Obrázok 1: Distribúcia intenzity experimentálne meraných gaussovských lúčov (vľavo) a nosníky s klobúkom (vpravo).
Väčšina laserových trámov má gaussovské rozdelenie intenzity; V niektorých aplikáciách však môže byť výhodnejšie používať ne-gaussovské lúče. Gaussovský lúč má prierez distribúcie intenzity, ktorý symetricky znižuje so zvyšujúcou sa vzdialenosťou od stredu. Naproti tomu lúč s klobúkom si udržuje konštantnú distribúciu intenzity v priereze, čo umožňuje konzistentnú intenzitu ožarovania na cieli počas spracovania (pozri obrázok 1). Výsledkom je, že presnejšie a predvídateľnejšie výsledky sa dajú dosiahnuť v aplikáciách, ako je spracovanie polovodičových oblátok, spracovanie iných materiálov a nelineárna frekvenčná konverzia pre lasery s vysokým výkonom.
Topové klobúky produkujú čistejšie škrty a ostrejšie okraje ako gaussovské lúče, ale generovanie nosníkov s klobúkom dodáva ďalšie systémové náklady a zložitosť. Pochopenie výhod lúčov s klobúkom a rôznymi metódami ich generovania môže pomôcť integrátorom laserových systémov zvoliť správny typ laserového lúča pre ich typ aplikácie.
Charakteristiky gaussovských lúčov
Gaussovské lasery sú časté a nákladovo efektívnejšie ako iné typy lúčov laserových zdrojov. Najkvalitnejšie lasery s jedným režimom emitujú lúč, ktorý sleduje gaussovský profil gaussovského ožarovania, ktorý je známy aj ako režim TEM 00. Menšie zdroje kvality budú mať tiež niekoľko ďalších laserových režimov, ale zvyčajne predpokladá, že laser má požadovaný gaussovský profil na zjednodušenie modelovania systému.
Ak má gaussovský lúč rovnakú priemernú optickú silu ako lúč s klobúkom, vrcholové ožarovanie gaussovského lúča bude dvojnásobkom lúča z hlavného klobúkového lúča. Ako gaussovský lúč sa šíri optickým systémom, udržuje gaussovské rozdelenie profilu ožarovania, aj keď sa mení maximálna intenzita alebo veľkosť lúča. To znamená, že gaussovský lúč zostáva konštantný, keď sa šíri.
Aké sú problémy s gaussovskými lúčmi?
Gaussovské lúče majú svoje nevýhody. V aplikáciách, kde sa používa časť lúča s vysokou intenzitou lúča v strede, sa často zbytočne zbytočne stráca, pretože intenzita laseru je vyššia ako prahová hodnota potrebná pre aplikáciu, či už ide o spracovanie materiálu, laserovú chirurgiu alebo iné aplikácie.
Okrem toho krídla gaussovského lúča môžu tiež poškodiť oblasti za cieľovú zónu, čím sa zväčší zóna ovplyvnená tepelne. To je škodlivé pre aplikácie, ako je laserová chirurgia a spracovanie presného materiálu, kde sú prioritné zóny s vysokou presnosťou a minimálnymi zónami ovplyvnené tepelne. Výsledkom je, že materiály spracované s gaussovskými lúčmi nebudú mať zvlášť hladké hrany, čím sa zníži presnosť systému.
Prečo používať nosníky z klobúkov?
V porovnaní s gaussovskými lúčmi profily lúčov s klobúkom nemajú okrídlené rezy a majú strmšie prechody na okraji, čo vedie k efektívnejšiemu prenosu intenzity a menšej zóne ovplyvnenej teplom. [2] Leptanie, zváranie alebo rezanie lúčom z klobúkov bude presnejšie a menej škodlivejšie pre okolie.
Obrázok.
Vďaka tejto hlavnej výhode lúčov s klobúkom ich robí vhodnými pre mnoho rôznych situácií. V testovaní prahovej hodnoty poškodenia vyvolaného laserom (LIDT) a ďalších metrologických systémoch, rovnomerné rozdelenie intenzity lúčov s klobúkom minimalizuje neistotu merania a štatistickú rozptyl. Topové nosníky sú tiež výhodné pri fluorescenčných mikroskopických, holografických a interferometrických systémoch.
Jedným zo spôsobov, ako posúdiť, či je skutočný laserový lúč blízko perfektného lúča s horným klobúkom, je analýza jeho plochého faktora (FV), ktorý sa vypočíta vydelením priemernej hodnoty ožarovania maximálnou hodnotou ožarovania lúča, ako je opísané v štandarde ISO 13694.
Aké sú nevýhody lúčov s klobúkom?
