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Im Gegensatz zu diffraktiven optischen Elementen (DOE), die auf Wellenfrontmanipulation basieren, verwenden Homogenisierungsstäbe geometrische Optiken – jede Reflexion verteilt die Lichtenergie neu über den Stabquerschnitt, was zu einer gleichmäßigen Intensitätsverteilung am Ausgang führt. Die sechseckigen Lichtmischstäbe von Thorlabs beispielsweise sind mit präzisionspolierten Innenflächen (60-40 Scratch-Dig-Finish) ausgestattet, um Lichtverluste zu minimieren und die Gleichmäßigkeit zu maximieren. Dies macht sie unverzichtbar für Anwendungen, bei denen eine gleichmäßige Beleuchtung unerlässlich ist (z. B. medizinische Bildgebung, Lasermaterialbearbeitung). Diese Stäbe nutzen UV-Fused-Silica-Substrate (UVFS), die aufgrund ihrer hohen Durchlässigkeit (>90 % bei 300 nm) und Beständigkeit gegen Laserschäden ausgewählt wurden, mit optionalen Breitband-Antireflexionsbeschichtungen (AR), die eine effiziente Lichtdurchlässigkeit über die Wellenlängenbereiche 350–700 nm (sichtbar) oder 650–1050 nm (NIR) gewährleisten .
Außergewöhnliche Homogenisierungsleistung : Wandeln Sie ungleichmäßige Eingangsstrahlen in flache Profile mit minimaler Intensitätsschwankung um – typischerweise <5 % über die Ausgangsoberfläche (gemessen am 1/e⊃2; Strahldurchmesser). Dieser Grad an Gleichmäßigkeit ist entscheidend für Anwendungen wie das Laserschweißen, bei denen eine ungleichmäßige Energieverteilung zu einer inkonsistenten Verbindungsfestigkeit führen würde.
Verlustarme Beschichtungen : Breitband-AR-Beschichtungen werden sowohl auf die Eingangs- als auch auf die Ausgangsflächen aufgetragen und bieten einen durchschnittlichen Reflexionsgrad von <0,5 % pro Oberfläche im angegebenen Wellenlängenbereich (z. B. 350–700 nm für sichtbare Anwendungen). Im Vergleich zu unbeschichteten Stäben (die aufgrund von Fresnel-Verlusten ein Reflexionsvermögen von ca. 4 % pro Oberfläche aufweisen) erhöhen beschichtete Versionen die Gesamttransmissionseffizienz um 7–9 % – eine deutliche Verbesserung für LED-Systeme mit geringem Stromverbrauch.
Sechseckige Geometrie : Optimiert die TIR-Effizienz im Vergleich zu runden oder quadratischen Stäben. Der sechseckige Querschnitt sorgt dafür, dass Lichtstrahlen von sechs Innenflächen reflektiert werden (gegenüber vier bei quadratischen Stäben), wodurch „Hot Spots“ reduziert werden und eine gleichmäßigere Strahlmischung gewährleistet wird. Beispielsweise erzeugt ein 4-mm-Sechskantstab ein flaches Profil mit einer um 20 % besseren Gleichmäßigkeit als ein 4-mm-Vierkantstab gleicher Länge.
Präzisionsfertigung : Hergestellt mit extrem engen Maßtoleranzen, einschließlich einer Mittendicke von ±0,1 mm (Gewährleistung einer gleichbleibenden Strahlweglänge) und einer Oberflächenqualität von 60–40 Scratch-Dig (Minimierung der Lichtstreuung). Das Länge-zu-Öffnungsverhältnis des Stabes (typischerweise 6:1 bei Standardmodellen) ist sorgfältig kalibriert, um Homogenisierungsleistung und Kompaktheit in Einklang zu bringen.
Vielseitige Größen- und Anpassungsmöglichkeiten : Erhältlich in Standardlängen (25,0 mm, 50,0 mm) und Aperturgrößen (4,0 mm, 6,0 mm), mit kundenspezifischen Optionen für spezielle Systeme (z. B. 10-mm-Aperturstäbe für Hochleistungslaser). Zu den kundenspezifischen Anpassungen gehören auch abgeschrägte Kanten (um ein Absplittern während der Montage zu verhindern) und Antireflexionsbeschichtungen, die auf bestimmte Wellenlängen zugeschnitten sind (z. B. 405 nm für UV-LEDs).
LED-Beleuchtungen : Verbessern die Gleichmäßigkeit in industriellen Beleuchtungssystemen (z. B. Inspektionslampen für Leiterplatten) und Display-Hintergrundbeleuchtung (z. B. LCD-Bildschirme in medizinischen Monitoren). Beispielsweise sorgen Homogenisierungsstäbe bei der Leiterplatteninspektion dafür, dass Lötstellen gleichmäßig beleuchtet werden, wodurch das Risiko übersehener Fehler (z. B. kaltes Lot) verringert wird.
