Obrázek 1: Distribuce intenzity experimentálně měřených Gaussovských paprsků (vlevo) a paprsků horního klobouku (vpravo).
Většina laserových paprsků má gaussovské distribuce intenzity; V některých aplikacích však může být výhodnější používat neagausské paprsky. Gaussovský paprsek má průřez distribuce intenzity, který symetricky snižuje se zvyšující se vzdáleností od středu. Naproti tomu paprsek HAT udržuje distribuci konstantní intenzity napříč průřezem, což umožňuje konzistentní intenzitu ozařování na cíli během zpracování (viz obrázek 1). Výsledkem je, že přesnější a předvídatelnější výsledky lze dosáhnout v aplikacích, jako je zpracování polovodiče, zpracování dalších materiálů a nelineární frekvenční konverze pro lasery s vysokým výkonem.
Top Hat paprsky produkují čistší řezy a ostřejší hrany než Gaussovské paprsky, ale generování nosníků s horními klobouky přidává další systémové náklady a složitost. Porozumění výhodám špičkových paprsků a různých metod jejich generování může pomoci integrátorům laserového systému vybrat správný typ laserového paprsku pro jejich typ aplikace.
Charakteristiky gaussovských paprsků
Gaussovské lasery jsou běžnější a nákladově efektivnější než jiné typy paprsků laserových zdrojů. Většina kvalitních laserů s jedním režimem vydává paprsek, který se řídí Gaussovým profilem Gaussa v nízkém řádu, který je také známý jako TEM 00 režim. Menší zdroje kvality budou mít také určitý stupeň dalších přítomných laserových režimů, ale obvykle předpokládá, že laser má žádoucí Gaussovský profil pro zjednodušení modelování systému.
Pokud má Gaussovský paprsek stejný průměrný optický výkon jako paprsek horního klobouku, bude špičkové ozáření gaussovského paprsku dvakrát dvojnásobkem paprsku Top Hat. Když se Gaussovský paprsek šíří optickým systémem, udržuje distribuci profilu Gaussian Irradiance, i když se změní intenzita píku nebo velikosti paprsku. To znamená, že Gaussovský paprsek zůstává konstantní, jak se šíří.
Jaké jsou problémy s Gaussovskými paprsky?
Gaussovské paprsky mají své nevýhody. V aplikacích, kde se používá část s vysokou intenzitou paprsku ve středu, je často zbytečná část nízké intenzity paprsku na obou stranách (tzv. „Křídla“), protože laserová intenzita je vyšší než prahová hodnota potřebná pro aplikaci, ať už jde o zpracování materiálu, laserová chirurgie nebo jiné aplikace.
Kromě toho mohou křídla gaussovského paprsku také poškodit oblasti mimo cílovou zónu, čímž se zvětší zónu postižená teplem. To je škodlivé pro aplikace, jako je chirurgie laseru a zpracování přesného materiálu, kde jsou upřednostňovány vysokou přesností a minimální zóny zasažené teplem. Výsledkem je, že materiály zpracované gaussovskými paprsky nebudou mít zvlášť hladké hrany, čímž se sníží přesnost systému.
Proč používat špičkové paprsky?
Ve srovnání s gaussovskými paprsky nemají profily paprsku horního klobouku okřídlené řezy a mají strmější přechody okrajů, což má za následek účinnější přenos intenzity a menší zónu ovlivněnou teplem. [2] Leptání, svařování nebo řezání s paprskem horního klobouku bude přesnější a méně škodlivé pro okolí.
Obrázek.
Díky této hlavní výhodě paprsků top klobouků je dělá vhodné pro mnoho různých situací. V testování prahové hodnoty poškození (LIDT) vyvolané laserem a dalších metrologických systémech minimalizuje distribuce jednotných intenzity nosníků s měřením nejistoty a statistické rozptyl. Top Hat paprsky jsou také výhodné ve fluorescenční mikroskopii, holografii a interferometrickém systémech.
Jedním ze způsobů, jak posoudit, zda je skutečný laserový paprsek blízký dokonalému paprsku top klobouků, je analýza jeho faktoru rovinnosti (F), který se vypočítá dělením průměrné hodnoty ozáření maximální hodnotou ozáření paprsku, jak je popsáno ve standardu ISO 13694.
Jaké jsou nevýhody špičkových paprsků?
