Aligna beam positioning

Aligna®

Aktive Strahl-Stabilisierung, Justage und Beam-Sharing von Lasern mit System

Aligna ist ein Komplettsystem zur Stabilisierung der Strahllage. Die Kontrollelektronik, ein kombinierter Winkel- und Positionsdetektor und zwei aktive Spiegel bilden eine Feedbackschleife, die thermische Driften und schnelle Fluktuationen unterdrückt – die Strahllage ist damit auf sub-Mikrometer Genauigkeit definiert.

Das Aligna System enthält zusätzlich eine Vielzahl von Algorithmen und Funktionalitäten, zum Beispiel:

  • Scannen von Strahlwinkel und -position
  • Optimierung der Strahllage
  • Parallelisierung des Strahls zu beweglichen Achsen
  • Selbstlernender Algorithmus zur Erkennung der Strahlregelparameter
  • Überwachung und Regelung von bis zu 4 Strahlen
  • Alle gängigen Wellenlängen

Das Strahlstabiliserungs-System im Überblick

Sie benötigen Laserstrahlung mit exakter Positionierung für konstant gute Ergebnisse? Dann ist ein unser Aligna-System genau das, was Sie suchen!

Aligna kann äußere Einflüsse präzise messen und kompensieren, z.B. Drift, Vibrationen oder Thermik, welche etwa durch das Vorhandensein beweglicher Komponenten  (z.B. motorisierter Opto-Mechaniken) entstehen.

Lernen Sie Aligna kennen: zu den technischen Details →

Aligna ist ein aktives Beam-Stabilisierungs-System mit selbstlernenden Parametern verhindert zuverlässig Pointing-Fehler des Laserstrahls in 4D und erlaubt gleichermaßen die aktive Steuerung von Strahlparametern wie z.B. Strahldurchmesser, Fokuslage oder Intensitäts- und Polarisations-Eigenschaften. Aligna ist für alle gängigen Wellenlängen geeignet.

Schon gewusst...?

Wir liefern ihr Aligna-System als Plug & Play Kit fertig konfiguriert und montiert auf einer Acrylglas-Platte aus. So können sie das System sofort in Betrieb nehmen und kennenlernen, bevor sie die Komponenten in ihre Anwendung integrieren.

Warum Strahlstabilisierung wichtig ist

Beam-Sharing, Beam-Switching und Stabilisierung im Überblick

Ein Aligna Laserstrahl-Sharing oder auch -Switching-System erlaubt es, dass mehrere Arbeitsstationen mit einem Laser betrieben werden können. Beim Beam-Sharing (siehe Bild) können alle Stationen unabhängig voneinander genutzt werden, da ein Teil des Strahls durch einen Strahlteiler an die jeweils nächste Arbeitsstation weitergeleitet wird. Beim Beam-Switching kann der Laserstrahl zwischen verschiedenen Arbeitsstationen gewechselt werden, es steht dann i.d.R. die volle Laserleistung für die jeweils gewählte Anwendung zur Verfügung. Die im Bild angedeuteten Strahlteiler werden in diesem Fall durch Strahlweichen (Beam-switch) ersetzt. Die möglichen Anwendungen sind vielfältig.

Beam Delivery über Entfernungen

Ob es nur um Millimeter bis zur nächsten Single-Mode Faser geht, oder um 50 Meter bis zur nächsten Beamline, als Beam-Delivery-System mit aktiver Stabilisierung überbrücken Sie Distanzen. Sogar von der Erde bis in den Weltraum.

Die Standard-Konfiguration

Eine gängige Konfiguration, zum Beispiel für die Stabilisierung eines einzelnen Strahls, besteht aus 1 x Positionssensor, 2 x Aktuatoren und 1 x Steuerelektronik. Das System kann mit weiteren Komponenten erweitert werden. Die Bandbreite an möglichen Komponenten ist im Folgenden dargestellt.

