Figuur 1: Intensiteitsverdeling van experimenteel gemeten Gauss -stralen (links) en tophoedstralen (rechts).
De meeste laserstralen hebben Gaussiaanse intensiteitsverdelingen; In sommige toepassingen kan het echter voordeliger zijn om niet-Gaussiaanse balken te gebruiken. Een Gaussiaanse balk heeft een intensiteitsverdelingslopen die symmetrisch afneemt met toenemende afstand van het midden. Een tophoedbalk daarentegen handhaaft een constante intensiteitsverdeling over de dwarsdoorsnede, waardoor een consistente bestraling intensiteit op het doel tijdens de verwerking mogelijk is (zie figuur 1). Als gevolg hiervan kunnen nauwkeuriger en voorspelbare resultaten worden bereikt in toepassingen zoals halfgeleiderwaferverwerking, andere materiaalverwerking en niet-lineaire frequentieconversie voor krachtige lasers.
Tophoedstralen produceren schonere sneden en scherpere randen dan Gaussiaanse stralen, maar het genereren van tophoedstralen voegt extra systeemkosten en complexiteit toe. Inzicht in de voordelen van hoge hoedstralen en de verschillende methoden om ze te genereren, kunnen lasersysteemintegrators helpen het juiste type laserstraal te selecteren voor hun type toepassing.
Kenmerken van Gaussiaanse balken
Gaussiaanse lasers komen vaker voor en kosteneffectief dan andere bundelsoorten laserbronnen. De meeste hoogwaardige lasers met één modus stoten een straal uit die volgt op een Gaussiaanse bestralingsprofiel van lage orde, dat ook bekend staat als de TEM 00 modus. Lesser kwaliteitsbronnen zullen ook een zekere mate van andere lasermodi hebben, maar gaan er meestal van uit dat de laser een wenselijk Gaussiaans profiel heeft om systeemmodellering te vereenvoudigen.
Als de Gauss -straal hetzelfde gemiddelde optische vermogen heeft als de tophoedbalk, zal de piekbestraling van de Gaussiaanse balk twee keer die van de tophoedbalk zijn. Omdat een Gauss -balk zich voortplant door een optisch systeem, handhaaft het een Gaussiaanse bestralingsprofielverdeling, zelfs als de piekintensiteit of bundelgrootte verandert. Dit betekent dat de Gauss -straal constant blijft terwijl deze zich voortplant.
Wat zijn de problemen met Gaussiaanse stralen?
Gaussiaanse stralen hebben hun nadelen. In toepassingen waar het hoge intensiteitsgedeelte van de balk in het midden wordt gebruikt, wordt het lage intensiteitsgedeelte van de balk aan beide kanten (de zogenaamde "vleugels") vaak verspild, omdat de laserintensiteit hoger is dan de drempel die nodig is voor de toepassing, of het nu materiaalverwerking, laserchirurgie of andere toepassingen is.
Bovendien kunnen de vleugels van de Gaussiaanse balk ook gebieden buiten de doelzone beschadigen, waardoor de door warmte getroffen zone wordt vergroot. Dit is schadelijk voor toepassingen zoals laserchirurgie en precisiemateriaalverwerking, waarbij hoge precisie en minimale door warmte getroffen zones worden geprioriteerd. Als gevolg hiervan zullen materialen die met Gauss -stralen worden verwerkt niet bijzonder gladde randen hebben, waardoor de nauwkeurigheid van het systeem wordt verminderd.
Waarom tophoedstralen gebruiken?
In vergelijking met Gaussiaanse stralen hebben tophoedbundelprofielen geen gevleugelde secties en hebben ze steilere randovergangen, wat resulteert in een efficiëntere intensiteitsoverdracht en een kleinere door warmte aangetaste zone. [2] Etsen, lassen of snijden met een hoge hoedstraal zal nauwkeuriger zijn en minder schadelijk voor de omgeving.
Afbeelding.
Dit grote voordeel van tophoedstralen maakt ze geschikt voor veel verschillende situaties. In laser-geïnduceerde schade-drempel (LIDT) -tests en andere metrologiesystemen minimaliseert de uniforme intensiteitsverdeling van tophoedstralen meetonzekerheid en statistische variantie. Tophoedstralen zijn ook voordelig in fluorescentiemicroscopie, holografie en interferometriesystemen.
Een manier om te beoordelen of een werkelijke laserstraal dicht bij een perfecte tophoedstraal ligt, is het analyseren van de flatheidsfactor (Fη), die wordt berekend door de gemiddelde bestralingswaarde te delen door de maximale bestralingswaarde van de straal, zoals beschreven in de ISO 13694 -standaard.
Wat zijn de nadelen van tophoedstralen?
