlengang angeordneten Verdopplerkristall wird ein Teil des Laserlichts frequenzverdoppelt, so dass aus dem Austrittsspiegel Licht der doppelten Frequenz (bzw. der halben Wellenlänge) des Laserlichts austritt. Es handelt sich bei der Frequenzverdopplung um einen nichtlinear optischen Vorgang, der in bestimmten Kristallen (z.B. Kaliumtitanyl­ phosphat – KTP) auftritt. Der verbleibende Anteil des Infrarot-Laserlichts wird herausgefiltert. Der prinzipielle Aufbau eines diodengepumpten Festkörperlasers mit Frequenzverdopplung ist also recht einfach und gilt sowohl für den einfachen grünen Pointer als auch für das hochstabile Gerät, das beispielsweise in einem biomedizi nischen Labor zum Einsatz kommt.

Abb. 3: Prinzipieller Aufbau eines diodengepumpten Festkörperlasers.



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Abb. 4: Diodengepumter Festkörperlaser und HeNe-Laser.

Anforderungen an das Resonatordesign ●

hohe Strahlqualität

●

niedriges Rauschen

●

hohe Lebensdauer

●

hohe Stabilität der Ausgangsleistung über die gesamte Lebensdauer und den gesamtem Betriebstemperaturbereich

●

hohe Strahllagestabilität

●

guter Polarisationskontrast

●

hohe mechanische Stabilität

●

hohe Reproduzierbarkeit aller optischen und mechanischen Parameter

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Bei den Lasern der LINOS DPL-Serie sind diese Forderungen exakt erfüllt. Die Laser enthalten eine thermoelektrische ­Temperaturstabilisierung und einen Monitorzweig, der die abgegebene Leistung permanent überwacht und regelt. Der Resonator ist hochstabil aufgebaut. Alle Laser der DPL-Serie haben einen identischen mechanischen Aufbau. Auf diese Weise sind verschiedene Wellenlängen und Ausgangsleistungen bei gleich bleibenden Abmessungen verfügbar.

Das Lasergehäuse ist hermetisch dicht geschlossen. Der Ausgangsstrahldurchmesser liegt bei 0,7 mm, optional bei 532 nm auch bei 0,32 mm. Der größere Strahldurchmesser ist optimal für eine Fasereinkopplung geeignet. Für die Verwendung mit dem LINOS Faserkoppelsystem FCS wird ein entsprechender Adapter angeboten. Anwendungen für die diodengepumpten Festkörperlaser liegen z.B. in der Messtechnik, Bioanalytik, Materialuntersuchung, Fluoreszenzanregung oder Sensorik. 

Zum Betrieb der Laser ist ein Controller erforderlich. Die Controller sind nicht laserspezifisch und können zwischen den einzelnen Modellen ausgetauscht werden.



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Neue Positionierer im LINOS Programm

Lineartisch mit Piezomotor betragen 65 x 72 x 18,5 mm. Durch Kaskadierung ist der Aufbau von XYZKombinationen möglich. Zum Ansteuern dieses Positionierers bietet LINOS den x.act Commander in der Piezoausführung an. Der x.act Commander Piezo ist eine intelligente Motorsteuerung für bis zu drei Piezomotoren, die in einem kompakten Gehäuse mit Joystick integriert wurde. 

In optolines No. 8 haben wir Ihnen das Prinzip des ersten „gehenden“ Piezomotors vorgestellt. Mit dem LT-40-PM von LINOS ist nun der erste Positionierer mit dieser Antriebstechnik im Nanoformat erhältlich. Der LT-40-PM von LINOS besitzt einen integrierten Encoder mit Glasmaßstab und Auswerteelektronik.

Der LT-40-PM ist ein kompakter Linearpositionierer mit einem Verfahrweg von 40 mm und einer Auflösung von 2,5 nm. Um diese Auflösung sicherzustellen, besitzt das Gerät einen integrierten Encoder mit Glasmaßstab und Auswerteelektronik. Die Kraft des Motors beträgt 10 N. Damit ist der LT-40-PM trotz seiner geringen Abmessungen und hohen Auflö-

Fokus auf den LT-40-PM: sung erstaunlich kräftig. Die mögliche Verfahrgeschwindigkeit liegt zwischen 1 nm/s und 10 mm/s. Da der Piezomotor keinen Haltestrom benötigt, entwickelt der LT-40-PM eine sehr geringe Eigenerwärmung und damit auch geringe thermische Drift. Die Abmessungen des Gerätes

● kompakter

hochpräziser Positionierer mit 40 mm Stellweg

● Auflösung

2,5 nm

● integrierter

Encoder

● Ansteuerung

mit x.act Commander

Piezo

Manuelle Präzisionspositionierer Für die kanadische Firma LUMINOS Industries Ltd. übernimmt LINOS exklusiv den europäischen Direktvertrieb von Präzisionspositionierern. LUMINOS fertigt Präzisionspositionierer für höchste Anforderungen. Mit den manuellen Positionierern lassen sich z.B. Faserpositionierungen so einfach einstellen wie die Sender eines Radios. Die Positionierer sind mit Festkörpergelenken ausgestattet. Sie sind dadurch spielfrei, sehr steif aufgebaut und äußerst berührungsunempfindlich. Während der Justierung muss die Mikrometerschraube nicht ständig losgelassen  Faserpositionierungen so einfach wie das Einstellen eines Radiosenders.

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werden, wodurch in den meisten Fällen eine Motorisierung überflüssig wird. Das ergonomische Design ist patentiert: Alle Mikrometerschrauben liegen leicht erreichbar an nur einer Seite. Somit können auch auf engem Raum mehrere Positionierer nebeneinander eingesetzt werden. Keine Faserpositionieraufgabe ist dem Präzisionsinstrument zu anspruchsvoll. Selbst Fasern mit 1 bis 2 µm Kerndurchmesser können einfach zueinander justiert werden. Diese Positionierer sind in mehreren Ausführungen erhältlich – von einer Achse bis zu sechs Achsen.

LINOS startet neue Spektroskopie-Produktlinie

Desktop-Spektrometer Ab dem Frühjahr 2006 wird LINOS ein breit gefächertes Produktprogramm rund um die Spektroskopie auf den Markt bringen. Kern des Programms ist eine Reihe von leicht zu bedienenden Desktop-Spektrometern. Die optimal aufeinander abgestimmte Produktlinie deckt alles ab – von der Lichtquelle über das Spektrometer bis zur Software.