Grundkomponenten eines Aligna-Strahlstabilisierungssystems (Steuerungselektronik nicht abgebildet)
Grundkomponenten eines Aligna-Strahlstabilisierungssystems (Steuerungselektronik nicht abgebildet)

Möglichkeiten der Erweiterung

Aligna-Systeme können fast beliebig nach Anwendungsanforderungen modular zusammengestellt und jederzeit erweitert werden. Ein System besteht immer aus den Basis-Komponenten Winkel/Positions-Sensoren, Steuer-Elektronik und Aktuatoren (Beam Steering). Zusätzlich im Programm sind beispielsweise Beam-Shutter, Möglichkeiten zum Faser-Alignment und einiges mehr. Sollten Sie einmal einen ganz speziellen Wunsch verwirklicht sehen, zögern Sie nicht uns anzusprechen. Eine Vielzahl von Komponenten aus unserem Programm ist durch Kundenwünsche entstanden.

Die 3 Basis-Komponenten eines Aligna-Systems

2D und 4D-Strahl-Stabilisierung im Überblick

Instabilitäten bei Laserstrahlen können in bis zu vier Raumrichtungen auftreten: in translatorischer Richtung (X und Y) sowie rotatorischer Richtung (Φ und θ). Da die Bewegungen an alle Richtung sowohl vorwärts- als auch rückwärts-gerichtet auftreten, spricht man manchmal auch von 4 und 8 Freiheitsgraden.

Oft sind die Freiheitsgrade voneinander abhängig. Eine reine Winkeldrift führt zum Beispiel nach einer längeren Ausbreitungsstrecke zu einer Kombination aus Winkel- und Positionsbewegung. Je länger die Strahlwege werden, desto offensichtlicher tritt diese Abhängigkeit zu tage.

Instabilitäten bei Laserstrahlen können in bis zu vier Raumrichtungen auftreten: X, Y, Φ, θ.

Denken wir zum Bsp. an einen Spiegelhalter, der durch Änderungen der Raumtemperatur um 100 µrad driftet. Diese Winkeldrift führt zu einer Strahlablenkung von 0,1 mm bereits nach 1m Wegstrecke und 1 mm Ablenkung nach 10m Wegstecke.

Um die Kombination aus Winkel- und Positionsverschiebung auszugleichen, bedarf es einer Kombination aus Positions- und Winkelkorrektur. Im Beispiel (Bild) geschieht dies durch eine 4D Korrektur mittels zwei 2D-Spiegel-Aktuatoren.

Um die Winkel-und Positionsverschiebung zu messen, werden dementsprechend zwei 2D Sensoren benötigt, ein Sensor für die X und Y Positionen und ein weiterer für die Winkelpositionen Φ und θ. Ein 4D-Detektor, wie der PSD 4D von TEM Messtechnik, vereint beide Sensor-Arten praktischerweise in einem Gehäuse. Anhand der Sensordaten ist das Aligna-Stabilisierungssystem selbstständig in der Lage, die Korrektur-Ansteuerung der Aktuatoren vorzunehmen.

Um die Kombination aus Winkel- und Positionsverschiebung auszugleichen, bedarf es einer Kombination aus Positions- und Winkelkorrektur (4D Korrektur).

Stabilization of 1 beam

The 4D stabilization system is the most common application for beam stabilization. The position of the laser spot on the target is to be kept stable. This is (typically) achieved by controlling 2 x active mirrors and by 1 x position & angular sensitive detector.

Stabilization 1 beam over large distance

Similar to 1-beam stabilization, but with additional position control, which simplifies beam search and beam guidance for very long paths. Well suited for beamlines or for beam delivery across laboratories.

Anwendung Strahlstabilisierung 1 Strahl über große Entfernungen mit 3 Aktuatoren

Overlaying 2 or more laser beams

If several beams have to be positioned and kept stable on the same spot, a multi-beam stabilization system is appropriate.

Strahlstabilisierung von 2 zu einer Zielposition zusammengeführter Strahlen

Material processing with focus stabilization

Autofocus and point stabilization are the advantages of the „multi-drill“ from TEM Messtechnik. It is particularly useful for material processing applications and everywhere where the focus of the laser spot plays a crucial role.

Strahlstabilisierung mit Autofokus für die Materialbearbeitung

Focusing to a capillary with beam stabilization

A typical application for Aligna systems is the stabilization of a beam focused into a hollow fiber or capillary using a lens with a relatively long focal length (f = 0.3 m … 2 m).