De tophoedstraal is niet geschikt voor alle toepassingen. Het is niet zo kosteneffectief als een Gaussiaanse balk omdat een extra bundelvormige component vereist is om de Gauss-straal in een tophoedbalk te vormen. Deze component kan direct in de laserbron worden gebouwd of worden gebruikt in een systeem buiten de laser. Deze bundelvormende componenten zijn afhankelijk van de grootte van de ingangsstraal en zijn gevoelig voor XY -vlakuitlijning. Bovendien blijven, in tegenstelling tot Gaussiaanse stralen, tophoedstralen niet constant tijdens de verspreiding. Dit betekent dat een invallende tophoedbalk zijn tophoedvorm niet zal behouden terwijl deze door het systeem reist en uiteindelijk zal evolueren om te lijken op een luchtige spotverdeling.
Hoe wordt een tophoedbalk gerealiseerd?
Als een tophoedbalk gewenst is, maar de systeemkosten zijn zeer beperkt en de prestaties hoeven niet erg hoog te zijn, kan de Gaussiaanse straal fysiek worden afgekapt met een klein diafragma om een pseudo-top hoedprofiel te maken. Deze methode snijdt af en verspilt energie van beide vleugels van de Gauss -straal en komt zelfs niet uit de intensiteitsverdeling in het midden van de balk. Deze methode kan nuttig zijn als het handhaven van lage kosten een belangrijke factor is.
Voor hoogwaardige systemen die efficiënt gebruik van laserergie vereisen, kunnen bundelvormingscomponenten worden gebruikt om de Gauss-balk in een tophoedbalk te vormen. Er zijn verschillende soorten bundelvormende componenten, waaronder brekings-, reflecterende, holografische en diffractieve apparaten. Refractieve bundelvormige apparaten gebruiken veldapparaat asferische of vrije vormlenzen en andere brekingscomponenten om de fase van de balk te moduleren (zie figuur 2). Het voordeel is een uniforme intensiteitsverdeling en een vlakke fase front. De amplitude en fase van de invallende straal worden gemoduleerd door optische elementen in een Galileïstische of Kepleriaanse lensassemblage. Dit proces is meestal zeer efficiënt (groter dan 96%) en golflengte onafhankelijk over het bereik van apparaatontwerpen. Brekingsbundelvormen produceren gecollimeerde bundels die vooral goed geschikt zijn voor toepassingen die over lange afstanden werken, zoals holografische beeldvorming en microscopiesystemen.
Figuur 2: Een Gaussiaanse balk vormen in een tophoedbalk met behulp van de ADLOPTICA πSHAPER TOP HAT BEAM SHAPER VAN ADLOPTICS VAN EDMUND OPTICS, gebaseerd op bedrijfsprincipes zoals golffrontafwijkingen en energiebesparingsomstandigheden.
Andere soorten brekingsbalkvormen die de Gaussiaanse balk vormen in een quasi-rechte luchtige plek. Het voordeel hiervan is dat de luchtige plek, wanneer gericht op een diffractie-beperkte lenset, een focuspunt vormt met een tophoedprofiel. In veel toepassingen zoals micromachining, lithografie en microwelding vereist het focuspunt een tophoedprofiel.
Aan de andere kant gebruiken diffractieve straalvormen diffractie, in plaats van breking, om de intensiteitsverdeling van de invallende laserstraal te veranderen. Specifieke micro- en nanostructuren worden bereid op een substraat met behulp van een etsproces om diffractieve elementen te vormen. Het effect en het golflengtebereik van het diffractieve element hangt meestal af van de hoogte en regio -afstand van de structuur. Daarom moeten diffractieve optische elementen binnen het ontworpen golflengtebereik worden gebruikt om prestatiefouten te voorkomen.
Diffractieve straalvormers zijn gevoeliger voor divergentiehoek, uitlijning en balkpositie dan brekingsbundelvormers. Diffractieve bundelvormers hebben echter een bepaald voordeel in ruimtebeperkte lasersystemen, omdat ze meestal bestaan uit een enkel diffractief element in plaats van meerdere brekingslenzen, en kunnen zowel tophoedstralen als luchtige vlekken vormen.
Laserstraalintegrators, of homogenizers, zijn een ander type bundelvormende component. Ze bestaan uit een scala aan kleine lenzen die het invallende licht scheiden in kleinere balken. Een focuslens maakt vervolgens de kleinere balken op het doelvlak. De uiteindelijke uitgangsbalk is de som van de diffractiepatronen geproduceerd door elke kleine lens in de array. Ze kunnen de invallende Gaussiaanse balk vormgeven in een uniform tophoedprofiel. Deze systemen ontmoeten echter vaak willekeurige bestralingsschommelingen, wat resulteert in een outputstraalprofiel dat niet perfect intensiteitsuniform is. Tabel 1 vergelijkt verschillende straalvormers.
Tophoedstralen zijn geschikt voor een verscheidenheid aan lasersystemen waar nauwkeurigheid en efficiëntie belangrijker zijn dan de kosten. Met brekings-, diffractieve en andere soorten balkshapers die momenteel op de markt zijn, hebben lasersysteemintegrators een verscheidenheid aan keuzes bij het selecteren van een balkshaper.