Die Auflösung beträgt dabei bis zu 10 nm. Diese hohen Auflösungen werden durch eine mechanische Untersetzung des Stellweges der Mikrometerschraube erreicht. Ein Getriebe wird dabei nicht verwendet.

Höchste Steifigkeit und Spielfreiheit Andere handelsübliche Positionierer sind aus mehreren Einzelachsen zusammengesetzt und verlieren dadurch an Stabilität. Die Positionierer von LUMINOS sind dagegen aus wenigen Festkörpergelenkrahmen hergestellt. Sie garantieren damit höchste Steifigkeit und Spielfreiheit. Integrierte viskose Dämpfungselemente verhindern die für Festkörpergelenke typischen Resonanzeffekte. Insgesamt stellen die genannten Maßnahmen bei den LUMINOS Positionierern eine sehr gleichmäßige Verschiebung über den gesamten Stellweg sicher. 

Fokus auf manuelle Präzisions­ positionierer von LUMINOS: ●

patentiertes Festkörperrgelenk-Design für höchste Auflösung­ bei günstigem Preis

●

geringe Grundabmessungen erlauben viele Freiheitsgerade auf kleinstem Raum

●

höchste Vibrationsdämpfung und Berührungsunempfindlichkeit durch gedämpftes Gehäuse

●

Doppelfestkörpergelenke bieten eine höchstmögliche Auflösung ohne Winkelfehler

Die neue Spektroskopie-Produktlinie ist optimal aufeinander abgestimmt.

Den Kern des Programms bilden eine Reihe leicht zu bedienender Desktop-Spektrometer, mit denen ein Wellenlängenbereich von 200 nm bis 2200 nm abgedeckt wird. Dank integriertem RISC-Prozessor sind die Spektrometer echte Stand-aloneGeräte für schnelle Messwerterfassung mit onboard Datenmanagement. Für die Kommunikation mit anderen Geräten, wie z.B. einem PC, sind die Spektrometer standardmäßig mit USB und RS232 Schnittstellen ausgerüstet. Mit dem umfangreichen Zubehör wie Lichtquellen, Optische Fasern, Ulbrichtkugeln, Cosine Corrector, Schichtdickenmesskopf und Küvettenhalter bietet LINOS alles, was für spektroskopische

Der abgedeckte Wellenbereich – von 200 nm bis 2.200 nm.

Anwendungen benötigt wird. Abgerundet wird das Programm mit kompletten MessSets im Koffer für die Farb-, Strahlungsund Schichtdickenmessung sowie die Flüssigkeitsanalyse. Ausführliche Informationen finden Sie in der nächsten Ausgabe optolines No. 10. 

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INNOVAS

Weit durchstimmbare, kontinuierliche Infrarot-Laserstrahlung

Optisch-parametrischer Oszillator von Frank Müller, Produktmanager, LINOS München Als Nachfolger des ersten kommerziell erhältlichen optisch-parametrischen Oszillators OS4000 präsentiert LINOS Photonics nun den OS4500. Dieser stellt dem Benutzer schmalbandige, kontinuierliche Laserstrahlung zur Verfügung, durchstimmbar vom nahen bis zum mittleren Infrarot. Die Vorteile des neuen Systems gegen­ über seinem erfolgreichen Vorgänger liegen in der größeren spektralen Abdeckung, einfacheren Bedienbarkeit und stabileren Bauweise. einer Pumpwelle der Frequenz wp durch nichtlineare Kopplung in einem Kristall zwei weitere Wellen („Signal“ und „Idler“) der Frequenzen ws und wi erzeugt mit der Energiebilanz: wp = ws + wi

Der neue OS4500 von LINOS – mit Blick ins Innere.

Angetrieben von den vielfältigsten Anwendungen verzeichnet die Entwicklung von Laserquellen seit Jahren ein ungebremstes Wachstum. Mit fortschreitender Modifizierung von Anforderungsprofilen wurden auch die Eigenschaften der Laser immer weiter verbessert. Wichtig hierbei sind die spektrale Abdeckung, Ausgangsleistung, Strahlqualität, Linienbreite, Frequenzstabilität und -abstimmbarkeit, die Abmessungen und der Preis. Speziell für die Spektroskopie an Molekülen werden weit durchstimmbare, leistungsstarke, schmal-

bandige und transportable DauerstrichLaserquellen (continuous wave, cw) benötigt, deren Emissionen im Wellenlängenbereich des nahen und mittleren Infrarots liegen. Seit wenigen Jahren erfreuen sich Dauerstrich-optisch-parametrische Oszillatoren (cw-OPOs) wachsender Beliebtheit.

Das Prinzip des OPO Ausgehend von spontaner parametrischer Fluoreszenz werden beim cw-OPO aus

Durch optische Rückkopplung mindestens einer der beiden erzeugten Wellen wird bei einer Pumpleistung oberhalb der Schwelle (3-5 W typisch) das Signal-/IdlerFrequenzpaar ausgewählt, das die größte Verstärkung erfährt. Das nichtlineare Medium (Kristall) fungiert dabei als Mittler für den instantanen Transfer von Energie zwischen den drei beteiligten Wellen (siehe Abb 1). Die im Medium induzierte Polarisierung hat nicht nur lineare Anteile, sondern besitzt auch Terme höherer Ordnung, die den Dreiwellenmischprozess ermöglichen. Aufgrund der Maxwellgleichungen wirkt die Polarisierung auf das elektromagnetische Feld zurück. Die parametrische Frequenzkonversion ist dabei nur dann über die gesamte Kristalllänge effizient, wenn die Phasengeschwindigkeiten der beteiligten Wellen identisch sind. Aufgrund der Kristalldispersion des Brechungsindexes n(w) ist dies im Allgemeinen nicht der Fall, und es kommt zu destruktiven Interferenzen der E-Felder über die Kristalllänge aufgrund von Phasenfehlanpassung. Durch die Verwendung periodisch gepolter Kristalle kann eine Quasiphasenanpas- 

> Kontakt [email protected]

