Ryc. 1: Rozkład intensywności eksperymentalnie zmierzonych wiązek Gaussa (po lewej) i belki górnej czapki (po prawej).
Większość wiązek laserowych ma rozkłady intensywności Gaussa; Jednak w niektórych aplikacjach korzystanie z wiązek nie-gaussa może być bardziej korzystne. Belka Gaussa ma przekrój rozkładu intensywności, który zmniejsza się symetrycznie wraz ze wzrostem odległości od środka. W przeciwieństwie do tego, że wiązka czapki utrzymuje stały rozkład intensywności w przekroju, umożliwiając spójną intensywność napromieniowania w celu podczas przetwarzania (patrz ryc. 1). W rezultacie dokładniejsze i przewidywalne wyniki można osiągnąć w zastosowaniach takich jak przetwarzanie opłat półprzewodników, przetwarzanie innych materiałów i konwersja częstotliwości nieliniowej dla laserów o dużej mocy.
Top Belki do czapki wytwarzają czystsze cięcia i ostrzejsze krawędzie niż wiązki Gaussa, ale generowanie wiązek z górnymi czapkami dodaje dodatkowych kosztów i złożoności systemu. Zrozumienie korzyści z najlepszych wiązek czapki i różnych metod ich generowania może pomóc integratorom systemów laserowych wybrać odpowiedni typ wiązki laserowej dla ich rodzaju zastosowania.
Charakterystyka wiązek Gaussa
Lasery Gaussa są bardziej powszechne i opłacalne niż inne rodzaje wiązki źródeł laserowych. Większość wysokiej jakości laserów jednomodowych emituje wiązkę, która podąża za profilem napromieniowania Gaussa niskiego rzędu, który jest również znany jako tryb TEM 00. Mniejsza jakość źródeł będzie również miała pewien stopień innych trybów laserowych, ale zwykle zakładają, że laser ma pożądany profil Gaussa do uproszczenia modelowania systemu.
Jeśli wiązka Gaussa ma taką samą średnią moc optyczną jak szczytowa wiązka kapelusza, szczytowa napromienienia wiązki Gaussa będzie dwukrotnie większa niż w górnej wiązce czapki. Gdy wiązka Gaussa propaguje się przez układ optyczny, utrzymuje rozkład profilu napromieniowania Gaussa, nawet jeśli zmienia się intensywność szczytowa lub rozmiar wiązki. Oznacza to, że wiązka Gaussa pozostaje stała w miarę rozpowszechniania.
Jakie są problemy z wiązkami Gaussa?
Belki Gaussa mają swoje wady. W zastosowaniach, w których stosowana jest część wiązki o wysokiej intensywności w środku, często zmarnowana jest część wiązki o niskiej intensywności (tak zwane „skrzydła”), ponieważ intensywność lasera jest wyższa niż próg wymagany do zastosowania, niezależnie od tego, czy jest to przetwarzanie materiału, operacja laserowa lub inne zastosowania.
Ponadto skrzydła wiązki Gaussa mogą również uszkodzić obszary poza strefą docelową, zwiększając w ten sposób strefę dotkniętą ciepłem. Jest to szkodliwe dla zastosowań, takich jak operacja laserowa i precyzyjne przetwarzanie materiałów, w których priorytetowe są priorytetowe strefy o wysokiej precyzji i minimalnych strefach dotkniętych ciepłem. W rezultacie materiały przetwarzane z wiązkami Gaussa nie będą miały szczególnie gładkich krawędzi, zmniejszając w ten sposób dokładność systemu.
Dlaczego warto używać belki czapki?
W porównaniu z wiązkami Gaussa, profile wiązki czapki nie mają skrzydlonych odcinków i mają bardziej strome przejścia krawędzi, co powoduje bardziej wydajne przeniesienie intensywności i mniejszą strefę dotkniętą ciepłem. [2] Trawienie, spawanie lub cięcie za pomocą wiązki z górną czapką będzie bardziej precyzyjne i mniej szkodliwe dla okolicy.
Zdjęcie.
Ta główna zaleta Top Hat Beams sprawia, że nadają się do wielu różnych sytuacji. W testowaniu progu uszkodzeń indukowanych laserowo (LIDT) i innych systemach metrologicznych równomierny rozkład intensywności wiązek czapki minimalizuje niepewność pomiaru i wariancję statystyczną. Top Belki czapki są również korzystne w systemach mikroskopii fluorescencyjnej, hologografii i interferometrii.
Jednym ze sposobów oceny, czy faktyczna wiązka laserowa jest blisko idealnej wiązki z górną czapką, jest analiza jej współczynnika płciźności (Fη), który jest obliczany przez podzielenie średniej wartości napromieniowania przez maksymalną wartość promieniowania wiązki, jak opisano w standardzie ISO 13694.
Jakie są wady wiązek z czapkami?
