Фигура 1: Разпределение на интензивността на експериментално измерените гаусски греди (вляво) и горните лъчи на шапката (вдясно).
Повечето лазерни лъчи имат гауссови разпределения на интензивността; В някои приложения обаче може да е по-полезно да се използват не-гаусски лъчи. Гаусският лъч има напречно сечение на разпределението на интензитета, което намалява симетрично с увеличаване на разстоянието от центъра. За разлика от това, горната лъча на шапката поддържа постоянно разпределение на интензитета през напречното сечение, което позволява постоянна интензивност на облъчване на целта по време на обработката (виж фигура 1). В резултат на това могат да бъдат постигнати по-точни и предвидими резултати в приложения като обработка на полупроводници, други обработка на материали и нелинейна честотна преобразуване на лазери с висока мощност.
Горните лъчи за шапка произвеждат по -чисти разфасовки и по -остри ръбове от гаусските греди, но генерирането на горните лъчи за шапка добавя допълнителни разходи и сложност на системата. Разбирането на предимствата на горните лъчи за шапка и различните методи за генерирането им може да помогне на лазерните системни интегратори да изберат правилния тип лазерен лъч за техния тип приложение.
Характеристики на гаусските греди
Гаусските лазери са по-често срещани и рентабилни от другите видове лъчи от лазерни източници. Най-висококачествените, едномодови лазери излъчват лъч, който следва профил на гаусско облъчване от нисък ред, който е известен още като режим TEM 00. Източниците с по -малко качество също ще имат известна степен на други лазерни режими, но обикновено приемат, че лазерът има желателен гаусски профил за опростяване на системното моделиране.
Ако гаусският лъч има същата средна оптична мощност като горната лъча на шапката, върховото облъчване на гаусския лъч ще бъде два пъти по -голяма от тази на горната шапка. Тъй като гаусският лъч се разпространява чрез оптична система, той поддържа разпределението на профила на гаусско облъчване, дори ако интензитетът на пика или размерът на лъча се променя. Това означава, че гаусският лъч остава постоянен, докато се разпространява.
Какви са проблемите с гаусските лъчи?
Гаусските лъчи имат своите недостатъци. В приложения, където се използва частта с висока интензивност на лъча в центъра, частта с ниска интензивност на лъча от двете страни (така наречените „крила“) често се пропиля, тъй като интензитетът на лазер е по-висок от прага, необходим за приложението, независимо дали става въпрос за обработка на материали, лазерна хирургия или други приложения.
В допълнение, крилата на гаусския лъч могат също да повредят зоните отвъд целевата зона, като по този начин разширяват зоната, засегната от топлина. Това е пагубно за приложения като лазерна хирургия и прецизна обработка на материали, където са приоритетни високи точни и минимални засегнати от топлина зони. В резултат на това материалите, обработени с гаусски лъчи, няма да имат особено гладки ръбове, като по този начин ще намалят точността на системата.
Защо да използвате горните лъчи за шапка?
В сравнение с гаусските греди, профилите на горната шапка нямат крилати секции и имат по -стръмни преходи на ръба, което води до по -ефективен пренос на интензивност и по -малка зона, засегната от топлина. [2] Офортът, заваряването или рязането с горната лъча на шапката ще бъде по -прецизно и по -малко вредно за околността.
Картина.
Това основно предимство на гредите на горната шапка ги прави подходящи за много различни ситуации. В лазерно-индуцираното тестване на прага на повреда (LIDT) и други метрологични системи, равномерното разпределение на интензивността на горните лъчи на шапката свежда до минимум несигурността на измерването и статистическата дисперсия. Горните лъчи за шапка също са изгодни във флуоресцентната микроскопия, холография и интерферометрия.
Един от начините да се прецени дали действителният лазерен лъч е близо до перфектния горд лъч на шапката е да се анализира коефициентът на плоскост (Fη), който се изчислява чрез разделяне на средната стойност на облъчване на максималната стойност на облъчване на лъча, както е описано в стандарта ISO 13694.
Какви са недостатъците на горните лъчи за шапка?