Automatic single mode fiber coupling

Fast setting of high coupling efficiency is achieved by automatic fiber coupling. Maximum intensity can be achieved and secured at any time. Highly convenient beam coupling is made possible by a scan mode, which allows fast scanning of the fiber input.

Automated fiber alignment for laser beams

Beam switching and beam sharing

Beam switching allows the laser beam to be switched between different workstations, and the (almost) full laser power is available for the selected application. With a beam sharing system, several workstations can be operated simultaneously with one light source.

Beam Switching

Beam guidance with stabilization over lab tables or rooms

The position of the laser spot on the target must be kept stable, even if the laser source and application are located on different tables. Beam stabilization solutions are also suitable for areas with restricted access, e.g. S3 or S4 bio-labs, clean rooms or radioactive areas.

Applikation Aligna Strahl-Stabilisierung über Labor-tische hinweg

Gantry system for one axis

Beam stabilization, precise focus control and beam parallelization along long travel paths are required for common laser material processing systems. Laser beam stabilization in gantry systems where the beam is in motion is a very typical application for Aligna systems.

Anwendung Einachsiger Gantry mit Stabilisierung

Gantry system for 2 (or 3) axis

As with the gantry application before, but here it is about beam stabilization with moving focusing heads in (at least) two directions, X and Y, and sometimes also in Z.

Anwendung Zwei- und Drei-Achsen-Portal mit Stabilisierung

Beam-Steering Komponenten (Aktuatoren)

Aligna40 (±Φ, ±θ)
40×40 mm
Motorized Mirror
Manual actuation possible
Reference encoder
1″, 1/2″, 2″ mirror mount

Aligna60 (±Φ, ±θ)
60×60 mm
Motorized Mirror
Manual actuation possible
Reference encoder
1″, 1/2″, 2″ mirror mount

Aligna MoPiA 40/60 (±Φ, ±θ)
60×60 or
40×40 mm
Piezo + Motorized Actuator

Aligna R (±Φ)
Rotation Stage
e.g. for polarization control,
intensity stabilization

Aligna BeamSwitch
Beam switch & shutter
adjustable limits, feedback (encoder in either direction)
beam dia. < 10mm
beam dump, or mirror

Aligna BeamScan HS |1″ | 2″
High stroke* piezo X|Y scanner
*up to 2×100 mrad, 0.5 kHz
for manual- or auto-coupling of fibersOption: manual or motorized SM fiber focussing

Aligna multiDrill
Autofocus and pointing stabilization head

Aligna Lin
Motorized linear stage
7 mm or moremore on request linear travel
Various adapters for opt. components

Aligna Lin w. fiber collimator
Aligna Lin with special optics, e.g. single-mode fiber collimator

One-Inch | Two-Inch Depending on the application, your system is equipped with components in appropriate dimensions, e.g. 1/2″, 1″, 2″ ….

Positions- und Winkelsensoren

PSD 2D (±X, ±Y)
Position sensitive detector
4 x 4 mm | or 9 x 9 mm
Individual use or combined for 4D-detection
Δλ: 380 – 1100 nm or othersOther wavelengths down to 180 nm (UV) and up to 2600 nm (IR) can be realized

PSD 4Dc (±X, ±Y, ±Φ, ±θ)
Position & angular sensitive detector
Compact form factor
Δλ: 380 – 1100 nm or othersOther wavelengths down to 180 nm (UV) and up to 2600 nm (IR) can be realized
Accur: < 1 µm, < 1 µrad

PSD 4De (±X, ±Y, ±Φ, ±θ)
Position & angular sensitive detector
Open system, for experimental setupsWorks the same as PSD 4Dc but offers more flexibility for experimental setups
Δλ: 380 – 1100 nm or othersOther wavelengths down to 180 nm (UV) and up to 2600 nm (IR) can be realized
Accur: < 10 nm, < 10 nrad

Steuerelektronik

Die Steuerungseinheit bildet in Komination mit einem PSD 4D Detektor und zwei Aligna60 Aktoren eine flexible, schnelle und hochpräzise Strahllage-Stabilisierung für Laserstrahlen. Das System ist geeignet für (fast) alle Wellenlängen, (fast) beliebige Strahldurchmesser und CW- und gepulste Laser (mit Repetitionsraten > 15kHz).

