Профилировщик лазерного луча

Профилировщик лазерного луча.

Профилировщика лазерный луч захватывает, дисплеи, и записи пространственной интенсивности профиль лазерного луча на определенной плоскости , поперечной к траектории распространения луча. Поскольку существует множество типов лазеров - ультрафиолетовый , видимый , инфракрасный , непрерывный , импульсный, высокомощный, маломощный - существует целый ряд приборов для измерения профилей лазерного луча. Ни один профилировщик лазерного луча не может обрабатывать каждый уровень мощности, длительность импульса, частоту повторения, длину волны и размер луча.

Обзор [ править ]

Приборы для профилирования лазерного луча измеряют следующие величины:

• Ширина луча : существует более пяти определений ширины луча.
• Качество луча: определяется параметром качества луча M ² .
• Расходимость луча : это мера распространения луча с расстоянием.
• Профиль луча: Профиль луча - это двухмерный график интенсивности луча в заданном месте на пути луча. Гауссовый или плоская вершина профиль часто желательно. Профиль луча указывает на мешающие пространственные моды высокого порядка в лазерном резонаторе, а также на горячие точки в луче.
• Астигматизм луча: луч является астигматическим, когда вертикальная и горизонтальная части луча фокусируются в разных местах на пути луча.
• Дрейф луча или дрожание: величина, на которую центроид или пиковое значение профиля луча перемещается со временем.

Для получения перечисленных выше характеристик пучка были разработаны инструменты и методы. К ним относятся:

• Техники камеры: они включают прямое освещение сенсора камеры. Максимальный размер пятна, которое помещается на датчик CCD , составляет порядка 10 мм. В качестве альтернативы, освещение плоской рассеянной поверхности лазером и отображение света на ПЗС-матрице с линзой позволяет профилировать лучи большего диаметра. Просмотр лазеров с диффузных поверхностей отлично подходит для луча большой ширины, но для этого требуется диффузная поверхность с равномерной отражательной способностью (отклонение <1%) по всей освещаемой поверхности.
• Техника лезвия ножа: вращающееся лезвие или щель разрезают лазерный луч до обнаружения измерителем мощности . Измеритель мощности измеряет интенсивность как функцию времени. Получив интегрированные профили интенсивности в нескольких разрезах, можно восстановить исходный профиль луча с использованием алгоритмов, разработанных для томографии . Обычно это не работает для импульсных лазеров и не обеспечивает истинного 2D профиля пучка, но имеет отличное разрешение , в некоторых случаях <1 мкм.
• Метод фазового фронта: луч проходит через двумерный массив крошечных линз в датчике волнового фронта Шака – Гартмана . Каждая линза перенаправит свою часть луча, и по положению отклоненного бимлета можно восстановить фазу исходного луча.
• Исторические методы: они включают использование фотопластинок и пластинок для ожогов. Например, мощные лазеры на углекислом газе были профилированы путем наблюдения за медленными прожигами акрилатных блоков.

По состоянию на 2002 год ^{[Обновить]}коммерческие измерительные системы с острым лезвием стоили 5–12 000 долларов США, а профилометры ПЗС-лучей - 4–9 000 долларов США. ^[1] Стоимость профилографов ПЗС-лучей в последние годы снизилась, главным образом, из-за более низкой стоимости кремниевых ПЗС-датчиков, и по состоянию на 2008 год ^{[Обновить]}их можно найти менее чем за 1000 долларов США.

Приложения [ править ]

Области применения профилирования лазерного луча:

