Figura 1: Distribuția intensității grinzilor gaussiene măsurate experimental (stânga) și fasciculele de pălărie superioare (dreapta).
Majoritatea grinzilor laser au distribuții de intensitate gaussiană; Cu toate acestea, în unele aplicații, poate fi mai benefic să se utilizeze fascicule non-gaussiene. Un fascicul gaussian are o secțiune transversală de distribuție a intensității care scade simetric odată cu creșterea distanței față de centru. În schimb, un fascicul de pălărie superior menține o distribuție constantă a intensității pe secțiunea transversală, permițând o intensitate de iradiere constantă pe țintă în timpul procesării (a se vedea figura 1). Drept urmare, pot fi obținute rezultate mai precise și previzibile în aplicații precum procesarea plafonului semiconductor, alte procesare a materialelor și conversia frecvenței neliniare pentru lasere de mare putere.
Grinzile de pălărie de top produc tăieturi mai curate și margini mai clare decât grinzile gaussiene, dar generarea de fascicule de pălărie de top adaugă costuri și complexitate suplimentare ale sistemului. Înțelegerea beneficiilor grinzilor de pălărie de top și a diferitelor metode de generare a acestora poate ajuta integratorii de sistem laser să selecteze tipul potrivit de fascicul laser pentru tipul lor de aplicație.
Caracteristicile grinzilor gaussiene
Laserele gaussiene sunt mai frecvente și mai rentabile decât alte tipuri de fascicul de surse laser. Majoritatea laserelor de înaltă calitate, cu un singur mod, emit un fascicul care urmează un profil de iradiere gaussiană de ordin scăzut, care este cunoscut și sub numele de modul TEM 00. Surse de calitate mai mici vor avea, de asemenea, un anumit grad de alte moduri laser prezente, dar, de obicei, presupun că laserul are un profil gaussian dezirabil pentru a simplifica modelarea sistemului.
Dacă fasciculul gaussian are aceeași putere optică medie ca și fasciculul de pălărie de sus, iradierea maximă a fasciculului gaussian va fi de două ori mai mare decât cea a fasciculului de pălărie de sus. Pe măsură ce un fascicul gaussian se propagă printr -un sistem optic, menține o distribuție a profilului de iradiere gaussiană, chiar dacă intensitatea maximă sau dimensiunea fasciculului se schimbă. Aceasta înseamnă că fasciculul gaussian rămâne constant pe măsură ce se propagă.
Care sunt problemele cu grinzile gaussiene?
Grinzile gaussiene au dezavantajele lor. În aplicațiile în care se folosește porțiunea de intensitate ridicată a fasciculului din centru, porțiunea de intensitate joasă a fasciculului de pe ambele părți (așa-numita „aripi”) este adesea irosită, deoarece intensitatea laserului este mai mare decât pragul necesar pentru aplicație, indiferent dacă este procesare materială, chirurgie cu laser sau alte aplicații.
În plus, aripile fasciculului gaussian pot deteriora și zonele dincolo de zona țintă, extind astfel zona afectată de căldură. Acest lucru este în detrimentul aplicațiilor precum chirurgia cu laser și procesarea materialelor de precizie, unde sunt prioritare zone de înaltă precizie și minime afectate de căldură. Drept urmare, materialele prelucrate cu grinzi gaussiene nu vor avea margini deosebit de netede, reducând astfel exactitatea sistemului.
De ce să folosiți grinzi de pălărie de top?
În comparație cu grinzile gaussiene, profilurile de fascicul de pălărie de top nu au secțiuni înaripate și au tranziții mai abrupte ale marginilor, ceea ce duce la un transfer de intensitate mai eficient și la o zonă mai mică de căldură afectată. [2] Gravura, sudarea sau tăierea cu un fascicul de pălărie de sus va fi mai precisă și mai puțin dăunătoare pentru zona înconjurătoare.
Imagine.
Acest avantaj major al grinzilor de pălărie de top le face potrivite pentru multe situații diferite. În testarea pragului de deteriorare indusă de laser (LIDT) și alte sisteme de metrologie, distribuția uniformă a intensității grinzilor de pălărie de top minimizează incertitudinea de măsurare și variația statistică. Grinzile de pălărie de top sunt, de asemenea, avantajoase în sistemele de microscopie fluorescentă, holografie și interferometrie.
O modalitate de a evalua dacă un fascicul laser real este apropiat de un fascicul de pălărie de top perfect este de a analiza factorul său de planeitate (Fη), care este calculat prin împărțirea valorii medii de iradiere la valoarea maximă de iradiere a fasciculului, așa cum este descris în standardul ISO 13694.
Care sunt dezavantajele grinzilor de pălărie de top?
