Wellenfrontsensorik

Um über die reine Strahlprofilmessung hinaus auch Aussagen über die Phasenverteilung treffen zu können, werden kameragestützte Wellenfrontsensoren nach dem Hartmann-Shack-Verfahren eingesetzt. Diese ermöglichen neben der Bestimmung von Profil, Wellenfront und Strahlparametern für kohärente Strahlung eine vollständige Beschreibung des Propagationsverhaltens (s. Abbildung 1). Der Wellenfrontsensor des LLG wird von der Firma LOT-Oriel in Lizenz vertrieben (in USA: Firma Lightspeed Technologies) und mittlerweile von diversen Firmen und Instituten eingesetzt.

: Abbildung 1: Vorhersage des Propagationsverhaltens eines aberrierten He-Ne-Laserstrahls. Die Messung erfolgt an „beliebiger“ Position entlang des Strahlenverlaufs. Mit Hilfe einer Propagations¬rechnung kann das Profil für alle weiteren Abstände vorhergesagt werden. Das Bild zeigt rechts den Vergleich von gemessenen (oben) und berechneten (unten) Intensitätsverteilungen im Bereich der Strahltaille eines fokussierten HeNe-Lasers

Die Strahldiagnose mit Hartmann-Shack-Wellenfrontsensoren ermöglicht eine umfassende Laser-Strahlcharakterisierung in nur einer Messung, was vor allem bei gepulsten oder fluktuierenden Quellen von großer Bedeutung ist. Aus der Wellenfront und dem Nahfeldprofil lassen sich Strahlkenngrößen wie Durchmesser, Divergenz und M² in Echtzeit mit einer Genauigkeit im Prozentbereich ermitteln. Zusätzlich ist eine Diagnose des Propagationsverhaltens der untersuchten Strahlung möglich. So lassen sich z.B. die Intensitätsverteilungen im Fernfeld oder in der Strahltaille berechnen. Mittels Zernike-Analyse kann die Wellenfront in Echtzeit korrigiert und der Strahl somit optimal fokussiert werden.

: Abbildung 2: Prinzip des Wellenfrontsensors nach Hartmann-Shack (rot: Wellenfront, blau: Mikrolinsenarray, schwarz: CCD-Chip, Falschfarben-Profil: integrale Intensitätsverteilung); die Vergrößerung zeigt die relevanten Größen in einer Subapertur: Brennweite f, Abweichung der x- und y-Koordinaten vom Schwerpunkt der Referenzwelle (xr, yr) und daraus resultierend der lokale Ausbreitungswinkel der Wellenfront β.

Abbildung 2 zeigt schematisch den Aufbau eines Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors. Ein Mikrolinsenarray zerteilt den einfallenden Strahl in viele Subaperturen. Aus der Verteilung der entsprechenden Spots auf dem CCD-Chip können durch Vergleich mit einer ebenen Referenzwelle die lokalen Abstrahlwinkel bestimmt werden, aus denen sich mit Hilfe mathematischer Algorithmen die Wellenfront rekonstruieren lässt. Zusätzlich erlaubt die Integration über die Intensitäten in den einzelnen Mikrofoki auch die Ermittlung des Strahlprofils am Messort.

Bei annähernd runden Profilen bietet sich in vielen Fällen eine modale Entwicklung nach Zernike-Polynomen an. Deren Entwicklungskoeffizienten entsprechen den Bildfehlern der Seidelschen Aberrationstheorie, so dass der Hartmann-Shack-Sensor in Analogie zur Qualitätsbeurteilung optischer Komponenten auch zur Vermessung der Strahlaberrationen eingesetzt werden kann.

Weiterführende Informationen:

Produktflyer Wellenfrontsensor (PDF)