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Abb.1: Prinzipskizze des OPOs.

sung erreicht werden: periodisch wird die optische Achse für die Polarisierung umgekehrt. Die Phasenanpassungsbedingung bestimmt letztendlich die Auswahl von Signal-/Idler-Frequenzpaaren. Folgende Größen haben Einfluss auf die Wellenlängen der generierten Signal- und Idlerstrahlung: ●

Wellenlänge der Pumpstrahlung

●

Polungsperiode des Kristalls (Quasiphasenanpassung)

●

Temperatur des Kristalls

●

Länge des OPO-Resonators

Der neue OS4500 Der OS4500 ist ein einfachresonanter cw-OPO mit Pumpüberhöhung (siehe Abb. 1). Das bedeutet, dass neben der generierten Signalwelle auch die Pumpwelle im gemeinsamen optischen Resonator umläuft. Dadurch wird die Pumpschwelle von etwa 3 W bis 5 W extern auf wenige 100 mW herabgesetzt. Somit ist es möglich, Pumplaser moderater Emissionsleistung zu verwenden. In der Basisversion des OS4500 wird ein 1,2 W Nd:YAG Laser bei 1064 nm genutzt. Als nichtlineares Medium wird ein MgOdotierter, periodisch gepolter LiNbO3-Kristall verwendet. Durch Stabilisierung des Resonators auf die Emissions­frequenz des

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Abb. 2: Wellenlängendurchstimmung durch Variation der Polungsperioden des Kristalls.

hochstabilen Pumplasers zeigt zugleich auch die Signalstrahlung – und damit auch die Idlerstrahlung – eine sehr gute Frequenzstabilität. Die gemessenen Linienbreiten sind kleiner als 50 kHz bei einer Drift von maximal 50 MHz in einer Stunde. Durch Einbau eines Etalons in den Resonator können Modensprünge effektiv unterdrückt werden. Der nichtlineare Kristall besitzt 18 Po­lungsperioden, die über einen Verschiebetisch zur groben Wellenlängendurchstimmung angefahren werden können (siehe Abb. 2). Zudem kann die Kristalltemperatur zwischen 50 °C und 170 °C variiert werden, bei einer Temperaturstabilität im mK-Bereich. Durch Drehen des Etalons kommt es zu Modensprüngen in Einheiten des freien Spektralbereichs des Resonators (etwa 0,5 GHz). Durch Verstimmen der Wellenlänge des Pumplasers ist eine kontinuierliche Wellenlängendurchstimmung möglich. Insgesamt können Wellenlängenbereiche von 1380 nm bis 2000 nm (Signal) und 2280 nm bis 4670 nm (Idler) abgedeckt werden. Der OS4500 stellt in der Basisversion zwei Idlerstrahlen mit einer Leistung von je bis zu 50 mW und zwei Signalstrahlen mit einer Maximalleistung von je 20 mW zur Verfügung. Diese Emissionsleistungen können durch Verwendung eines 2 W Pump­lasers um etwa 50 % gesteigert werden. Der OS4500 kommt ohne Kühlkreisläufe aus.

Einsatzbereiche Der OS4500 stellt dem Anwender leistungsstarke, schmalbandige, kontinuier­ liche Laserstrahlung zur Verfügung, durchstimmbar vom nahen bis ins mittlere Infrarot. Aufgrund der spektralen Eigenschaften reichen mögliche Anwendungsbereiche von lasergestützten Untersuchungen an Festkörpern über die hochempfindliche, selektive Spurengasanalytik bis hin zur hochpräzisen Molekülspektro­ skopie. In Kombination mit Frequenzstandards (z.B. Frequenzkamm) sind auch Anwendungen im Bereich der Metrologie denkbar. 

Fokus auf den OS4500 von LINOS ●

Signal-Emissionsbereich 1380 – 2000 nm

●

Idler-Emissionsbereich 2280 nm – 4670 nm

●

max. Signalleistung 2 x 20 mW

●

max. Idlerleistung 2 x 50 mW

●

Linienbreite < 50 kHz

●

Frequenzdrift < 50 MHz/h

●

Abmessungen 364 mm x 587 mm x 125 mm

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Checkup

Neuentwicklung aus dem Institut für Laser Physik der Uni Hamburg

Umschaltbare Faserlaser um 10 mW von Ortwin Hellmig, Jörg Schwenke, Dr. Valery Baev und Professor Dr. Klaus Sengstock Ein wenig Luft bringt Farbe ins Spiel: Mit technischen Tricks lassen sich mit dotierten Fluoridfasern Laser realisieren, die verschiedene Farben gleichzeitig emittieren können. Spiegel mit veränderlichen Reflexionsverläufen ermöglichen dabei effiziente und kompakte Rot-Grün-Blau-Laser. Am Institut für Laser-Physik der Universität Hamburg werden unter anderem Vielmodenfaserlaser entwickelt. In diesem Artikel stellen wir aktuelle Entwicklungen unserer Arbeiten zu „umschaltbaren Faserlasern“ im Leistungsbereich um 10 mW vor. Innerhalb der internationalen Entwicklung der Lasertechnologie nimmt die Sparte der Faserlaser neben den Festkörper- und Halbleiterlasern inzwischen eine feste Position am Markt ein. Es gibt vielfältige Einsatzmöglichkeiten für Faserlaser in Forschung und Technik, häufig ersetzen sie aufwändige vorhergehende Lasersysteme und finden intensiven Einsatz auch in der Grundlagenforschung. Bei Faserlasern wird das Licht durch Totalreflexion im Kernbereich einer optischen Glasfaser geführt. Der Faserkern wird dotiert, sodass er als aktives Lasermedium dient. Die Lichtführung im Kern ist für das Pump- und das Laserlicht gleich, und es entsteht ein großer Überlapp der Moden im Lasermedium (Abb.1). Die dadurch hohe Pumplichtintensität über lange Strecken gewährleistet, dass angeregte Ionen zu einem großen Anteil am aktiven Laserbetrieb teilnehmen und die Faser eine hervorragende Verstärkung des Laserlichts bietet: Dadurch können auch schwache und schwächste Laserübergänge angeregt

werden. Dotierte Fasern dienen jedoch nicht nur als aktives Medium für Laser. Geeignete Dotierungen machen Glasfasern zu interessanten Optischen Verstärkern in der Telekommunikation, da sich auf diese Weise die Dämpfung herkömmlicher Glasfasern zum Teil kompensieren lässt. In diesem Bereich werden dotierte Fasern bereits seit vielen Jahren kommerziell eingesetzt.

