Figur 1: Intensitetsfordeling af eksperimentelt målte gaussiske bjælker (til venstre) og top hatbjælker (til højre).
De fleste laserstråler har gaussiske intensitetsfordelinger; I nogle applikationer kan det imidlertid være mere fordelagtigt at bruge ikke-gaussiske bjælker. En gaussisk stråle har en intensitetsfordelingstværsnit, der reducerer symmetrisk med stigende afstand fra midten. I modsætning hertil opretholder en top hatstråle en konstant intensitetsfordeling på tværs af tværsnittet, hvilket giver mulighed for konsekvent bestrålingsintensitet på målet under behandlingen (se figur 1). Som et resultat kan mere nøjagtige og forudsigelige resultater opnås i applikationer såsom halvlederskiverbehandling, andre materialerforarbejdning og ikke-lineær frekvensomdannelse til lasere med høj effekt.
Top hatbjælker producerer renere snit og skarpere kanter end gaussiske bjælker, men generering af top hat -bjælker tilføjer yderligere systemomkostninger og kompleksitet. At forstå fordelene ved top hatbjælker og de forskellige metoder til at generere dem kan hjælpe lasersystemintegratorer med at vælge den rigtige type laserstråle til deres type anvendelse.
Karakteristika for gaussiske bjælker
Gaussiske lasere er mere almindelige og omkostningseffektive end andre stråletyper af laserkilder. De fleste lasere af høj kvalitet, enkelt-mode udsender en stråle, der følger en Gaussisk irradiansprofil med lav ordre, der også er kendt som TEM 00 -tilstand. Kilder af mindre kvalitet vil også have en vis grad af andre lasertilstande, der er til stede, men antager normalt, at laseren har en ønskelig Gaussisk profil til at forenkle systemmodellering.
Hvis den gaussiske bjælke har den samme gennemsnitlige optiske kraft som den øverste hatstråle, vil den højeste bestråling af den gaussiske bjælke være dobbelt så stor som den øverste hatstråle. Som en gaussisk stråle forplantes gennem et optisk system, opretholder den en Gaussisk bestrålingsprofilfordeling, selvom toppintensiteten eller bjælkestørrelsen ændres. Dette betyder, at den gaussiske bjælke forbliver konstant, når den forplantes.
Hvad er problemerne med gaussiske bjælker?
Gaussiske bjælker har deres ulemper. I applikationer, hvor den høje intensitetsdel af bjælken i midten bruges, spildes den lave intensitetsdel af bjælken på hver side (de såkaldte "vinger") ofte, fordi laserintensiteten er højere end den tærskel, der kræves til applikationen, hvad enten det er materialebehandling, laserkirurgi eller andre applikationer.
Derudover kan vingerne på den gaussiske bjælke også skade områder ud over målzonen og derved udvide den varmepåvirkede zone. Dette er skadeligt for anvendelser såsom laserkirurgi og præcisionsmaterialebehandling, hvor høj præcision og minimale varmepåvirkede zoner prioriteres. Som et resultat vil materialer, der er behandlet med gaussiske bjælker, ikke have særligt glatte kanter, hvilket reducerer systemets nøjagtighed.
Hvorfor bruge top hatbjælker?
Sammenlignet med gaussiske bjælker har top hat -bjælkeprofiler ikke vingede sektioner og har stejlere kantovergange, hvilket resulterer i mere effektiv intensitetsoverførsel og en mindre varme påvirket zone. [2] Ætsning, svejsning eller skæring med en top hatstråle vil være mere præcis og mindre skadelig for det omkringliggende område.
Billede.
Denne store fordel ved top hatbjælker gør dem velegnet til mange forskellige situationer. I laserinduceret skadetærskel (LIDT) -test og andre metrologisystemer minimerer den ensartede intensitetsfordeling af top hat-bjælker måleusikkerhed og statistisk varians. Top Hat -bjælker er også fordelagtige ved fluorescensmikroskopi, holografi og interferometri -systemer.
En måde at vurdere, om en faktisk laserstråle er tæt på en perfekt tophatstråle, er at analysere dens fladhedsfaktor (Fη), som beregnes ved at dividere den gennemsnitlige bestrålingsværdi med den maksimale bestrålingsværdi af bjælken, som beskrevet i ISO 13694 -standarden.
Hvad er ulemperne ved top hatbjælker?