Lúč s klobúkom nie je vhodný pre všetky aplikácie. Nie je tak nákladovo efektívny ako gaussovský lúč, pretože na tvarovanie gaussovského lúča do lúča klobúkov je potrebný ďalší komponent tvaru lúča. Tento komponent môže byť zabudovaný priamo do laserového zdroja alebo sa používa v systéme mimo lasera. Tieto komponenty tvarovania lúča závisia od veľkosti vstupného lúča a sú citlivé na zarovnanie roviny XY. Okrem toho, na rozdiel od gaussovských lúčov, nosníky s klobúkom nezostávajú počas šírenia konštantné. To znamená, že incident lúč s klobúkom nebude udržiavať svoj tvar z klobúku, keď prechádza systémom, a nakoniec sa vyvinie, aby sa podobal vzdušnému bodovému rozdeleniu.
Ako sa realizuje lúč s klobúkom?
Ak je požadovaný lúč s klobúkom, ale náklady na systém sú veľmi obmedzené a výkon nemusí byť veľmi vysoký, gaussovský lúč môže byť fyzicky skrátený pomocou malej clony na vytvorenie profilu klobúkov pseudo-top. Táto metóda odreže a odpadá energiu z oboch krídel gaussovského lúča a nevykonáva ani distribúciu intenzity v strede lúča. Táto metóda môže byť užitočná, ak je hlavným faktorom udržiavanie nízkych nákladov.
Pre vysokovýkonné systémy, ktoré si vyžadujú efektívne využívanie laserovej energie, sa môžu komponenty tvarovania lúča použiť na tvarovanie gaussovského lúča do nosníka s klobúkom. Existuje niekoľko rôznych typov komponentov tvarovania lúča, vrátane refrakčných, reflexných, holografických a difrakčných zariadení. Zariadenia na tvarovanie refrakčných lúčov používajú asférické alebo voľne tvarové šošovky a iné refrakčné komponenty na moduláciu fázy lúča (pozri obrázok 2). Výhodou je rovnomerné rozdelenie intenzity a predná fáza plochej fázy. Amplitúda a fáza dopadajúceho lúča sú modulované optickými prvkami v zostave Galilean alebo Keplerian. Tento proces je zvyčajne vysoko účinný (väčší ako 96%) a vlnová dĺžka nezávislá v rozsahu návrhov zariadení. Tvary refrakčných lúčov produkujú kolimované, špičkové nosníky, ktoré sú obzvlášť vhodné pre aplikácie, ktoré fungujú na veľké vzdialenosti, ako sú holografické zobrazovacie a mikroskopické systémy.
Obrázok 2: Tvarovanie gaussovského lúča do lúča s klobúkom pomocou Adloptica πshaper top klobúkového hattru shaper z Adloptics of Edmund Optics, založené na prevádzkových princípoch, ako sú aberácie vlny a aberácie energie a podmienky na ochranu energie.
Ostatné typy tvarovačov refrakčných lúčov, ktoré formujú gaussovský lúč na kvázi priame vzdušné miesto. Výhodou je to, že vzdušné miesto, keď sa sústreďuje sadou objektívu s obmedzenými difrakciami, tvorí bod zaostrenia s profilom čiapky. V mnohých aplikáciách, ako je mikromachinovanie, litografia a mikrovlnné odčítania, vyžaduje bod zaostrenia profil z klobúkov.
Na druhej strane difrakčné tvarovače lúčov využívajú skôr difrakciu ako lom na zmenu rozdelenia intenzity dopadajúceho laserového lúča. Špecifické mikro- a nanoštruktúry sa pripravujú na substráte pomocou procesu leptania za vzniku difrakčných prvkov. Rozsah účinku a vlnovej dĺžky difrakčného prvku zvyčajne závisí od rozstupu výšky a oblasti štruktúry. Preto sa musia v navrhnutom rozsahu vlnových dĺžok používať difraktívne optické prvky, aby sa predišlo chybám výkonu.
Difrakčné tvarovače lúča sú citlivejšie na uhol divergencie, zarovnanie a polohu lúča ako tvarovače refrakčných lúčov. Avšak difrakčné tvary lúča majú osobitnú výhodu v laserových systémoch obmedzených vesmíru, pretože obvykle pozostávajú z jediného difrakčného prvku namiesto viacerých refrakčných šošoviek a môžu tvoriť obalové nosníky a vzdušné škvrny.
Integrátory laserových lúčov alebo homogenizátory sú ďalším typom zložky tvarovania lúčov. Pozostávajú z množstva malých šošoviek, ktoré rozdeľujú dopadajúce svetlo na menšie lúče. Zaostrená šošovka potom prekrýva menšie lúče na cieľovú rovinu. Konečný výstupný lúč je súčet difrakčných vzorov produkovaných každou malú šošovku v poli. Môžu formovať incident Gaussovský lúč do rovnomerného profilu čiapky. Tieto systémy sa však často stretávajú s výkyvmi náhodných ožarovaní, čo vedie k profilu výstupného lúča, ktorý nie je úplne intenzívny jednotný. Tabuľka 1 porovnáva rôzne tvarovače lúča.
Topové nosníky sú vhodné pre rôzne laserové systémy, kde presnosť a efektívnosť sú dôležitejšie ako náklady. Vďaka refrakčným, difrakčným a inými typmi tvarov lúčov, ktorí sú v súčasnosti na trhu, majú integrátory laserových systémov pri výbere lúčového shapera rôzne možnosti.