Fluoreszenzmarker anregen Die genannten Vorteile gelten natürlich auch im sichtbaren Spektralbereich, in dem insbesondere Dotierungen mit LanthanoidIonen eine Auswahl sichtbarer Fluoreszenzen anbieten: Es handelt sich dabei um Fasern auf der Basis von Zirkoniumfluorid (ZBLAN), die mit Praseodym und Ytterbium dotiert sind. Bei entsprechenden Dotierungsverhältnissen sind bis zu 8 verschiedene Laserübergänge im sichtbaren Spektralbereich und im nahen infrarot nutzbar.

Diese Lasersysteme zeichnen sich zudem durch einen äußerst kompakten Aufbau aus und können in Analyse­systemen in der Mikrobiologie, z.B. bei der FluoreszenzMikroskopie, genutzt werden. Bei dieser Methode werden speziell gefertigte Farbstoffe als Fluoreszenzmarker verwendet, um z.B. dynamische Prozesse in Gewebe oder Zellen bis hinunter zu molekularen Skalen in situ sichtbar zu machen. Dafür werden dann geeignete Laserlichtquellen z.B. im sichtbaren Spektralbereich benötigt, die spezifisch die jeweiligen Fluoreszenzmarker anregen können. Speziell für diese Anwendungen eignen sich die von uns untersuchten Faserlaser gut, da sie verschiedene Übergänge etwa bei 492 nm, 520 nm, 635 nm und 717 nm bieten, die exakt geeignet sind, bekannte, viel genutzte Fluoreszenzmarker anzuregen. Besonders interessant ist dabei der Laserübergang bei 492 nm, um herkömmliche Argon-Gaslaser abzulösen, die im Vergleich ineffizient und sperrig sind. Ebenfalls existiert ein Übergang bei 635 nm, der z.B. Helium-Neon-Laser (633 nm) ersetzen kann. Es gibt zudem die Option, mehrere Laserübergänge gleichzeitig anzuregen: Somit können mehrere Fluoreszenz­marker gleichzeitig mit einer einzigen Lichtquelle beleuchtet werden. Insbesondere die Laserübergänge bei 492 nm, 520 nm und 635 nm lassen sich außerdem zu einem RGB-Laser integrieren. 

Abb. 1: Prinzip eines Faserlasers.

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Checkup

Abb. 2: Farbumschaltung mittels Luftspalt (d).

Abb. 3: Der Versuchslaser emittiert gleichzeitig rot (635 nm), grün (520 nm) und blau (492 nm), getrennt nach Prisma.

Zwischen Farben frei wählen

genügt somit, um den Resonator auf eine bestimmte Wellenlänge abzustimmen und die Emissionswellenlänge des Lasers zu wechseln.

Mit Hilfe eines von uns neu entwickelten Konzepts lässt sich nun auch zwischen diesen Farben frei wählen und umschalten, und man kann nahezu beliebige Mischzustände mit einer einzigen Faser realisieren. Dafür ist es notwendig, während des Betriebes dynamisch die Resonatorbedingungen zu verändern, in unserem Verfahren durch Beeinflussung der Resonatorspiegel. Wir setzen dafür dichroitische Spiegel ein, bei denen eine Vielzahl von dünnen Schichten unterschiedlicher Brechzahlen auf einem Substrat aufgebracht wird (Abb.2). An den Grenzübergängen der verschiedenen Schichtmaterialien wird Licht teilweise reflektiert. Die entstehenden vielen Teilstrahlen können – je nach Schichtsystem – konstruktiv oder destruktiv interferieren, so dass der Spiegel mehr oder weniger Licht reflektiert. Da sich die Interferenzbedingungen für verschiedene Lichtwellenlängen stark voneinander unterscheiden, wird ein solcher Spiegel auch ein Reflektionsverhalten haben, das stark von der Wellenlänge des einfallenden Lichts abhängig ist. Das Verblüffende an einem solchen Schichtsystem ist nun, dass, selbst bei Änderung von nur einer einzelnen Schicht, sich die optischen Eigenschaften bezüglich Reflexion mehrerer Wellenlängen sehr stark ändern lassen. Der Resonator „speichert“ das umlaufende Laserlicht für verschiedene Wellenlängen somit völlig unterschiedlich, und der Laser wird nur auf den Wellenlängen laufen, die besonders gut an den Spiegeln reflektiert werden. Die Veränderung einer einzelnen Schicht an einem der Spiegel

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Reflexionsänderungen mehr als 50 % Im Versuchsaufbau wird eine veränderliche Spiegelschicht – erstaunlich einfach ­– durch das Einfügen eines Luftspalts erreicht. Luft als Medium hat eine Brechzahl von n = 1, und verändert somit als variabler Abstand zwischen Faserendfläche und dem speziell berechneten dielektrischen Spiegel die Gesamtreflexion. Bei

dieser Konfiguration lassen sich mit geeigneten Schichtsystemen Änderungen in der Reflexion von mehr als 50% erreichen! Solche speziell berechneten Spiegel können auf beiden Seiten der aktiven Glasfaser angebracht werden und erlauben dementsprechend eine dynamische Steuerung von mehreren Farbkomponenten gleichzeitig. Bei geeigneten Abständen der Spiegel zu den Faserendflächen kann man neben einfarbigem auch mehrfarbigen Laserbetrieb beobachten. Abbildung 3 zeigt Laseremission bei drei verschiedenen Wellenlängen (492 nm, 520 nm, 635 nm). Man erhält auf diese Weise eine Laserlichtquelle, die auf einer Strahlachse Laserlicht verschiedener Wellenlängen zur Verfügung 

Abb. 4: Gleichzeitige Emission bei 635, 520 und 492 nm überlagert sich zu „weißem Laserlicht“.