Горната лъча на шапката не е подходяща за всички приложения. Той не е толкова рентабилен като гаусски лъч, тъй като е необходим допълнителен компонент за оформяне на лъча, за да се оформи гаусският лъч в горната шапка. Този компонент може да бъде вграден директно в лазерния източник или да се използва в система извън лазера. Тези компоненти за оформяне на лъча зависят от размера на входния лъч и са чувствителни към подравняване на равнината на XY. В допълнение, за разлика от гаусските греди, горните лъчи за шапка не остават постоянни по време на разпространението. Това означава, че инцидентната лъч на шапката няма да поддържа формата на горната си шапка, докато пътува през системата и в крайна сметка ще се развива, за да прилича на ефирно разпределение на петното.
Как се реализира лъчът на горната шапка?
Ако се желае горна шапка, но цената на системата е много ограничена и производителността не е необходимо да бъде много висока, гаусският лъч може да бъде физически отрязан, като се използва малка бленда, за да се създаде псевдо-топ профил на шапка. Този метод отрязва и губи енергия от двете крила на гаусския лъч и дори не изхвърля разпределението на интензитета в центъра на лъча. Този метод може да бъде полезен, ако поддържането на ниска цена е основен фактор.
За високоефективни системи, които изискват ефективно използване на лазерна енергия, компонентите за оформяне на лъча могат да се използват за оформяне на гаусския лъч в горната омразена греда. Има няколко различни вида компоненти за оформяне на лъча, включително пречупване, отразяващи, холографски и дифракционни устройства. Устройствата за оформяне на пречупване на греда използват асферични или свободни форми и други компоненти на пречупване, за да модулират фазата на лъча (виж фигура 2). Предимството е равномерно разпределение на интензивността и плоска фаза. Амплитудата и фазата на падащия лъч се модулират от оптични елементи в монтаж на галилейски или кепларийски обектив. Този процес обикновено е високоефективен (по -голям от 96%) и дължина на вълната, независим от обхвата на дизайна на устройството. Оформените с пречупване на гредата произвеждат колимирани, горни натрънки лъчи, които са особено подходящи за приложения, които работят на дълги разстояния, като холографски изображения и микроскопични системи.
Фигура 2: Оформяне на гаусски лъч в горната шапка лъч с помощта на горната шапка на шапката на Adloptica πshaper от Adloptics на Edmund Optics, въз основа на принципи на работа, като аберации на вълна и условия на енергоспестяване.
Други видове рефракционни лъчи, които оформят гаусския лъч в квазидно ефирно петно. Предимството на това е, че ефирното петно, когато се фокусира от дифракционния ограничен набор от обективи, образува точка на фокусиране с профил на топ шапка. В много приложения като микромашиниране, литография и микровълни, фокусиращата точка изисква профил на топ шапка.
От друга страна, дифракционните лъчеви форми използват дифракция, а не пречупване, за да променят разпределението на интензитета на падащия лазерен лъч. Специфични микро- и наноструктури се приготвят върху субстрат, като се използва процес на офорт за образуване на дифракционни елементи. Обхватът на ефекта и дължината на вълната на дифракционния елемент обикновено зависи от разстоянието на височината и областта на структурата. Следователно, дифракционните оптични елементи трябва да се използват в рамките на проектирания диапазон на дължината на вълната, за да се избегнат грешки в производителността.
Дифракционните сгради на лъча са по -чувствителни към ъгъла на дивергенция, подравняване и положение на лъча, отколкото рефракционни лъчи. Въпреки това, дифракционните форми на лъча имат особено предимство в лазерните системи, ограничени от пространството, тъй като те обикновено се състоят от един дифракционен елемент вместо множество рефракционни лещи и могат да образуват както горните лъчи на шапката, така и ефирните петна.
Интеграторите на лазерните лъчи или хомогенизаторите са друг тип компонент за оформяне на лъча. Те се състоят от масив от малки лещи, които разделят падащата светлина на по -малки греди. След това фокусиращата се обектив наслагва по -малките греди върху целевата равнина. Крайният изходен лъч е сумата от моделите на дифракция, произведена от всяка малка леща в масива. Те могат да оформят инцидента Гаусски лъч в равномерен профил на горната шапка. Тези системи обаче често срещат колебания на случайно облъчване, което води до профил на изходния лъч, който не е перфектно равномерен. Таблица 1 сравнява различни форми на гредата.
Горните лъчи за шапка са подходящи за различни лазерни системи, където точността и ефективността са по -важни от разходите. С рефракционни, дифракционни и други видове форми на греди, които в момента са на пазара, интеграторите на лазерните системи имат различни възможности за избор при избора на оформящ лъч.
