Wellenfrontdeformation / Thermische Linsen

Die Absorption von Laserstrahlung führt in optischen Materialien in erster Linie zu einem thermischen Energieeintrag. Die resultierende Erwärmung kann in einer kalorimetrischen Messung zur quantitativen Bestimmung des Absorptionsgrades genutzt werden (s. Absorption/Streuung). Neben der reduzierten Transmission treten als Folge der Erwärmung aber unweigerlich auch weitere unerwünschte Effekte auf, nämlich

  • Änderung des lokalen Brechungsindex (dn/dT) und
  • Oberflächen-Verformung durch Volumenausdehnung.

Beide Effekte führen zu einer reversiblen, lokalen Änderung der optischen Eigenschaften, d.h. insbesondere zu einer Modifikation der Wellenfront des transmittierten Laserstrahls ("thermische Linse"). 

Weiterhin kann im Falle amorpher optischer Materialien, z.B. bei der Bestrahlung von Quarzglas mit ArF-Excimerlasern, auch eine irreversible Erhöhung der Dichte und damit des Brechungsindex auftreten ("Kompaktierung").

Sowohl die thermische Linse als auch Kompaktierungsphänomene lassen sich mit Hilfe eines Hartmann-Shack-Wellenfrontsensors (s. Wellenfrontsensorik) in Echtzeit sichtbar machen. Die Abbildung unten zeigt eine entsprechende Messung der thermischen Linse an einer mit dem Excimerlaser (193 nm) bestrahlten Quarzplatte. Die thermisch induzierte Deformation der Wellenfront stellt sich innerhalb weniger Sekunden ein. Die Auslenkung (wpv≈2nm) entspricht einer Sammellinse von ca. 10 km Brennweite.

 

Weiterführende Informationen:

Produktflyer Wellenfrontsensor (PDF)

M. Stubenvoll et al.:
Measurement and compensation of laser-induced wavefront deformations and focal shifts in near IR optics, Opt. Expr. 22 (21) (2014)

M. Stubenvoll et al: Photothermal method for absorption measurements in anisotropic crystals,
Rev. Sci. Instr. 87 (2016)

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Laser-Laboratorium Göttingen e.V. (LLG)

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