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Checkup

Abb. 5: Versuchsaufbau zur Untersuchung umschaltbarer Faserlaser.

stellt. Ein solcher Laser kann dazu verwendet werden, beliebige Farbkombinationen der verwendeten Grundfarben zu erzeugen. Sogar „weißes“ Laserlicht ist möglich, indem man die rote 635 nm Linie mit der grünen bei 520 nm und der blauen bei 492 nm mischt (Abb. 4). Wir verwenden für diese Systeme ca. 35 cm lange Pr,Yb-ZBLAN Fasern sowie zwei ringförmige Piezoelemente zur Translation der Spiegel (Abb. 5). Die Faser ist rechts zu sehen, sie ist von einer orangefarbenen Schutzhülle umgeben und beschreibt einen Bogen zwischen den beiden zylinderförmigen Piezoaktoren. Der große Messingzylinder beinhaltet eine optische Diode zum Schutz der Laserdiode, die ganz links zu sehen ist. Die Leistung der Pumpdiode beträgt ca. 150 mW. Um die Emission wellenlängenabhängig messen zu können, wird am Faserende austretendes Laserlicht durch eine Linse kollimiert und durch ein Prisma aufgespalten. Dabei werden beide Spiegel verstellt, d.h. die Dicke

Abb. 6: Mehrfarbige Emission einer Pr,Yb-ZBLANFaser unter Variation der Spiegelabstände.

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der Luftspalte d1 und d2 wird variiert. Die Abbildung 6 zeigt einen Ausschnitt der gemessenen Daten. Die vier verschiedenen Emissionsfarben 492 nm, 520 nm, 635 nm und 717 nm sind jeweils in blau, grün, rot bzw. violett dargestellt. Die horizontalen Achsen parametrisieren die Breite der Luftspalte und die normierte Ausgangsleistung ist als Höhe über der Ebene aufgetragen.

Wirksame Methode der Farb­um­schaltung Es ist auf den ersten Blick zu erkennen, dass diese Methode der Farbumschaltung sehr wirksam ist. Die Intensitätsmaxima der einzelnen Farben sind gut voneinander zu unterscheiden, und es existieren sowohl sehr schmale Mischbereiche als auch flacher abfallende Flanken, die eine sorgfältige Einstellung der Farbmischung erlauben. Die Maxima wiederholen sich in einer periodischen Struktur, und zwar mit Luftspalt-Abständen, die gemäß den Interferenzbedingungen dem Vielfachen der halben Wellenlänge entsprechen. Es wird deutlich, dass bei bestimmten vorgewählten Einstellungen schon kleine Varia­ tionen der Luftspalte von unter 100 nm für eine Farbumschaltung ausreichen. Mit Hilfe dieser Information ließe sich beispielsweise eine periodische Umschaltung der Emissionsfarbe vorgeben und dann ein Nachweissystem entsprechend der Farbumschaltung triggern. Da die Umschaltung auch zwischen allen drei RGB-Farben funktioniert, ist eine Lichtquelle für Farb-

displays denkbar. Dabei wären alle drei Farben in einem kompakten Faserlaser vereint. Abstriche müssten allerdings bei der Farbqualität gemacht werden: Die blaue Emission bei 492 nm eignet sich nur bedingt für die RGB-Farbmischung, sie ist nahezu komplementär zu der roten Emission (Abb. 4). Die maximal emittierte Leistung hängt stark von der Qualität der einzelnen verwendeten Komponenten ab und variiert für die einzelnen Farben. Mit einem speziellen Aufbau des Faserlasers für einfarbigen Betrieb sind für jede Emissionswellenlänge Ausgangsleistungen von mehr als 10 mW typisch. Das gilt selbstverständlich auch für umschaltbare Systeme, allerdings erscheint bei den verwendeten Pr,Yb-ZBLAN Faserlasern die Leistung leider nicht einfach zu höheren Werten hin skalierbar zu sein.

Fazit Der hier vorgestellte Faserlaser bietet interessante Vorzüge gegenüber herkömmlichen mehrfarbigen Lasersystemen. Der einfache und kompakte Aufbau, der gleichzeitig unanfällig gegen mechanische Belastungen wie Stöße oder Vibrationen ist, könnte in naher Zukunft in verschiedenen Anwendungen eingesetzt werden. Zu diesen Anwendungen zählen alle Lasersysteme, bei denen mehrere Wellenlängen erforderlich oder einfach auch nur von Vorteil sind. Die Möglichkeit, die spektralen Komponenten gezielt ansteuern zu können, im Zusammenspiel mit der Tatsache, dass alle Emissionen verschiedener Wellenlängen auf einer fest definierten Strahlachse liegen, erleichtern den Einbau in bereits existierende Systeme. 

LINOS und das Hamburger ­Institut für Laser Physik Diese und viele weitere Lasertypen werden im Institut für Laserphysik in Hamburg entwickelt. Der Neubau aus dem Jahr 2003 ist mit mehr als 30 Labors für die Laserforschung perfekt ausgestattet, die alle mit optischen Tischen von LINOS bestückt wurden (siehe optolines 1, 1. Quartal 2004).

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Special

Viele Kooperationen im Göttinger „Measurement Valley“

Weltweites Zentrum der Messtechnik Erstmals rückt eine Schlüsseltechnologie Göttingens in den nationalen Blickpunkt: Mit der Messe „Measurement06 enabling processes“ wurden

großen und kleinen Unternehmen sowie Ausbildungsstätten zu organisieren.

eine 200jährige Tradition und die heutige Kompetenz der südniedersächsischen Metropole in der Messtechnik sowie verwandter Technolo-

