Рисунок 1: Распределение интенсивности экспериментально измеренных гауссовых балок (слева) и лучших шляп (справа).
Большинство лазерных балок имеют гауссовые распределения интенсивности; Однако в некоторых приложениях может быть более полезно использовать негауссовые балки. Гауссовый луч имеет поперечное сечение распределения интенсивности, которое симметрично уменьшается с увеличением расстояния от центра. Напротив, луча верхней шляпы поддерживает постоянное распределение интенсивности по поперечному сечению, что обеспечивает постоянную интенсивность облучения на мишени во время обработки (см. Рисунок 1). В результате, более точные и предсказуемые результаты могут быть достигнуты в таких приложениях, как обработка полупроводниковых пластин, другие материалы обработки и нелинейное преобразование частоты для лазеров мощности.
Лучики верхней шляпы производят более чистые порезы и более четкие края, чем гауссовые балки, но генерирующие балки верхней шляпы добавляют дополнительные затраты и сложность системы. Понимание преимуществ лучших балок шляпы и различные методы их генерации могут помочь лазерным системным интеграторам выбрать правильный тип лазерного луча для их типа применения.
Характеристики гауссовых лучей
Гауссовые лазеры более распространены и экономичны, чем другие типы лучей лазерных источников. Большинство высококачественных одномодовых лазеров излучают луч, который следует за профилем гауссового излучения низкого порядка, который также известен как режим TEM 00. Меньшие источники качества также будут иметь некоторую степень других лазерных режимов, но обычно предполагают, что у лазера есть желательный гауссовый профиль для упрощения моделирования системы.
Если гауссовый луч обладает той же средней оптической мощностью, что и верхняя шляпа, то пиковое излучение гауссового луча будет в два раза больше, чем у верхней шляпы. Поскольку гауссовый луч распространяется через оптическую систему, он поддерживает распределение профиля гауссового излучения, даже если изменяется интенсивность пика или размер луча. Это означает, что гауссовый луч остается постоянным при распространении.
Каковы проблемы с гауссовыми лучами?
Гауссовые балки имеют свои недостатки. В приложениях, где используется высокая интенсивная часть луча в центре, часть низкой интенсивности луча с обеих сторон (так называемые «крылья») часто тратятся впустую, потому что интенсивность лазера выше порога, необходимого для применения, будь то обработка материалов, хирургия лазера или другие применения.
Кроме того, крылья гауссового луча также могут повредить области за пределами целевой зоны, тем самым увеличивая затронутую зону тепла. Это наносит ущерб таким приложениям, как лазерная хирургия и точная обработка материала, где высокая точность и минимальные зоны, пострадавшие от тепла, приоритеты. В результате материалы, обработанные гауссовыми балками, не будут иметь особенно гладкие края, что снижает точность системы.
Зачем использовать лучшие балки шляпы?
По сравнению с гауссовыми балками, профили верхней шляпы не имеют крылатых секций и имеют более крутые краевые переходы, что приводит к более эффективной передаче интенсивности и меньшей зоне теплового воздействия. [2] Трэнд, сварка или резка с помощью верхней шляпы будут более точными и менее вредными для окружающей области.
Картина.
Это главное преимущество лучей шляпы делает их подходящими для многих различных ситуаций. В тестировании по пороговому значению порога повреждений (LIDT) и в других системах метрологии распределение интенсивности балок верхней шляпы минимизирует неопределенность измерений и статистическую дисперсию. Лучники верхней шляпы также выгодны в системах флуоресцентной микроскопии, голографии и интерферометрии.
Одним из способов оценить, находится ли фактический лазерный луч близко к идеальной верхней шляпной балке, является анализ его плоскостного коэффициента (Fη), который рассчитывается путем деления среднего значения облучения на максимальное значение излучения луча, как описано в стандарте ISO 13694.
Каковы недостатки лучей шляпы?
Луч верхней шляпы не подходит для всех применений. Это не так рентабельно, как гауссовый луч, потому что для формирования гауссовского луча требуется дополнительный компонент формы луча. Этот компонент может быть построен либо непосредственно в лазерный источник, либо используется в системе за пределами лазера. Эти компоненты формирования луча зависят от размера входного луча и чувствительны к выравниванию плоскости XY. Кроме того, в отличие от гауссовских лучей, лучшие шляпы не остаются постоянными во время распространения. Это означает, что падающая верхняя шляпа не будет поддерживать свою верхнюю форму шляпы, когда она пройдет через систему, и в конечном итоге будет развиваться, чтобы напоминать воздушное распределение пятна.
