Bild 1: Intensitetsfördelning av experimentellt uppmätta gaussiska balkar (vänster) och topphattstrålar (höger).
De flesta laserstrålar har Gaussiska intensitetsfördelningar; Men i vissa applikationer kan det vara mer fördelaktigt att använda icke-gaussiska strålar. En gaussisk stråle har ett intensitetsfördelning tvärsnitt som minskar symmetriskt med ökande avstånd från mitten. Däremot upprätthåller en topphattstråle en konstant intensitetsfördelning över tvärsnittet, vilket möjliggör konsekvent bestrålningsintensitet på målet under bearbetningen (se figur 1). Som ett resultat kan mer exakta och förutsägbara resultat uppnås i applikationer såsom halvledarskivlig bearbetning, annan materialbehandling och olinjär frekvensomvandling för högeffektlasrar.
Topphattstrålar ger renare snitt och skarpare kanter än Gaussiska balkar, men att generera topphattbalkar ger ytterligare systemkostnader och komplexitet. Att förstå fördelarna med topphattstrålar och de olika metoderna för att generera dem kan hjälpa lasersystemintegratorer att välja rätt typ av laserstråle för deras typ av applikation.
Egenskaper hos Gaussiska balkar
Gaussiska lasrar är vanligare och kostnadseffektiva än andra stråltyper av laserkällor. Mest högkvalitativa lasrar med en enda läge avger en stråle som följer en låg ordning Gaussisk bestrålningsprofil, som också kallas TEM 00 -läget. Mindre kvalitetskällor kommer också att ha en viss grad av andra laserlägen närvarande, men antar vanligtvis att lasern har en önskvärd Gaussisk profil för att förenkla systemmodellering.
Om den gaussiska strålen har samma genomsnittliga optiska kraft som topphattstrålen, kommer den högsta bestrålningen på den gaussiska strålen att vara dubbelt så stor som den övre hattstrålen. När en Gaussisk stråle sprider sig genom ett optiskt system upprätthåller den en Gaussisk bestrålningsfördelning även om toppintensiteten eller strålstorleken förändras. Detta innebär att den gaussiska strålen förblir konstant när den förökas.
Vilka är problemen med Gaussiska balkar?
Gaussiska strålar har sina nackdelar. I applikationer där den höga intensitetsdelen av strålen i mitten används, slösas ofta ut den låga intensitetsdelen av strålen på vardera sidan (den så kallade "vingarna"), eftersom laserintensiteten är högre än tröskeln som krävs för applikationen, vare sig det är materialbehandling, laserkirurgi eller andra applikationer.
Dessutom kan vingarna på den gaussiska strålen också skada områden utöver målzonen och därmed utvidga den värmepåverkade zonen. Detta är skadligt för applikationer som laserkirurgi och precisionsmaterialbehandling, där hög precision och minimala värmepåverkade zoner prioriteras. Som ett resultat kommer material som bearbetas med Gaussiska balkar inte att ha särskilt släta kanter, vilket minskar systemets noggrannhet.
Varför använda topphattstrålar?
Jämfört med Gaussiska strålar har topphattprofiler inte bevingade sektioner och har brantare kantövergångar, vilket resulterar i effektivare intensitetsöverföring och en mindre värme påverkad zon. [2] etsning, svetsning eller skärning med en topphattstråle kommer att vara mer exakt och mindre skadligt för det omgivande området.
Bild.
Denna stora fördel med topphattstrålar gör dem lämpliga för många olika situationer. Vid laserinducerad skadestestning (LIDT) -testning och andra metrologisystem minimerar den enhetliga intensitetsfördelningen av topphattstrålar mätningssäkerhet och statistisk varians. Topphattstrålar är också fördelaktiga i fluorescensmikroskopi, holografi och interferometri -system.
Ett sätt att bedöma om en faktisk laserstråle är nära en perfekt topphattstråle är att analysera dess planhetsfaktor (Fη), som beräknas genom att dela det genomsnittliga bestrålningsvärdet med strålens maximala bestrålningsvärde, såsom beskrivs i ISO 13694 -standarden.
Vilka är nackdelarna med topphattstrålar?