Zusätzliche Funktionalitäten umfassen:

  • Scannen & Suchen
  • Optimieren der Strahllage
  • Fernsteuerung von Spiegelhaltern
  • Loggen der Strahllage oder anderer Messgrößen

Als Steuerungseinheiten stehen zwei Varianten zur Verfügung: µAligna (linkes Bild) und Aligna-Steuerelektronik in der HE-Ausführung (rechtes Bild).

µAligna

  • sehr kompaktes Design (210 x 125 x 90 mm)
  • vollautomatische, hochpräzise Strahlausrichtung
  • kompatibel mit allen Aligna-Aktoren und -Detektoren

Aligna (19''-Rack)

  • geeignet für 19″-Rack-Einbau (484 x 343 x 150 mm, 3 HE)
  • vollautomatische, hochpräzise Strahlausrichtung
  • kompatibel mit allen Aligna-Aktoren und -Detektoren

Abhängig von Ihrer Applikation schlagen ihnen unsere Mitarbeiter die am besten geeignete Variante der Steuereinheit (µAligna oder HE-Variante) vor.

Typische Aligna System-Konfigurationen

Im folgenden erhalten Sie eine Übersicht über typische Konfigurationen eines Aligna Komplett-Systems. Die Preise dienen zur groben Orientierung. Fragen Sie uns nach einem Angebot, um verbindliche Preise und Konfiguration-Details zu erhalten.

 

1 beam
      
System configurationHigh rep. with motorsLow rep. with motorsHigh rep. with motors + piezos Low rep. with motors + piezosLow rep. with motors + piezos
Explanationcw or reprate > 3 kHz, slow drifts (low reg. bandwidth)reprate < 3 kHz (sample & hold)same as before + fast actuators (reg. bandwidth up to 1 kHzcombination for low reprate and fast actuatorscombination for low reprate and fast actuators; for very long distances
Config. NameMoA HiRepMoA LoRepMoPiA HiRepMoPiA LoRepMoPiA LoRep BeamLine
Single item price*
Aligna 19" Rack111112,690
SPM-base11111980
SPM-P111390
SPM-SH111285
µStpDriver11112490
Piezo Driver111620
PSD 4Dc/e111111,470
Aligna 60 MoPiA221,980
Aligna 60 MMM2231,580
BS One Inch975
BS Two Inch2995
AimPD1173
Total system price* in EUR8,7909,07510,60010,88514,278
* Prices are a rough estimation without discount, cables, installation, shipping, adaption, specials, etc.
8% surcharge for non-European countries plus shipping and if applicable import duty/taxes in the country of destination apply

 

2 beams     
High rep. with motorsLow rep. with motorsHigh rep. with motors + piezosLow rep. with motors + piezos
Explanationcw or reprate > 3 kHz, slow drifts (low reg. bandwidth); 2 indep. beams or 2 partial beams of an amplified chainreprate < 3 kHz (sample & hold) for 2 beams same as before + fast actuators (reg. Bandwidth up to 1 kHz, for 2 beamscombination for low reprate and fast actuators for 2 beams
Config. NameMoA HiRep 2BMoA LoRep 2BMoPiA HiRep 2BMoPiA LoRep 2B
Single item price*
Aligna 19" Rack11112,690
SPM-base2222980
SPM-P22390
SPM-SH22285
µStpDriver2222490
Piezo Driver2222620
PSD 4Dc/e22221,470
Aligna 60 MoPiA441,980
Aligna 60 MMM441,580
BS One Inch975
BS Two Inch995
AimPD173
Total system price EUR*14,89015,46017,89018,460
* Prices are a rough estimation without discount, cables, installation, shipping, adaption, specials, etc.
8% surcharge for non-European countries plus shipping and if applicable import duty/taxes in the country of destination apply

Active vs. Passive Stability

Smart Aligna Electronics Outperforms Steel

An introduction of Aligna

Presented by Market Tech Inc., official TEM distributor in USA