Den øverste hatstråle er ikke egnet til alle applikationer. Det er ikke så omkostningseffektivt som en gaussisk stråle, fordi der kræves en yderligere bjælkeformningskomponent for at forme den gaussiske bjælke til en top hatbjælke. Denne komponent kan enten bygges direkte i laserkilden eller bruges i et system uden for laseren. Disse stråleformningskomponenter afhænger af størrelsen på inputstrålen og er følsomme over for XY -planjustering. I modsætning til gaussiske bjælker forbliver top hatbjælker ikke konstante under forplantning. Dette betyder, at en hændelsestrålebjælke ikke vil opretholde sin top hat -form, når den bevæger sig gennem systemet, og til sidst vil udvikle sig til at ligne en luftig pletfordeling.
Hvordan realiseres en top hatstråle?
Hvis der ønskes en top hatstråle, men systemomkostningerne er meget begrænset, og ydelsen behøver ikke at være meget høj, kan den gaussiske bjælke fysisk afkortes ved hjælp af en lille blænde for at skabe en pseudo-top hatprofil. Denne metode afskærer og spilder energi fra begge vinger af den gaussiske bjælke og udjævner ikke intensitetsfordelingen i midten af bjælken. Denne metode kan være nyttig, hvis opretholdelse af lave omkostninger er en vigtig faktor.
For højtydende systemer, der kræver effektiv brug af laserenergi, kan stråleformningskomponenter bruges til at forme den gaussiske bjælke til en top hatped stråle. Der er flere forskellige typer bjælkeformningskomponenter, herunder brydningsfirma, reflekterende, holografiske og diffraktive enheder. Brydningsstråleformende enheder bruger feltkortede asfæriske eller frie form linser og andre brydningskomponenter til at modulere fasen af bjælken (se figur 2). Fordelen er en ensartet intensitetsfordeling og en flad fasefront. Amplituden og fasen af den hændelsesstråle moduleres af optiske elementer i en galilisk eller keplerisk linseenhed. Denne proces er typisk yderst effektiv (større end 96%) og bølgelængdeuafhængig over området for enhedsdesign. Brydningsstråleformer producerer kollimerede, top hatped bjælker, der er særligt velegnet til applikationer, der fungerer over lange afstande, såsom holografisk billeddannelse og mikroskopisystemer.
Figur 2: At forme en gaussisk stråle til en top hatstråle ved hjælp af Adloptica πshaper top hat bjælkeformer fra adloptics of Edmund -optik, baseret på driftsprincipper, såsom bølgefrontafvigelser og energibesparelsesbetingelser.
Andre typer brydningsstråleformere, der former den gaussiske bjælke til et kvasi-lige luftigt sted. Fordelen ved dette er, at det luftige sted, når det fokuseres af et diffraktionsbegrænset linsesæt, danner et fokuseringspunkt med en top hat-profil. I mange anvendelser, såsom mikromachining, litografi og mikrobølge, kræver fokuseringspunktet en top hat -profil.
På den anden side anvender diffraktive bjælkeformer diffraktion snarere end brydning til at ændre intensitetsfordelingen af den hændelseslaserstråle. Specifikke mikro- og nanostrukturer fremstilles på et substrat ved anvendelse af en ætsningsproces til dannelse af diffraktive elementer. Effekten og bølgelængdeområdet for det diffraktive element afhænger normalt af højden og regionens afstand mellem strukturen. Derfor skal diffraktive optiske elementer bruges inden for det designede bølgelængdeområde for at undgå ydelsesfejl.
Diffraktive bjælkeformere er mere følsomme over for divergensvinkel, justering og bjælkeposition end brydningsstråleformere. Imidlertid har diffraktive bjælkeformer en særlig fordel i rumbegrænsede lasersystemer, da de normalt består af et enkelt diffraktivt element i stedet for flere brydningslinser, og kan danne både top hatbjælker og luftige pletter.
Laserstråleintegratorer eller homogenisatorer er en anden type bjælkeformningskomponent. De består af en række små linser, der adskiller hændelseslyset i mindre bjælker. En fokuserende linse overlejrer derefter de mindre bjælker på målplanet. Den endelige outputstråle er summen af diffraktionsmønstrene produceret af hver lille linse i matrixen. De kan forme den hændelsesgaussiske bjælke til en ensartet tophatprofil. Imidlertid møder disse systemer ofte tilfældige bestrålingssvingninger, hvilket resulterer i en outputstråleprofil, der ikke er perfekt intensitetuniform. Tabel 1 sammenligner forskellige bjælkeformer.
Top hatbjælker er egnede til en række lasersystemer, hvor nøjagtighed og effektivitet er vigtigere end omkostninger. Med brydning, diffraktive og andre typer bjælkeformer, der i øjeblikket er på markedet, har lasersystemintegratorer en række valg, når man vælger en bjælkeformer.
