Joonis 1: eksperimentaalselt mõõdetud Gaussi talade (vasakul) ja ülemise mütsi talade (paremal) intensiivsuse jaotus.
Enamikul laserkiiritel on Gaussi intensiivsuse jaotus; Mõnes rakenduses võib siiski olla kasulikum kasutada mitte-Gaussi talasid. Gaussi talaga on intensiivsuse jaotuse ristlõige, mis väheneb sümmeetriliselt, suurenedes kauguse keskpunktist. Seevastu ülemine mütsikiir säilitab ristlõike vältel konstantse intensiivsuse jaotuse, võimaldades töötlemise ajal sihtmärgi järjepidevat kiirguse intensiivsust (vt joonis 1). Selle tulemusel saab täpsemaid ja etteaimatavaid tulemusi saavutada sellistes rakendustes nagu pooljuhtide vahvli töötlemine, muu materjalide töötlemine ja mittelineaarne sageduse muundamine suure võimsusega laserite jaoks.
Ülemised mütsitalad toodavad puhtamaid lõikeid ja teravamaid servi kui Gaussi talad, kuid ülaosa talade genereerimine lisab täiendavat süsteemi maksumust ja keerukust. Ülemiste mütsitalade eeliste ja nende genereerimise erinevate meetodite mõistmine aitavad lasersüsteemi integraatorid valida oma tüüpi rakenduse jaoks õiget tüüpi laserkiire.
Gaussi talade omadused
Gaussi laserid on tavalisemad ja kulutõhusamad kui teised laserallikad. Enamik kvaliteetseid ühe režiimiga lasereid kiirgab tala, mis järgib madala astmega Gaussi kiirguse profiili, mida tuntakse ka režiimina TEM 00. Vähem kvaliteediallikatel on ka teatud määral muid laserrežiime, kuid tavaliselt eeldatakse, et laseril on süsteemi modelleerimise lihtsustamiseks soovitav Gaussi profiil.
Kui Gaussi talal on sama keskmine optiline võimsus kui ülemise mütsi tala, on Gaussi tala tipptasemel kiirgus kaks korda suurem kui ülemise mütsi tala. Kuna Gaussi tala levib läbi optilise süsteemi, säilitab see Gaussi kiirguse profiilijaotuse, isegi kui tipptasemel intensiivsus või tala suurus muutub. See tähendab, et Gaussi tala püsib levitades konstantsena.
Millised on Gaussi talade probleemid?
Gaussi taladel on puudused. Rakendustes, kus kasutatakse keskpunkti kõrge intensiivsusega osa, raisatakse mõlemal küljel asuva tala madala intensiivsusega osa (nn tiivad) sageli, kuna laseri intensiivsus on kõrgem kui rakenduse jaoks vajalik lävi, olgu see siis materiaalne töötlemine, laserkirurgia või muud rakendused.
Lisaks võivad Gaussi tala tiivad kahjustada ka sihtvööndist kaugemale asuvaid piirkondi, laiendades seeläbi kuumusega mõjutatud tsooni. See on kahjulik sellistele rakendustele nagu laserkirurgia ja täpsusmaterjali töötlemine, kus prioriteediks on täpne täpsus ja minimaalsed kuumusega mõjutatud tsoonid. Selle tulemusel ei ole Gaussi taladega töödeldud materjalidel eriti siledaid servi, vähendades sellega süsteemi täpsust.
Miks kasutada mütsitalasid?
Võrreldes Gaussi taladega ei ole ülemise mütsi tala profiilidel tiivulised lõigud ja neil on järsemad servasiired, mille tulemuseks on tõhusam intensiivsuse ülekandmine ja väiksem soojuse mõjutatud tsoon. [2] Söövimine, keevitamine või ülemise mütsitalaga lõikamine on ümbritseva piirkonna jaoks täpsem ja vähem kahjulik.
Pilt.
See peamine mütsitalade peamine eelis muudab need sobivaks paljudes erinevates olukordades. Laser-indutseeritud kahjustuste läve (LIDT) testimisel ja muude metroloogiasüsteemide korral minimeerib ülaosa talade ühtlane intensiivsuse jaotus mõõtmismääramatust ja statistilist dispersiooni. Ülemised mütsitalad on soodsad ka fluorestsentsmikroskoopia, holograafilise ja interferomeetriasüsteemi korral.
Üks viis hinnata, kas tegelik laserkiir on lähedal täiuslikule mütsitalale, on analüüsida selle tasapinnaline tegur (Fη), mis arvutatakse keskmise kiirguse väärtuse jagamisega tala maksimaalse kiirguse väärtusega, nagu on kirjeldatud ISO 13694 standardis.
Millised on top -mütsi talade puudused?