Как реализуется лучшая шляпа?
Если лучшая шляпа требуется, но стоимость системы очень ограничена, и производительность не должна быть очень высокой, гауссовый луч может быть физически усечен, используя небольшую апертуру, чтобы создать псевдо-верхнюю профиль шляпы. Этот метод отрезает и тратит энергию от обоих крыльев гауссовского луча и даже не распределяет распределение интенсивности в центре пучка. Этот метод может быть полезен, если поддержание низкой стоимости является основным фактором.
Для высокопроизводительных систем, которые требуют эффективного использования лазерной энергии, компоненты формирования луча могут использоваться для формирования гауссового луча в верхнюю шляпу. Существует несколько различных типов компонентов формирования луча, включая рефракционные, отражающие, голографические и дифракционные устройства. Устройства для формирования преломления луча используют асферические или свободные линзы, содержащиеся в полевых условиях, и другие рефракционные компоненты для модуляции фазы луча (см. Рисунок 2). Преимущество - это равномерное распределение интенсивности и плоская фазовая фронт. Амплитуда и фаза падающего луча модулируются оптическими элементами в галилийской или кеплерианской линзе. Этот процесс, как правило, высокоэффективен (более 96%) и длиной волны в диапазоне конструкций устройств. Рефракционные формы лучей производят коллимированные, верхние шляпы, которые особенно хорошо подходят для применений, которые работают на больших расстояниях, таких как голографическая визуализация и системы микроскопии.
Рисунок 2: Формирование гауссовского луча в лучшую шляпу с использованием Adloptica πshaper Top Hat Beam от адлоптики Edmund Optics, основанную на принципах эксплуатации, таких как аберрации волнового фронта и условия сохранения энергии.
Другие виды преломления лучей, которые формируют гауссовый луч в квази-подрядное воздушное место. Преимущество этого заключается в том, что воздушное пятно, сфокусированное на дифракционном наборе объектива, образует точку фокусировки с профилем Top Hat. Во многих приложениях, таких как микрообработка, литография и микроволнов, точка фокусировки требует верхнего профиля шляпы.
С другой стороны, дифракционные формы луча используют дифракцию, а не рефракцию, чтобы изменить распределение интенсивности падающего лазерного луча. Специфические микро- и наноструктуры готовятся на подложке с использованием процесса травления для формирования дифракционных элементов. Эффект и диапазон длины волны дифракционного элемента обычно зависят от высоты и расстояния между областями структуры. Следовательно, дифракционные оптические элементы должны использоваться в рамках разработанного диапазона длины волны, чтобы избежать ошибок производительности.
Дифрактивные формы луча более чувствительны к углу дивергенции, выравнивания и положения луча, чем рефракционные обороты луча. Тем не менее, дифрактивные формы луча имеют особое преимущество в ограниченных пространственных лазерных системах, поскольку они обычно состоят из одного дифракционного элемента вместо нескольких рефракционных линз и могут образовывать как верхние шляпы, так и воздушные пятна.
Интеграторы лазерного луча, или гомогенизаторы, являются еще одним типом компонента формирования луча. Они состоят из множества небольших линз, которые разделяют падающий свет на более мелкие балки. Фокус -объектив затем накладывает меньшие балки на целевую плоскость. Окончательный выходной пучок - это сумма дифракционных схем, создаваемых каждым небольшим объективом в массиве. Они могут сформировать падение гауссового луча в равномерный профиль верхней шляпы. Тем не менее, эти системы часто сталкиваются с случайными колебаниями излучения, что приводит к профилю выходного пучка, который не является универсальной интенсивностью. Таблица 1 сравнивает различные формы луча.
Лучники верхней шляпы подходят для различных лазерных систем, где точность и эффективность важнее затрат. При преломлении, дифракционном и других типах формирования луча, в настоящее время на рынке, лазерные системные интеграторы имеют множество вариантов при выборе формирования луча.