• Лазерная резка : лазер с эллиптическим профилем луча имеет более широкий разрез в одном направлении, чем в другом. Ширина балки влияет на края пропила. Более узкая ширина луча обеспечивает высокую плотность энергии и ионизирует , а не плавит обработанную деталь. Ионизированные края более чистые и имеют меньше накаток, чем оплавленные края.
• Нелинейная оптика : эффективность преобразования частоты в нелинейных оптических материалах пропорциональна квадрату (иногда кубическому или большему) интенсивности входящего света. Следовательно, чтобы получить эффективное преобразование частоты, перетяжка входного луча должна быть как можно меньше. Профилировщик пучка может помочь минимизировать перетяжку пучка в нелинейном кристалле.
• Выравнивание: профилометры выравнивают лучи с угловой точностью на порядки лучше, чем диафрагмы .
• Мониторинг лазера: часто необходимо контролировать выходную мощность лазера, чтобы увидеть, изменился ли профиль луча после долгих часов работы. Поддержание определенной формы луча имеет решающее значение для адаптивной оптики , нелинейной оптики и доставки лазерного излучения в волокно . Кроме того, состояние лазера можно измерить, визуализируя излучатели линейки диодного лазера накачки и подсчитывая количество вышедших из строя излучателей, или путем размещения нескольких профилировщиков пучка в различных точках цепи лазерного усилителя .
• Развитие лазеров и лазерных усилителей: тепловая релаксация в усилителях с импульсной накачкой вызывает временные и пространственные изменения кристалла усиления , эффективно искажая профиль луча усиленного света. Профилировщик пучка, расположенный на выходе усилителя, дает обширную информацию о переходных тепловых эффектах в кристалле. Регулируя ток накачки усилителя и настраивая уровень входной мощности, можно оптимизировать профиль выходного луча в реальном времени.
• Измерение дальнего поля: важно знать профиль луча лазера для лазерного радара или оптической связи в свободном пространстве на больших расстояниях, так называемого «дальнего поля». Ширина луча в дальнем поле определяет количество энергии, собираемой приемником связи, и количество энергии, падающей на цель ладара. Непосредственное измерение профиля пучка в дальней зоне часто невозможно в лаборатории из-за требуемой большой длины пути. С другой стороны, линза преобразует луч так, что дальнее поле находится вблизи его фокуса. Профилировщик пучка, расположенный рядом с фокусом линзы, измеряет профиль пучка в дальней зоне в значительно меньшем пространстве на рабочем столе.
• Образование: профилометры пучка могут использоваться в студенческих лабораториях для проверки дифракционных теорий и тестирования интегральных приближений дифракции Фраунгофера или Френеля . Другие идеи студенческой лаборатории включают использование профилометра луча для измерения пятна Пуассона на непрозрачном диске и для построения дифракционной картины прозрачного диска Эйри .

Измерения [ править ]

Ширина луча [ править ]

Ширина луча - самая важная характеристика профиля лазерного луча. Обычно используются по крайней мере пять определений ширины луча: D4σ, 10/90 или 20/80 острая кромка, 1 / e ² , FWHM и D86. Ширина луча D4σ является стандартом ISO, и для измерения параметра качества луча M² требуется измерение ширины D4σ. ^{[2] [3] [4]} Другие определения предоставляют дополнительную информацию к D4σ и используются в различных обстоятельствах. Выбор определения может иметь большое влияние на полученное число ширины луча, и важно использовать правильный метод для любого конкретного приложения. ^[5] Ширина D4σ и острия ножа чувствительны к фоновому шуму на детекторе, в то время как 1 / e ²и ширина FWHM нет. Доля общей мощности луча, заключенная в ширину луча, зависит от того, какое определение используется.

Качество луча [ править ]

Параметр качества луча, M ² [ править ]

Параметр M ² является мерой качества луча; низкое значение M ² указывает на хорошее качество луча и его способность фокусироваться в узком месте. Величина M равна отношению угла расходимости пучка к углу расходимости гауссова пучка с той же шириной перетяжки D4σ . Поскольку гауссов пучок расходится медленнее, чем пучок любой другой формы, параметр M ² всегда больше или равен единице. В прошлом использовались и другие определения качества пучка, но чаще всего используется тот, который использует ширину второго момента . ^[6]

Качество луча важно во многих приложениях. В оптоволоконной связи для связи с одномодовым оптическим волокном требуются лучи с M ^2, близким к 1 . Производители лазерных станков очень заботятся о параметре M ² своих лазеров, потому что перед фокусировкой лучи будут фокусироваться в область, которая в M в ⁴ раза больше, чем у гауссова луча с той же длиной волны и шириной перетяжки D4σ; другими словами, плотность потока энергии изменяется как 1 / M ⁴ . Практическое правило состоит в том, что M ² увеличивается с увеличением мощности лазера. Трудно получить превосходное качество луча и высокую среднюю мощность (от 100 Вт до кВт) из-за теплового линзирования в среде усиления лазера .