Zahlreiche Kooperationen

giefelder sichtbar gemacht. Treibende Kraft hinter der Fachmesse ist der

Die oft strapazierten Begriffe „Synergie“ und „Vernetzung“ werden im Measurement Valley gelebt und praktiziert. „Innerhalb unseres Verbundes sind zahlreiche Produktions-, Entwicklungs- und Ausbildungskooperationen entstanden, und auch die Verzahnung von Wissenschaft und Wirtschaft hat sich als herausragend erwiesen“, so Haese. Als ein Beispiel nennt er eine digitale Röntgenkamera zur Adaption an Röntgenbildverstärkung, welche kleinste Details visualisiert (siehe Foto). Das Hightech-Produkt wurde von KAPPA konzipiert, wesentliche Teile steuern die Göttinger Firmen LINOS und SARTORIUS bei. „Bei aller Globalisierung können wir am Standort Measurement Valley wettbewerbsfähig produzieren“, versichert Haese, dafür gebe es viele Beispiele. So lasse der Messtechnikspezialist MAHR elektronische Baugruppen bei SARTORIUS herstellen – und eben nicht in China. „Wir haben viel ‚Hirnschmalz’ investiert, und bieten intelligente, angepasste Lösungen. So grenzen wir uns von Massenware ab“, weiß Jürgen Haese. So sei man heute in der Lage, auch Kleinstserien bis hin zu individuellen Kundenlösungen profitabel herzustellen. Hier entstehe eine echte winwin-Situation, „von der unsere Kunden nur profitieren können“, bringt Jürgen Haese die Vorteile auf den Punkt. Immer mehr entwickle sich das Measurement Valley zur zentralen Anlaufstelle für Kunden mit individuellen Aufgabenstellungen und Problemlösungen. Die erste Fachmesse „Measurement06“ mit angeschlossenem Kongress setzte einen Meilenstein, diese Vorteile nach innen und außen bekannt zu machen. 

„Measurement Valley e.V.“. optolines hat den Vorsitzenden des Vereins Jürgen Haese besucht.

Jürgen Haese, Geschäftsführer von KAPPA opto-electronics GmbH mit einem Musterbeispiel gelungener Kooperation von Firmen aus dem Measurement Valley – einer Röntgenkamera zur Adaption von Röntgenbildverstärkung.

„Carl Friedrich Gauß hätte sich über die Messe gefreut. Denn er hätte gesehen, dass die regionalen Unternehmen letztlich auch eine Folge seiner wissenschaftlichen Aktivitäten sind“, erklärt Jürgen Haese. Der Geschäftsführer der KAPPA opto-electronics GmbH ist zugleich Vorsitzender des Measurement Valley e.V. Die Anspielung auf das kalifornische „Silicon Valley“ zwischen Menlo Park und San Jose bei San Francisco kommt dabei nicht von unge-

fähr. Ende der 1990er Jahre erkannten die Göttinger Unternehmer, dass das Potenzial an Firmen und wissenschaftlichen Einrichtungen aus den Bereichen Photonik, Optik, Mechatronik, Mess- und Medizintechnik gebündelt werden müsse. Im Juni 1998 haben die ersten Göttinger Firmen aus den Bereichen der Messtechnik und verwandter Technologien den Verein unter der Dachmarke gegründet, um die gemeinsamen Interessen von heute 39

> Kontakt www.measurement-valley.de www.kappa.de

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Basics

Optische Tischsysteme von LINOS und TMC, Teil III

Tischplatten­ – thermisches Verhalten Wie schon in der letzten optolines, Ausgabe No. 8, im Beitrag zum Design Optischer Tische erwähnt, ist ein struktureller, einheitlicher Aufbau der Platten für deren Verhalten bei thermischen Driften oder lokalen Erwärmungen von großer Bedeutung. Bei Verwendung unterschiedlicher Materialien kann eine Erwärmung zu einer Verbiegung (Bimetalleffekt) der Tischplatte führen. Diese verursacht bei auf dem Tisch montierten Aufbauten oder Optiken – wie beispielsweise Spiegelhaltern, Faserkoppler oder Pinholes – eine Auslenkung. Dadurch kann es zu einer Dejustierung bzw. Defokussierung des Strahlenganges kommen. Nachfolgend werden thermische Untersuchungen an einem TMC Standard Breadboard und einem vergleichbaren Breadboard eines Mitanbieters beschrieben. breite, 25 mm hohe und 75 mm lange Ummantelung (Tunnel) aus Aluminiumfolie geschützt. Die gesamte Anordnung wurde in einem klimatisierten Labor aufgebaut, in dem die Temperatur während der Messung auf 21 °C ± 0,5 °C gehalten wurde. Nach dem Einschalten der Heizlampen wird der Temperaturverlauf an der Oberund Unterseite des Breadboards gemessen.

Die Ergebnisse

Abb.1: Versuchsaufbau zur Messung der Wärmeleitfähigkeit von Breadboards.

Versuchaufsbau und Messung Die zu untersuchenden ­Breadboards haben die Abmessungen von 760 mm x 915 mm und eine Dicke von 100 mm (30“ x 36“ x 4“). Sie werden von einem Untergestell, das aus 3 starren Säulenständern besteht, getragen. Als Wärmequelle

dienen 6 Lampen mit je 250 W, deren Abstand zur Platte ca. 530 mm betragen (Abb. 1). Jeweils in der Mitte der Deckund Bodenplatte ist ein wärmeabhängiger Widerstand (10K Thermistor) angebracht. Um den Thermistor auf der Deckplatte vor direkter Wärmestrahlung zu schützen, ist dieser zusätzlich durch eine 25 mm

Die beiden Diagramme in Abb. 2 verdeutlichen den zeitlichen Temperaturverlauf an der Ober- und Unterseite sowie die Temperaturdifferenz zwischen den beiden Seiten. Beide Breadboards zeigen ein nahezu identisches thermisches Einschwingverhalten, wobei die erreichten Endtemperaturen des Breadboards des Mitanbieters wesentlich höher als die des TMC Breadboards liegen. Zudem beträgt das Temperaturgefälle zwischen Ober- und Unterseite beim Breadboard des Mitbewerbers 13,6 °C und lediglich 8,2 °C beim TMC Breadboard.