Medizinische Bildgebung : Sorgen Sie für eine gleichmäßige Beleuchtung für Endoskope (z. B. laparoskopische, bronchoskopische) und Fluoreszenzmikroskopie, bei denen gleichmäßiges Licht für eine genaue Gewebevisualisierung unerlässlich ist. In der Fluoreszenzmikroskopie sorgt ein homogenisierter Strahl dafür, dass alle Bereiche einer Gewebeprobe die gleiche Anregungsintensität erhalten und verhindert so falsch-negative Ergebnisse.
Lasermaterialbearbeitung : Sorgen Sie für eine gleichmäßige Energieverteilung beim Laserschweißen, -schneiden und -markieren. Beim Schneiden von rostfreiem Stahl erzeugt beispielsweise ein Strahlprofil mit flacher Oberseite eines Homogenisierungsstabs sauberere Kanten (mit einer Grathöhe von <5 μm) im Vergleich zu einem Gaußschen Strahl (der eine ungleichmäßige Wärmeverteilung und größere Grate erzeugt).
Bildverarbeitung : Verbessern Sie die Inspektionsgenauigkeit in automatisierten Systemen (z. B. Erkennung von Flaschendefekten, Inspektion von Halbleiterwafern), indem Sie eine gleichmäßig verteilte Beleuchtung über die Zieloberflächen bereitstellen. Bei der Flascheninspektion hebt eine gleichmäßige Beleuchtung subtile Mängel wie Risse oder unebene Wände hervor, die durch einen ungleichmäßigen Strahl verdeckt würden.
OEM-Integration : Anpassbar für die Integration in spezielle optische Systeme wie Durchflusszytometer (bei denen eine gleichmäßige Laserbeleuchtung eine genaue Zellzählung gewährleistet) und 3D-Scanner (bei denen eine gleichmäßige Lichtintensität die Punktwolkendichte verbessert). OEM-Versionen enthalten oft Montageflansche oder Ausrichtungsmarkierungen für eine einfache Integration in Produktionslinien.
Ein Arbeitsabstand von 3 mm ist optimal, um das volle Flat-Top-Strahlprofil an der Austrittsfläche zu erreichen. Über diesen Abstand hinaus beginnt der Strahl leicht zu divergieren (typischer Divergenzwinkel: 0,5°), was die Gleichmäßigkeit verringert – bei 10 mm kann die Intensitätsschwankung auf 10–15 % ansteigen. Für Anwendungen, die einen längeren Arbeitsabstand erfordern (z. B. Großformatdruck), kombinieren Sie den Stab mit einer Kollimationslinse, um die Integrität des flachen Profils aufrechtzuerhalten.
Ja, aber die Leistung hängt vom Untergrund und der Beschichtung ab. UV-Fused-Silica-Modelle (UVFS), die üblicherweise für Hochleistungsanwendungen verwendet werden, unterstützen gepulste Laserenergiedichten von bis zu 55 J/cm² (1 µs Puls bei 980 nm) und Dauerstrich-Leistungsdichten (CW) bis zu 6 W/cm² bei 980 nm. Für höhere Leistungsstufen (z. B. 20-W-CW-Laser) sollten Sie Stäbe mit wärmeableitenden Halterungen oder Saphirsubstraten in Betracht ziehen (die eine höhere Wärmeleitfähigkeit haben: 46 W/m·K gegenüber 1,4 W/m·K für UVFS).
AR-Beschichtungen reduzieren Oberflächenreflexionen, was nicht nur die Übertragungseffizienz erhöht, sondern auch Rückreflexionen minimiert, die die Lichtquelle (z. B. LED-Chips oder Laserdioden) beschädigen können. Beispielsweise lässt in einem sichtbaren System mit 350–700 nm ein beschichteter Stab etwa 92 % des Eingangslichts durch, während ein unbeschichteter Stab etwa 85 % durchlässt. Darüber hinaus reduzieren AR-Beschichtungen Streulicht im System und verbessern so das Signal-Rausch-Verhältnis bei Bildgebungsanwendungen.
Die Hauptursache für die Ungleichmäßigkeit ist eine Fehlausrichtung des Eingangsstrahls über den kritischen Winkel des Stabs hinaus (θc ≈ 14° für UVFS). Wenn der Eingangsstrahl um mehr als ±2° relativ zur optischen Achse des Stabes geneigt ist, entweichen einige Lichtstrahlen durch die Seiten des Stabes (anstatt einer TIR zu unterliegen), wodurch Hotspots entstehen. Um dieses Problem zu lösen, verwenden Sie Präzisionsmontageteile (z. B. kinematische Halterungen), um den Strahl innerhalb von ±0,5° zur Achse auszurichten. Weitere Ursachen sind Oberflächenverunreinigungen (Reinigung der Stäbe wie zuvor beschrieben) und Stabschäden (Stäbe mit Kratzern, die tiefer als 1 µm sind, ersetzen).