Параметр M ² определяется экспериментально следующим образом: ^[2]

1. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых позициях рядом с перетяжкой луча (место, где луч наиболее узкий).
2. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых позициях, по крайней мере, на одну длину Рэлея от талии.
3. Подгоните 10 измеренных точек данных к , ^[7] где - второй момент распределения в направлении x или y (см. Раздел о ширине луча D4σ), а - положение перетяжки луча с шириной второго момента . Монтаж 10 точек данных дает М ² , и . Сигман показал, что все профили пучка - гауссовский, с плоской вершиной , TEM XY или любой формы - должны соответствовать приведенному выше уравнению при условии, что для радиуса пучка используется определение ширины пучка D4σ. Использование режущей кромки 10/90, D86 или ширины FWHM не работает.${\displaystyle \sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}$${\displaystyle \sigma ^{2}(z)}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle 2\sigma _{0}}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle \sigma _{0}}$

Полное профилирование пучка электронного поля [ править ]

Профилировщики пучка измеряют интенсивность | E-поля | ² , профиля лазерного луча, но не дают никакой информации о фазе электрического поля. Чтобы полностью охарактеризовать E-поле в данной плоскости, необходимо знать профили фазы и амплитуды. В реальных и мнимых частях электрического поля могут быть охарактеризованы с использованием двух профайлеров ПЗСА пучка , что образец пучок на два отдельных плоскостях распространения, с применением восстановления фазы алгоритма к захваченным данным. Преимущество полного описания E-поля в одной плоскости состоит в том, что профиль E-поля может быть вычислен для любой другой плоскости с помощью теории дифракции .

Power-in-the-bucket или определение качества луча по Штрелу [ править ]

Параметр M ² - это еще не все, что нужно для определения качества луча. Низкое значение M ² означает лишь медленное расширение второго момента профиля пучка. Тем не менее, два луча с одинаковым M ² могут не иметь одинаковую долю передаваемой мощности в данной области. Мощность в ковше и коэффициент Штреляэто две попытки определить качество луча как функцию от того, сколько мощности доставляется в заданную область. К сожалению, нет стандартного размера ковша (ширина D86, ширина гауссова луча, нули диска Эйри и т. Д.) Или формы ковша (круглая, прямоугольная и т. Д.), А также нет стандартного луча для сравнения для коэффициента Штреля. Следовательно, эти определения всегда должны быть указаны до того, как будет дано число, и это представляет большие трудности при попытке сравнить лазеры. Также нет простого преобразования между M ² , мощностью в ведре и коэффициентом Штреля. Коэффициент Штреля, например, был определен как отношение пиковых интенсивностей фокуса в аберрированной и идеальной функциях рассеяния точки.. В других случаях он был определен как отношение между максимальной интенсивностью изображения, деленной на максимальную интенсивность изображения, ограниченного дифракцией, с тем же общим потоком . ^{[8] [9]} Поскольку в литературе существует много способов определения мощности в баке и коэффициента Штреля, рекомендуется придерживаться определения M ² стандарта ISO для параметра качества луча и учитывать, что коэффициент Штреля 0,8, например, ничего не значит, если коэффициент Штреля не сопровождается определением.

Расхождение луча [ править ]

Расходимость лазерного луча является мерой того, насколько быстро луч расширяется вдали от перетяжки луча. Обычно его определяют как производную радиуса луча по отношению к осевому положению в дальней зоне, т. Е. На расстоянии от перетяжки луча, которое намного больше, чем длина Рэлея. Это определение дает полуугол расходимости. (Иногда в литературе используются полные углы; они вдвое больше.) Для ограниченного дифракцией гауссова пучка расходимость пучка составляет λ / (πw ₀ ), где λ - длина волны (в среде), а w ₀ радиус луча (радиус с 1 / e ²интенсивности) на перетяжке луча. Большая расходимость луча для данного радиуса луча соответствует плохому качеству луча. Малая расходимость луча может быть важна для таких приложений, как наведение или оптическая связь в свободном пространстве . Лучи с очень малой расходимостью, т. Е. С примерно постоянным радиусом луча на значительных расстояниях распространения, называются коллимированными лучами . Для измерения расходимости луча обычно измеряют радиус луча в различных положениях, например, с помощью профилометра луча. Также возможно получить расходимость луча из комплексного амплитудного профиля луча в одной плоскости: пространственные преобразования Фурье дают распределение поперечных пространственных частот, которые напрямую связаны с углами распространения. См. Примечание по применению US Laser Corps ^[10], чтобы узнать, как измерить расходимость лазерного луча с помощью объектива и камеры CCD.