Finite-Elemente-Methode (FEM) Um die von der Erwärmung ­verursachte Verformung in guter Näherung bestimmen zu können, wird die Finite-ElementeMethode angewendet. Sie ist ein num

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Basics

Abb. 2: Zeitlicher Temperaturverlauf an der Ober- und Unterseite sowie die daraus resultierende Differenz.

merisches Verfahren zur näherungsweisen Lösung, insbesondere elliptischer, partieller Differentialgleichungen mit Randbedingungen und ist ein weit verbreitetes modernes Berechnungsverfahren im Ingenieurwesen. Mit FEM können Problemstellungen aus den verschiedensten Disziplinen berechnet werden. Sie haben gemeinsam, dass das Berechnungsgebiet in eine große Zahl kleiner, aber endlich vieler Elemente unterteilt wird. Die Elemente sind also endlich (finit) und nicht unendlich (infinit) klein, woraus sich der Name der Methode ableitet. Auf diesen Elementen werden Ansatzfunktionen definiert, aus denen sich über die partielle Differentialgleichung und den Randbedingungen ein großes Gleichungssystem baut. Aus dem gelösten Gleichungssystem werden danach die gesuchten Resultate abgeleitet. Da ein Stahlwabenkern in Richtung der Zellen sehr starr, quer dazu jedoch sehr weich ist, verhalten sich Breadboards und Optische Tischplatten wie ein Bi-Metall-

streifen. Zur Berechnung der Verformung müssen lediglich die Temperaturen auf der Ober- und Unterseite sowie die Dicke der Platte berücksichtigt werden. Details des Wabenkerns sind für die Berechnung unwichtig. Mit dem in Abb. 3 gezeigten einfachen Modell kann daher exakt vorausberechnet werden, welche Verformung bei bestimmten Temperaturen auftritt. Das Modell besteht aus zwei gleich dicken und aus dem selben Material bestehenden Stahlplatten. Dazwischen befinden sich gleichmäßig angeordnete starre Säulen. Auf Grundlage des FEM-Modell muss mit einer maximalen Verformung von 0,0245 mm/°C gerechnet werden. Mit den gemessenen Temperaturdifferenzen von 13,6 °C bei dem Breadboard des Mitbewerbers und 8,2 °C beim TMC Breadboard ergeben sich maximale Verformungen von 0,33 mm bzw. 0,20 mm. D.h. bei gleicher thermischer Belastung zeigt das Breadboard des Mitbewerbers eine 65 % größere Verformung.

Ein Problem bei der oben beschriebenen Messmethode ist, dass beide Breadboards unterschiedliche Oberflächen mit unterschiedlichen Emissions- und Reflexionseigenschaften haben. Beispielsweise besitzt das TMC Breadboard eine schwarz lackierte Bodenplatte aus Stahl, das Konkurrenzprodukt dagegen eine unlackierte Edelstahlplatte. Obwohl beide Breadboards mit einer Deckplatte aus angeschliffenem Edelstahl ausgestattet sind, können ­sie – beispielsweise hervorgerufen durch Oxidation – ein deutlich unterschiedliches Absorptionsverhalten für IR-Strahlung zeigen. Bedingt durch diese unterschiedlichen Voraussetzungen an den Oberflächen lassen sich die Messwerte nicht direkt in Zusammenhang mit der Wärmeleitfähigkeit des Wabenkerns bringen. Um diese Effekte auszuschließen, wurde eine zweite Messung durchgeführt, bei der die Deck- und Bodenplatten mit einer selbstklebenden Kunststofffolie überzogen wurden. Dadurch besaßen beide Breadboards in Bezug auf ihre Absorption und Reflexion die gleichen Oberflächen. Die ermittelten Werte sind somit eindeutig vom Einfluss der Wärmeleitfähigkeit der Wabenkerne geprägt.

Abb. 4: Zeitlicher Temperaturverlauf an der Ober- und Unterseite bei gleichen Emissionsund ­Reflexionseigenschaften.

Wie Abb. 4 zeigt, ist die erreichte Endtemperatur der Deckplatte des TMC Breadboards 4,4 °C kälter als beim Breadboard des Mitbewerbers, aber die der Unterseite um 2,2 °C wärmer. Dieses ist eindeutig auf eine bessere Wärmeleitfähigkeit beim  TMC Breadboard zurückzuführen. Die Abb. 3: FEM-Model eines Breadboards.

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Basics

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Wabenkern mit 3,2 cm Dichte Direkter Kontakt mit der Deckelplatte

Schutzkappe

Stahlseitenwand aus 1,9 mm starkem Stahl

M6 Gewindebohrungen

CleanTop™II Kappen aus Nylon 6

Stahlwabenkern

Abb. 5: Struktureller Aufbau des TMC Breadboards.

erreichten Endtemperaturdifferenzen liegen somit durchschnittlich bei 16 °C für das Breadboard des Konkurrenten und bei 8,8 °C beim TMC Breadboard, woraus sich die maximalen Verformungen von 0,392 mm und 0,216 mm ergeben. Bei dieser Versuchsanordnung – unter gleichen Voraussetzungen bei den Emissions- und Reflexionseigenschaften – ergibt sich für das Breadboard des Mitbewerbers eine 81,5 % größere Verformung.

Wabenkern mit 50 % geringerer Dichte

Innerer Aufbau der Breadboards Der Grund für die bessere Wärmeleitfähigkeit des TMC Breadboards lässt sich direkt auf den unterschiedlichen Aufbau der beiden Breadboards zurückführen. Beim TMC Breadboard (Abb. 5) ist jede einzelne Gewindebohrung im CleanTop™II-Verfahren durch eine schmale Kappe aus chemisch resistentem Nylon 6 oder optional aus rostfreiem Edelstahl verschlossen.

Isolationsschicht zwischen Wabenkern und Deckplatte

Holzfaserseitenwand

M6 Gewindebohrungen

Kunststoffeinlage zur Verkapselung der Gewindebohrungen

Diese sind so angeordnet, dass sie sich immer in der Mitte einer Zelle des Stahlwabenkerns befinden. Dadurch ist ein direkter Kontakt des Stahlwabenkerns mit der Deckplatten und der Bodenplatte sichergestellt. Des weitern sind die Seitenwände aller Breadboards und Optischen Tische von TMC aus Stahl gefertigt. Dies trägt zusätzlich zur bessern Wärmeableitung bei. Beim untersuchten Breadboard des Mitbewerbers (Abb. 6) wird zur Verkapselung der Gewindebohrungen eine Kunststoff­einlage verwendet. Sie wirkt wie eine Isolationsschicht zwischen Stahlwabenkern und Deckplatte und verhindert somit eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die aus Holzfaserplatten ausgeführten Seitenwände wirken zusätzlich als Isolator und lassen auch keine seitliche Wärmeabstrahlung zu.