Vrcholový paprsek není vhodný pro všechny aplikace. Není tak nákladově efektivní jako Gaussovský paprsek, protože pro tvarování Gaussovského paprsku do horního klobouku je nutná další součást tvarování paprsku. Tato komponenta může být buď vytvořena přímo do zdroje laseru, nebo použita v systému mimo laser. Tyto komponenty tvarování paprsku závisí na velikosti vstupního paprsku a jsou citlivé na vyrovnání roviny XY. Kromě toho, na rozdíl od Gaussovských paprsků, špičkové paprsky nezůstaly během šíření konstantní. To znamená, že paprsek Hat Incidence Top Hat si nebude udržovat svůj tvar horního klobouku, když prochází systémem, a nakonec se bude vyvíjet, aby se podobala vzdušné distribuci bodů.
Jak je realizován špičkový paprsek?
Pokud je požadován top klobouk, ale náklady na systémy jsou velmi omezené a výkon nemusí být velmi vysoký, gaussovský paprsek může být fyzicky zkrácen pomocí malého otvoru k vytvoření profilu pseudo-top klobouků. Tato metoda odřízne a plýtvá energií z obou křídel gaussovského paprsku a nevyjádří ani distribuci intenzity ve středu paprsku. Tato metoda může být užitečná, pokud je hlavní faktor udržování nízkých nákladů.
U vysoce výkonných systémů, které vyžadují efektivní využití laserové energie, lze komponenty tvarování paprsků použít k utváření gaussovského paprsku do horního paprsku. Existuje několik různých typů komponent tvarování paprsků, včetně refrakčních, reflexních, holografických a difrakčních zařízení. Pro modulaci fáze paprsku používají zařízení pro tvarování refrakčního paprsku asférické nebo volné formy a další refrakční komponenty používají asférické nebo volné formy a další refrakční komponenty (viz obrázek 2). Výhodou je jednotná distribuce intenzity a plochá fáze. Amplituda a fáze dopadajícího paprsku jsou modulovány optickými prvky v sestavě galilejské nebo kepleriánské čočky. Tento proces je obvykle vysoce efektivní (větší než 96%) a vlnové délky nezávislé v rozsahu návrhů zařízení. Refrakční tvarovače paprsků produkují kolimované, horní paprsky, které jsou zvláště vhodné pro aplikace, které pracují na dlouhé vzdálenosti, jako jsou holografické zobrazovací a mikroskopické systémy.
Obrázek 2: Tvar gaussovského paprsku do horního paprsku klobouku pomocí Adloptica πshaper top Hat Shaper z Adliptics of Edmund Optics, založený na operačních principech, jako jsou vlnové aberace a podmínky ochrany energie.
Jiné typy tvarů lomu, které formují gaussovský paprsek do kvazi-přímého vzdušného místa. Výhodou toho je, že vzdušné místo, pokud je zaměřeno sadou objektivu s omezenou difrakcí, tvoří zaostřovací bod s profilem Top Hat. V mnoha aplikacích, jako je mikromachining, litografie a mikrowelding, vyžaduje zaostřovací bod profilu top klobouku.
Na druhé straně difrakční tvarovače paprsků používají spíše difrakci než lom ke změně distribuce intenzity dopadajícího laserového paprsku. Specifické mikro- a nanostruktury jsou připraveny na substrát pomocí procesu leptání k vytvoření difrakčních prvků. Rozsah efektu a vlnové délky difaktivního prvku obvykle závisí na výšce a roztečí struktury. Proto musí být v navrženém rozsahu vlnových délek použity difrakční optické prvky, aby se zabránilo chybám výkonu.
Difrakční tvarovače paprsku jsou citlivější na úhel divergence, vyrovnání a polohu paprsku než tvarovače lomu. Difrakční tvarovače paprsků však mají zvláštní výhodu v laserových systémech omezených na prostory, protože obvykle se skládají z jediného difrakčního prvku namísto více refrakčních čoček a mohou tvořit top klobouky a vzdušné skvrny.
Integrátory laserového paprsku nebo homogenizátory jsou dalším typem komponenty tvarování paprsků. Skládají se z řady malých čoček, které oddělují dopadající světlo na menší paprsky. Zaostřovací čočka pak překrývá menší paprsky na cílovou rovinu. Konečný výstupní paprsek je součet difrakčních vzorů produkovaných každým malým čočkou v poli. Mohou utvářet dopadající Gaussovský paprsek do jednotného profilu horního klobouku. Tyto systémy se však často setkávají s náhodnými fluktuacemi ozáření, což má za následek profil výstupního paprsku, který není dokonale uniformou intenzity. Tabulka 1 porovnává různé tvary paprsků.
Třímové paprsky jsou vhodné pro různé laserové systémy, kde je přesnost a účinnost důležitější než náklady. S refrakčním, difrakčním a dalším typem tvarů paprsků, které jsou v současné době na trhu, mají integrátory laserových systémů při výběru shaperu paprsku různé možnosti.