Fasciculul de pălărie de top nu este potrivit pentru toate aplicațiile. Nu este la fel de rentabil ca un fascicul gaussian, deoarece este necesară o componentă suplimentară de modelare a fasciculului pentru a modela fasciculul gaussian într-un fascicul de pălărie de sus. Această componentă poate fi construită direct în sursa laser, fie folosită într -un sistem din afara laserului. Aceste componente de modelare a fasciculului depind de dimensiunea fasciculului de intrare și sunt sensibile la alinierea planului XY. În plus, spre deosebire de grinzile gaussiene, grinzile de pălărie de top nu rămân constante în timpul propagărilor. Acest lucru înseamnă că un fascicul de pălărie de top incident nu își va menține forma de pălărie de top, deoarece călătorește prin sistem și va evolua în cele din urmă pentru a semăna cu o distribuție a locului aerisit.
Cum se realizează un fascicul de pălărie de top?
Dacă se dorește un fascicul de pălărie de top, dar costul sistemului este foarte limitat, iar performanța nu trebuie să fie foarte mare, fasciculul gaussian poate fi trunchiat fizic folosind o deschidere mică pentru a crea un profil pseudo-top pălărie. Această metodă taie și risipește energie din ambele aripi ale fasciculului gaussian și nici nu scoate distribuția intensității în centrul fasciculului. Această metodă poate fi utilă dacă menținerea costurilor scăzute este un factor major.
Pentru sistemele de înaltă performanță care necesită o utilizare eficientă a energiei cu laser, componentele de modelare a fasciculului pot fi utilizate pentru a modela fasciculul gaussian într-un fascicul de pălărie superior. Există mai multe tipuri diferite de componente de modelare a fasciculului, inclusiv dispozitive de refracție, reflectoare, holografice și difractive. Dispozitivele de modelare a fasciculului de refracție folosesc lentile asferice sau cu formă liberă și alte componente refractive pentru a modula faza fasciculului (a se vedea figura 2). Avantajul este o distribuție uniformă a intensității și o față cu fază plană. Amplitudinea și faza fasciculului de incidente sunt modulate de elemente optice într -un ansamblu al lentilei galilene sau Keplerian. Acest proces este de obicei extrem de eficient (mai mare de 96%) și independent de lungime de undă pe gama de proiecte de dispozitive. Formatoarele de fascicul de refracție produc grinzi de ură colimate, de vârf, care sunt deosebit de potrivite pentru aplicațiile care funcționează pe distanțe lungi, cum ar fi sistemele de imagini holografice și microscopie.
Figura 2: Formarea unui fascicul gaussian într -un fascicul de pălărie de sus folosind shaper -ul de pălărie de pălărie de top Adloptica πshaper din Adloptics of Edmund Optics, bazat pe principii de funcționare, cum ar fi aberațiile pe malul valurilor și condițiile de conservare a energiei.
Alte tipuri de modele de fascicul de refracție care modelează fasciculul gaussian într-un loc aerisit cvasi. Avantajul acestui lucru este că locul aerisit, atunci când este concentrat de un set de lentile limitat de difracție, formează un punct de focalizare cu un profil de pălărie de top. În multe aplicații, cum ar fi micromachinarea, litografia și microwelding -ul, punctul de focalizare necesită un profil de pălărie de top.
Pe de altă parte, modelele de fascicul difractiv folosesc difracția, mai degrabă decât refracția, pentru a schimba distribuția intensității fasciculului laser incident. Micro- și nanostructuri specifice sunt preparate pe un substrat folosind un proces de gravare pentru a forma elemente difractive. Efectul și intervalul de lungime de undă a elementului difractiv depinde de obicei de distanța de înălțime și regiune a structurii. Prin urmare, elementele optice difractive trebuie utilizate în intervalul de lungime de undă proiectat pentru a evita erorile de performanță.
Formatele de fascicul difractiv sunt mai sensibile la unghiul de divergență, alinierea și poziția fasciculului decât formarea fasciculului de refracție. Cu toate acestea, modelele de fascicul difractiv au un avantaj particular în sistemele laser restricționate în spațiu, deoarece constau de obicei dintr-un singur element difractiv în loc de mai multe lentile de refracție și pot forma atât grinzi de pălărie de top, cât și pete aerisite.
Integratorii cu fascicul laser, sau omogenizatorii, sunt un alt tip de componentă de modelare a fasciculului. Ele constau dintr -o serie de lentile mici care separă lumina incidentă în grinzi mai mici. O lentilă de focalizare suprapune apoi grinzile mai mici pe planul țintă. Fasciculul final de ieșire este suma modelelor de difracție produse de fiecare lentilă mică din tablou. Acestea pot modela fasciculul gaussian incident într -un profil de pălărie de top uniform. Cu toate acestea, aceste sisteme se confruntă adesea cu fluctuații de iradiere aleatoare, rezultând un profil de fascicul de ieșire care nu este uniform de intensitate perfect. Tabelul 1 compară diverse modele de fascicul.
Grinzile de pălărie de top sunt potrivite pentru o varietate de sisteme laser în care precizia și eficiența sunt mai importante decât costurile. Cu refracție, difractivă și alte tipuri de modele de fascicul în prezent pe piață, integratorii de sistem laser au o varietate de opțiuni atunci când selectează un shaper cu fascicul.