Den övre hattstrålen är inte lämplig för alla applikationer. Det är inte lika kostnadseffektivt som en gaussisk stråle eftersom en ytterligare strålformningskomponent krävs för att forma den gaussiska strålen till en topphattstråle. Denna komponent kan antingen byggas direkt i laserkällan eller användas i ett system utanför lasern. Dessa strålformningskomponenter beror på storleken på ingångsstrålen och är känsliga för XY -planjustering. Till skillnad från Gaussiska balkar förblir inte topphattbalkar konstant under förökning. Detta innebär att en incident topphattstråle inte kommer att bibehålla sin topphattform när den reser genom systemet och så småningom kommer att utvecklas för att likna en luftig platsfördelning.
Hur realiseras en topphattstråle?
Om en topphattstråle önskas, men systemkostnaden är mycket begränsad och prestandan behöver inte vara mycket hög, kan Gaussiska strålen fysiskt trunkeras med en liten öppning för att skapa en pseudo-top hattprofil. Denna metod stänger av och slösar energi från båda vingarna i den gaussiska strålen och gör inte ens intensitetsfördelningen i mitten av strålen. Denna metod kan vara användbar om att upprätthålla låg kostnad är en viktig faktor.
För högpresterande system som kräver effektiv användning av laserenergi kan strålformningskomponenter användas för att forma den gaussiska strålen till en topphattad stråle. Det finns flera olika typer av strålformningskomponenter, inklusive brytning, reflekterande, holografiska och diffraktiva enheter. Brytningsstråleformningsanordningar använder fältkartade asfäriska eller fria formlinser och andra brytningskomponenter för att modulera strålens fas (se figur 2). Fördelen är en enhetlig intensitetsfördelning och en platt fasfront. Amplituden och fasen för den infallande strålen moduleras av optiska element i en galileisk eller keplerisk linsenhet. Denna process är vanligtvis mycket effektiv (större än 96%) och våglängd oberoende över utbudet av enhetsdesign. Brytningsstråle -shapers producerar kollimerade, topphattade strålar som är särskilt väl lämpade för applikationer som fungerar över långa avstånd, såsom holografiska avbildning och mikroskopisystem.
Bild 2: Forma en gaussisk stråle i en topphattstråle med hjälp av Adloptica πshaper topphattstråle från adloptics of Edmund Optics, baserat på driftsprinciper som vågfrontavvikelser och energibesparingsförhållanden.
Andra typer av brytningsstråledar som formar den gaussiska strålen till en kvasi-raka luftig plats. Fördelen med detta är att den luftiga platsen, när den är fokuserad av en diffraktionsbegränsad linsuppsättning, bildar en fokuseringspunkt med en topphattprofil. I många applikationer som mikromachining, litografi och mikrovattning kräver fokuseringspunkten en topphattprofil.
Å andra sidan använder diffraktiva strålformare diffraktion, snarare än brytning, för att ändra intensitetsfördelningen av den infallande laserstrålen. Specifika mikro- och nanostrukturer framställs på ett underlag med användning av en etsningsprocess för att bilda diffraktiva element. Effekten och våglängdsområdet för det diffraktiva elementet beror vanligtvis på strukturens höjd och regionavstånd. Därför måste diffraktiva optiska element användas inom det utformade våglängdsområdet för att undvika prestandefel.
Diffraktiva strålformare är mer känsliga för divergensvinkel, inriktning och strålläge än brytningsstråle. Diffraktiva strålformare har emellertid en särskild fördel i rymdbegränsade lasersystem, eftersom de vanligtvis består av ett enda diffraktivt element istället för flera brytningslinser och kan bilda både topphattbalkar och luftiga fläckar.
Laserstråle integratorer, eller homogenisatorer, är en annan typ av strålformningskomponent. De består av en rad små linser som delar infallsljuset i mindre balkar. En fokuserande lins överlagrar sedan de mindre balkarna på målplanet. Den slutliga utgångsstrålen är summan av diffraktionsmönstren som produceras av varje liten lins i matrisen. De kan forma den incident Gaussiska strålen till en enhetlig topphattprofil. Dessa system möter emellertid ofta slumpmässiga bestrålningsfluktuationer, vilket resulterar i en utgångsstråleprofil som inte är perfekt intensitetsuniform. Tabell 1 jämför olika strålformare.
Topphattstrålar är lämpliga för en mängd olika lasersystem där noggrannhet och effektivitet är viktigare än kostnaden. Med brytning, diffraktiv och andra typer av strålformare som för närvarande är på marknaden har lasersystemintegratorer en mängd olika val när du väljer en strålformare.
