Licht mit Schall lenken
Akustooptische Verfahren nutzen Schall, um die Intensität und den Ablenkwinkel von Laserstrahlen schnell und präzise zu kontrollieren, einzelne Laserpulse zu isolieren oder spezifische Wellenlängen aus Breitbandlichtquellen zu filtern. Die Anwendungen reichen von Mikroskopie und Spektroskopie über die Mikromaterialbearbeitung in der Halbleiter- und Elektronikindustrie bis zu den Quantentechnologien.
Das Herzstück ist ein akustooptischer Kristall. Dieser wird mithilfe eines piezoelektronischen Wandlers, der elektrische Signale in Schwingung übersetzt, hochfrequent angeregt. Im nun vibrierenden, von Schallwellen durchlaufenen Kristall breitet sich infolge des so genannten photoelastischen Effekts ein Beugungsgitter aus, das einfallendes Licht extrem schnell und präzise beugt. Der Winkel dieser Beugung lässt sich über die Frequenz und die Amplitude der piezoelektronisch induzierten Schallwellen steuern. Da keinerlei Mechanik und bewegte Masse beteiligt sind, braucht die Strahlumlenkung kaum länger als eine Mikrosekunde – bei Winkelgenauigkeiten von wenigen Milliradian (mrad). Ein zentraler Vorteil dieser Umlenkung von Lichtwellen mit Schallwellen ist zudem ihre hohe Dynamik: Ändert sich die Frequenz der Anregung, verändert sich auch das Beugungsgitter. Anwender akustooptischer Deflektoren (AOD) können die Richtung des Laserstrahls und die Position des Spots elektronisch präzise und nahezu in Echtzeit kontrollieren.
Die Wechselwirkung von Schall- und Lichtwellen – und die dadurch erreichbare Präzision bei der Strahlablenkung sind überall gefragt, wo Lasersysteme winzige Strukturen bearbeiten und inspizieren. In der Fertigung von Smartphones, Displays und Wafern, Fotolithografie, in der hochauflösenden Mikroskopie, Spektroskopie und zunehmend auch, um Neutralatome oder Ionen in Quantencomputern zu positionieren und kontrollieren. Hier dienen AOD unter anderem dazu, duzendfach gesplittete, als optische Pinzetten dienende Laserstrahlen µm-genau auszurichten und dabei einzeln ansteuern zu können. Und auch beim Laserbohren von sogenannten „Microvias“ in Chip- und Displaysubstrate richten AOD die Laserspots mit µm-Genauigkeit aus. Der LASER-Aussteller Gooch & Housego (UK) Ltd. wirbt damit, dass seine AODs typischerweise über 80 Prozent Beugungseffizienz über einen Scanwinkel von 30 mrad erreichen. Dank hoher Fertigungstiefe und jahrzehntelang aufgebauten Knowhows liefere man auch für spezifische Kundenanforderungen maßgeschneiderte AODs. Zahlreiche OEM-Elektronikhersteller würden diese in ihrer Laser-Mikrobearbeitung einsetzen.
Akustooptisch modulieren, filtern und schalten
Neben Gooch & Housego liefern auch andere Laser World of Photonics-Aussteller, darunter die ebenfalls aus UK stammende ISOMET UK Ltd. und ihr deutscher Partner Acal BFi Germany AOD. Wobei Strahlablenkung nur eine Spielart der Akustooptik ist. Denn die Interaktion von Schall- und Lichtwellen ist auch die Basis für jeweils akustooptische Modulatoren, Güteschalter, Filter oder Frequenzverschieber. Mal dienen sie dazu, die Intensität und Frequenz des Lasers zu modulieren. Mal „picken“ sie in einer Reihe von Kurzpulsen nur einzelne Pulse. Hierfür sind akustooptische Schalter im Einsatz, die hochfrequent mit präzisestem Timing nur benötigte Pulse durchlassen, während sie alle anderen aufhalten. Akustooptisch abstimmbare Filter (AOTF) filtern hingegen aus Breitbandlichtquellen einzelne Wellenlängen heraus – auch hier liegt der Schlüssel in der hochfrequenten Anregung von Schallwellen. Die Pegasus Optik GmbH bietet neben diesen Lösungen auch fasergekoppelte AOM an. Diese sind wahlweise als Frequenzschieber oder als so genannte Q-Switches einsetzbar, mit denen sich Verluste in Resonatoren aktiv kontrollieren lassen. In der Regel dient das angelegte HF-Signal laut Hersteller dazu, einen Teil des Energieflusses aus dem Resonator herauszubeugen. Dabei würden die Verluste stark erhöht, um ein Anschwingen des Lasers zu verhindern. Sobald das HF-Signal abgeschaltet werde, nähmen die Verluste schlagartig ab, was zu einem intensiven Laserpuls führe.
AODs wo ultraschnelle, präzise Strahlführung gefragt ist
Anders als passive, für sehr spezifische Wellenlängen auslegbare Bragg-Gitter lassen sich akustisch angeregte Beugungsgitter aktiv ansteuern. Das macht AODs und AOMs vor allem für Anwendungen interessant, in denen die schnelle, dynamische Kontrolle des Laserstrahls gefragt ist. Auch für die Materialbearbeitung mit kontinuierlichen oder gepulsten Lasern, die heute oft mit hohen Kilowatt-(kW)-Leistungen erfolgt, ist die akustooptische Strahllenkung und -formung interessant. Denn mit ihr lassen sich Laserpulse schneller auf dem Werkstück verteilen, um lokaler Überhitzung vorzubeugen. Auch für Multibeam-Konzepte, in denen ein Hochleistungsstrahl für eine parallele Bearbeitung in viele Einzelstrahlen gesplittet wird, sind AOD eine interessante Alternative zu Galvanometer- oder Piezo-Scannern. Allerdings gilt dies eher für Anwendungen, in denen es weniger auf die Größe des Scanbereichs als auf ultraschnelle und hochpräzise Strahlführung ankommt. Ist Letztere gefragt, dann sind AODs eine Lösung mit höchster Präzision und Auflösung bei zugleich minimalem Wartungsaufwand und maximaler Lebensdauer.
Zur vertieften Auseinandersetzung mit dem Thema bietet Wavelength Opto-Electronic aus Singapore online den sehr gut verständlichen Überblicksartikel “Was sind akustooptische Deflektoren? Alles über AODs erklärt”.