Belka górna nie nadaje się do wszystkich zastosowań. Nie jest to tak opłacalne jak wiązka Gaussa, ponieważ wymagany jest dodatkowy komponent kształtowania wiązki do ukształtowania wiązki Gaussa w wiązkę z górną czapką. Ten komponent może być wbudowany bezpośrednio w źródło lasera lub użyć w systemie poza laserem. Te elementy kształtowania wiązki zależą od wielkości wiązki wejściowej i są wrażliwe na wyrównanie płaszczyzny XY. Ponadto, w przeciwieństwie do wiązek Gaussa, wiązki z czapką nie pozostają stałe podczas propagacji. Oznacza to, że incydent z górną wiązką czapki nie utrzyma kształtu górnego czapki, gdy przemieszcza system i ostatecznie ewoluuje, aby przypominać przewiewny rozkład punktowy.
Jak realizowana jest wiązka z czapką?
Jeśli pożądana jest wiązka górna, ale koszt systemu jest bardzo ograniczony, a wydajność nie musi być bardzo wysoka, wiązka Gaussa może być fizycznie obcięta za pomocą małego apertury, aby stworzyć pseudo-topowy profil czapki. Ta metoda odcina i marnuje energię na obu skrzydłach wiązki Gaussa i nie wykracza nawet rozkładu intensywności w środku wiązki. Ta metoda może być przydatna, jeśli utrzymanie niskich kosztów jest głównym czynnikiem.
W przypadku systemów o wysokiej wydajności, które wymagają efektywnego zużycia energii laserowej, elementy kształtowania wiązki można użyć do kształtowania wiązki Gaussa w górną wiązkę Hatped. Istnieje kilka różnych rodzajów elementów kształtowania wiązki, w tym urządzenia refrakcyjne, odblaskowe, holograficzne i dyfrakcyjne. Urządzenia do kształtowania refrakcji używają obiektywów asferycznych lub swobodnych i innych elementów refrakcyjnych do modulowania fazy wiązki (patrz rysunek 2). Zaletą jest jednolity rozkład intensywności i płaski faza. Amplituda i faza wiązki padającej są modulowane przez elementy optyczne w zespole soczewki Galilean lub Kepleian. Proces ten jest zazwyczaj wysoce wydajny (większy niż 96%) i niezależny długość fali w zakresie projektów urządzeń. Rozbiórki wiązek refrakcji wytwarzają kolimowane, najlepsze wiązki hat, które są szczególnie odpowiednie do zastosowań, które działają na duże odległości, takie jak obrazowanie holograficzne i systemy mikroskopowe.
Ryc. 2: Kształtowanie wiązki Gaussa w wiązkę z górną czapką za pomocą shaperu wiązki Hat Adloptica πshaper z Adloptics of Edmund Optics, w oparciu o zasady działania, takie jak aberracje z frontami falowymi i warunki ochrony energii.
Inne rodzaje kształtów wiązki refrakcji, które kształtują wiązkę Gaussa w quasi-silne, przewiewne miejsce. Zaletą tego jest to, że przewiewne miejsce, skoncentrowane przez zestaw obiektywu ograniczonego dyfrakcją, stanowi punkt ostrości z profilem czapki. W wielu aplikacjach, takich jak mikroobróbka, litografia i mikrowelarstwo, punkt skupienia wymaga profilu Top Hat.
Z drugiej strony dyfrakcyjne kształty wiązki wykorzystują dyfrakcję, a nie załamanie, aby zmienić rozkład intensywności padającej wiązki laserowej. Specyficzne nanostruktury mikro- i nanostruktury są przygotowywane na podłożu za pomocą procesu trawienia w celu utworzenia pierwiastków dyfrakcyjnych. Efekt i zakres długości fali pierwiastka dyfrakcyjnego zwykle zależy od wysokości i odstępu od regionu struktury. Dlatego dyfrakcyjne elementy optyczne muszą być stosowane w zaprojektowanym zakresie długości fali, aby uniknąć błędów wydajności.
Dyfrakcyjne kształty wiązki są bardziej wrażliwe na kąt rozbieżności, wyrównania i pozycji wiązki niż kształtowanie wiązki refrakcji. Jednak dyfrakcyjne kształty wiązki mają szczególną zaletę w ograniczonych kosmicznych systemach laserowych, ponieważ zwykle składają się z pojedynczego elementu dyfrakcyjnego zamiast wielu soczewek refrakcyjnych i mogą tworzyć zarówno belki czapki, jak i przewiewne plamy.
Integratory wiązki laserowej lub homogenizatory to inny rodzaj komponentu kształtującego wiązkę. Składają się z szeregu małych soczewek, które rozdzielają padające światło na mniejsze wiązki. Następnie obiektyw ogniskowy nakłada mniejsze wiązki na płaszczyznę docelową. Ostateczna wiązka wyjściowa jest sumą wzorów dyfrakcyjnych wytwarzanych przez każdą małą soczewkę w tablicy. Mogą ukształtować padającą wiązkę Gaussa w jednolity profil górnego czapki. Jednak systemy te często napotykają losowe fluktuacje napromieniowania, co skutkuje profilem wiązki wyjściowej, który nie jest idealnie intensywności jednolity. Tabela 1 porównuje różne kształty wiązki.
Belki z czapką są odpowiednie dla różnych systemów laserowych, w których dokładność i wydajność są ważniejsze niż koszt. Dzięki refrakcyjnym, dyfrakcyjnym i innym rodzajom kształtów wiązek obecnie na rynku, integratorzy systemów laserowych mają różne opcje przy wyborze shaper wiązki.