Ülemine mütsitala ei sobi kõigi rakenduste jaoks. See ei ole nii kulutõhus kui Gaussi tala, kuna Gaussi tala kujundamiseks ülemiseks mütsitalaks on vaja täiendavat tala kujunemiskomponenti. Selle komponendi saab kas üles ehitada otse laseriga allikasse või kasutada süsteemis väljaspool laserit. Need tala kujundavad komponendid sõltuvad sisendtala suurusest ja on tundlikud XY tasapinna joondamise suhtes. Lisaks, erinevalt Gaussi taladest, ei püsi top -mütsi talad levimise ajal konstantsena. See tähendab, et juhtumi ülemine mütsitala ei säilita süsteemi kaudu liikudes oma ülemise mütsi kuju ja areneb lõpuks õhkõrna laigujaotusega.
Kuidas realiseerub ülemine mütsitala?
Kui soovitakse ülemist mütsitala, kuid süsteemi maksumus on väga piiratud ja jõudlus ei pea olema väga kõrge, saab Gaussi tala füüsiliselt kärpida, kasutades väikese ava, et luua pseudo-top mütsiprofiili. See meetod katkestab ja raiskab energiat Gaussi tala mõlemast tiibust ega isegi välja tala keskel asuva intensiivsuse jaotuse. See meetod võib olla kasulik, kui madalate kulude säilitamine on peamine tegur.
Suure jõudlusega süsteemide jaoks, mis nõuavad laserienergia tõhusat kasutamist, saab Gaussi tala kujundamiseks ülaosaga tala kujundada talavormimiskomponente. Talade kujundamise komponente on mitut tüüpi, sealhulgas murdumisnäitaja, peegeldavad, holograafilised ja difraktiivsed seadmed. Murdumisvalgust kujundamisseadmed kasutavad tala faasi moduleerimiseks väljaga kaardistatud asfäärilisi või vabavormidega läätsesid ja muid murdumisnäitajaid (vt joonis 2). Eeliseks on ühtlane intensiivsuse jaotus ja lamefaasi esikülg. Langeva tala amplituudi ja faasi moduleeritakse optiliste elementide abil Galilea või Kepleri läätsede komplektis. See protsess on tavaliselt väga tõhus (suurem kui 96%) ja lainepikkuse sõltumatu seadme disainilahenduste vahemikus. Murdumisvalgustite kujundid toodavad kollimeeritud, ülaosaga talasid, mis sobivad eriti hästi rakenduste jaoks, mis töötavad pikkadel vahemaadel, näiteks holograafiline pildistamine ja mikroskoopiasüsteemid.
Joonis 2: Gaussi tala kujundamine Adloptica πShaper Top Hat Beam Shaper abil Edmund Optics Adloptics abil, tuginedes tööpõhimõtetele nagu lainefrondi aberratsioonid ja energiakaitsetingimused.
Muud tüüpi murdumisnormid, mis kujundavad Gaussi tala kvaasi-sirgeks õhuliseks kohaks. Selle eeliseks on see, et õhuline laik, kui see keskendub difraktsiooniga piiratud läätsede komplektiga, moodustab keskendumispunkti ülemise mütsi profiiliga. Paljudes rakendustes, nagu mikromaterjal, litograafia ja mikrod, nõuab fookuspunkt ülemise mütsi profiili.
Teisest küljest kasutavad difraktiivsed talakujud pigem difraktsiooni, mitte murdumist, et muuta langeva laserkiire intensiivsuse jaotust. Spetsiifilised mikro- ja nanostruktuurid valmistatakse substraadil, kasutades söövitusprotsessi difraktiivsete elementide moodustamiseks. Difraktiivse elemendi efekt ja lainepikkuse vahemik sõltub tavaliselt struktuuri kõrgusest ja piirkonna vahest. Seetõttu tuleb jõudlusvigade vältimiseks kasutada kavandatud lainepikkuse vahemikus difraktiivseid optilisi elemente.
Difraktiivsed talakujud on tundlikumad lahknemisnurga, joondamise ja tala asendi suhtes kui murdumisnormi kujundid. Difraktiivsetel talakujudel on aga kosmosepiiranguga lasersüsteemides eriline eelis, kuna need koosnevad tavaliselt mitme murdumisobjektiivi asemel ühest difraktiivsest elemendist ja need võivad moodustada nii ülakübara talasid kui ka õhku.
Laserkiire integraatorid ehk homogenisaatorid on veel üks tüüpi tala kujundamise komponent. Need koosnevad väikestest läätsedest, mis eraldavad juhtumi valguse väiksemateks taladeks. Seejärel asetab fookuslääts väiksemad talad sihttasapinnale. Lõplik väljundtala on difraktsioonimustrite summa, mille iga massiivi väike lääts tekitab. Need võivad kujundada juhtumi Gaussi tala ühtseks mütsiprofiiliks. Kuid need süsteemid puutuvad sageli kokku juhuslike kiirguste kõikumistega, mille tulemuseks on väljundtala profiil, mis pole täiesti intensiivsusega ühtlane. Tabelis 1 võrreldakse erinevaid talakujusid.
Ülemised mütsitalad sobivad mitmesuguste lasersüsteemide jaoks, kus täpsus ja tõhusus on olulisemad kui kulud. Kõigi turul praegu turul olevate talade kujunditega murdumisnäitajate, difraktiivsete ja muud tüüpi talade kujundajatel on lasersüsteemi integraatoritel tala kujundaja valimisel mitmesuguseid valikuid.