Fazit Der durchgeführte Versuch zeigt deutlich, wie wichtig ein struktureller, einheitlicher Aufbau eines Breadboards oder eines Optischen Tisches für das Verhalten bei thermischen Driften ist. Mit der konsequenten Umsetzung der aus der Theorie und Praxis gewonnenen Erkenntnisse setzt TMC auch in diesem Bereich hohe Maßstäbe und gehört aus diesen Gründen zu den führenden Herstellern von Breadboards und Optischen Tischen. 

Stahlwabenkern

Abb. 6: Struktureller Aufbau des Breadboards des Mitanbieters.

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Linos live

LINOS auf der „Photonics West“ Göttinger Firmen präsentieren Produktneuheiten Mit über 850 Ausstellern und rund 15.000 Besuchern ist die „Photonics West“ die größte Fachmesse für Optik, Laser, Optoelektronische Komponenten und Abbildungssysteme in Nordamerika. Dass sich Göttingen zu einem Kompetenzzentrum für optische und messtechnische Unternehmen entwickelt hat (siehe auch Seite 3), bewiesen neben LINOS noch drei weitere Unternehmen aus der Wissenschaftsstadt: METROLUX, HALCYONICS und COHERENT LAMBDA PHYSIK. LINOS stellte mit der Nanobank sein neues miniaturi-

siertes optomechanisches Aufbausystem für Forschung und Industrieanwender vor. Großes Interesse weckte ferner das Sortiment an speziellen Objektiven für die Bildverarbeitung und die optische Messtechnik. Live war auf dem LINOS Stand auch eine Cerec-Dentalkamera zu beobachten: Damit kann der Zahnarzt ein dreidimensionales Bild eines beschädigten Zahns erstellen, die Krone am PC modellieren und dann – ohne einen Abdruck anfertigen zu müssen – die Krone fräsen. Treffpunkt LINOS Stand (v.l.): Dr. Carsten Fischer, Dr. Manfred Hettwer (beide METROLUX), Steffen Rörentrop (HALCYONICS), Bastian Dzeia und Gary Bishop (LINOS).

LINOS 2006 Auf allen wichtigen Messen und Tagungen Termin

Messe

Ort

weitere Infos

03.– 07.03.06

ECR06 Wien

Wien

www.ecr.org

13./14.03.06

DPG Tagung

Frankfurt/Main

http://frankfurt06.dpg-tagungen.de

21.– 23.03.06

LASER China

Shanghai, China

www.global-electronics.net

23./24.03.06

LOB Berlin

Berlin

www.laser-optik-berlin.de

27./28.03.06

DPG Tagung

Dresden

http://dresden06.dpg-tagungen.de

04.– 06.04.06

Semicon Europe

München

www.messe-muenchen.de

04.– 06.04.06

Photonics Europe

Straßbourg, F

www.spie.org/app/conferences

23.– 25.05.06

CLEO

Long Beach, USA

www.cleoconference.org

06.– 10.06.06

DGaO Tagung

Weingarten Ravensburg

www.dgao.de

15.06.06

IPS 2006

Greifswald

www.inp-greifswald.de/ips2006.nsf

20.– 23.06.06

Optatec 2006

Frankfurt/Main

www.optatec-messe.de

27.– 29.06.06

MicroScience

London, UK

www.microscience2006.org.uk

Redaktion optolines LOKHALLE Göttingen Bis Janine Jagemann im Spätsommer 2006 aus Singapur zurückkommt, wird Marita Plitzko (Marketing LINOS Göttingen) das Redaktionsteam von optolines verstärken – hier mit Norbert Henze, Bastian Dzeia und Thomas Thöniß vor der LOKHALLE Göttingen. Mitte Februar fand hier die erste Measurement06 statt, siehe Seite 3.

> Kontakt: [email protected]

> www.optolines.de

No. 9 | 1. Quartal 2006 optolines

Literaturtipp Bernd Dörband und Henriette Müller: „Ernst Abbe – das ­unbekannte Genie“ „Schwierig wird die Sache sein, sehr schwierig …“, kommentierte Ernst Abbes Freund Heinrich von Eggeling dessen Vorhaben, für seinen Firmennachlass eine zum Nutzen der Allgemeinheit geeignete rechtliche Form zu finden. Schwierig war das Leben und Schaffen Ernst Abbes von Anfang an: seine Kindheit in ärmsten Verhältnissen in Eisenach, finanzielle Nöte als Student und junger Dozent in Jena, Göttingen und Frankfurt. Schließlich kam dann doch der Erfolg: bahnbrechende Entwicklungen in den Optischen Werkstätten in Jena, die sich in Zusammenarbeit mit Carl Zeiss zu einem Großunternehmen entwickelten. Abbes ungeheurer Fleiß, überragende Intelligenz und ein geradliniger Charakter zeichneten seine Arbeit und sein wissenschaftliches Streben aus. Für seine Nachfolger hat er auf technischem, wissenschaftlichem und unternehmerischem Gebiet Maßstäbe gesetzt. Bernd Dörband und Henriette Müller folgen in ihrem Buch historischen und gegenwärtigen Spuren Ernst Abbes auf Spaziergängen durch die Städte Eisenach, Jena, Göttingen und Frankfurt am Main. Sie zeigen den Lebensweg des Unternehmers, Wissenschaftlers und Sozialreformers anhand der noch vorhandenen Wirkungsstätten und Gebäude sowie mit historischen und neuen Fotos auf. Als Physiker und Mitarbeiter der Firma Carl Zeiss zeichnen die Autoren ein einfühlsames Bild vom Leben Abbes, erklären und würdigen seine wissenschaftlichen Leistungen verständlich und angemessen. Verlag Dr. Bussert & Stadeler 2005, 480 Seiten, 214 s/w-Abb., Hardcover, geb., SU, ISBN 3-932906-67-5, Ladenpreis 24,90 EUR.

Impressum Herausgeber: LINOS Photonics GmbH & Co. KG, Geschäftsbereich Industrial Manufacturing Königsallee 23, D-37081 Göttingen FON +49 (0)5 51 / 69 35-0, www.linos.de © Konzeption, Layout und Produktion: BEISERT & HINZ UNTERNEHMENSKOMMUNIKATION GbR Stumpfebiel 6, D-37073 Göttingen in Zusammenarbeit mit P.O.S. Network Fotonachweis: Fotostudio Czerwonski Göttingen, BEISERT-HINZ.de, LINOS Göttingen

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