Лучевой астигматизм [ править ]

Астигматизм в лазерном луче возникает, когда горизонтальное и вертикальное сечения луча фокусируются в разных местах на пути луча. Астигматизм можно исправить с помощью пары цилиндрических линз . Показатель астигматизма - это сила цилиндрической линзы, необходимая для объединения фокусов горизонтального и вертикального сечений. Астигматизм вызывается:

• Тепловое линзирование в усилителях с пластинами из Nd: YAG . Плита, зажатая между двумя металлическими радиаторами, будет иметь температурный градиент между радиаторами. Термический градиент вызывает показатель преломления градиента , который очень похож на цилиндрическую линзу. Цилиндрическое линзирование, вызванное усилителем, сделает луч астигматическим.
• Несоответствующие цилиндрические линзы или ошибка в размещении этой оптики.
• Распространение через нелинейный одноосный кристалл (обычное явление в нелинейно-оптических кристаллах). X- и y- поляризованные E-поля имеют разные показатели преломления.
• Не распространяется через центр сферической линзы или зеркала .

Астигматизм можно легко охарактеризовать с помощью профилометра пучка на ПЗС-матрице, наблюдая, где возникают перегибы пучка по осям x и y при перемещении профилометра вдоль пути пучка.

Блуждание или дрожание луча [ править ]

Каждый лазерный луч блуждает и дрожит, хотя и незначительно. Типичный кинематический наклонно-наклонный кронштейн смещается примерно на 100 мкрад в день в лабораторных условиях ( виброизоляция с помощью оптического стола, постоянная температура и давление и отсутствие солнечного света, который вызывает нагрев деталей). Падающий на это зеркало лазерный луч будет перемещен на 100 м на дальность 1000 км. Это может иметь значение, поразить или не поразить спутник связи с Земли. Следовательно, существует большой интерес к характеристике дрейфа луча (медленная шкала времени) или дрожания (быстрая шкала времени) лазерного луча. Дрейф луча и джиттер можно измерить, отслеживая центр тяжести или пик луча с помощью профилометра ПЗС. Частота кадров CCD обычно составляет 30 кадров в секунду и, следовательно, может улавливать дрожание луча, которое меньше 30 Гц - он не может видеть быстрые вибрации из-за голоса, 60 Гц.гудение двигателя вентилятора или другие источники быстрой вибрации. К счастью, для большинства лабораторных лазерных систем это обычно не вызывает большого беспокойства, и частота кадров ПЗС-матриц достаточно высока, чтобы уловить блуждание луча в полосе пропускания, содержащей наибольшую мощность шума. Типичное измерение дрейфа луча включает отслеживание центра тяжести луча в течение нескольких минут. Среднеквадратичное отклонение центроида данных дает четкое представление о стабильности указательного лазерного луча. Время интегрирования измерения дрожания луча всегда должно сопровождать вычисленное среднеквадратичное значение. Несмотря на то, что пиксельное разрешение камеры может составлять несколько микрометров, субпиксельное центроидное разрешение (возможно, десятки нанометров) достигается, когда отношение сигнал / шумхороший, и луч заполняет большую часть активной области ПЗС. ^[11]

Блуждание луча вызывается:

• Медленная термализация лазера. Производители лазеров обычно имеют спецификации прогрева, позволяющие лазеру прийти в состояние равновесия после запуска.
• Наклон наконечника и дрейф оптического крепления, вызванный перепадами температур, давлением и ослаблением пружин.
• Нежестко установленная оптика
• Вибрация из-за вентиляторов, людей, идущих / чихающих / дышащих, водяных насосов и движения транспортных средств за пределами лаборатории.

Искажение результатов измерений профилометра луча для лазерных систем [ править ]

Большинству производителей лазеров выгодно представлять спецификации таким образом, чтобы их продукт был показан в лучшем свете, даже если это влечет за собой введение покупателя в заблуждение. Технические характеристики лазера можно уточнить, задав такие вопросы, как:

• Характеристики - типичная или наихудшая?
• Какое определение ширины луча использовалось?
• Параметр M ² подходит как для вертикального, так и для горизонтального сечения или просто для лучшего сечения?
• Было ли измерено M ² с использованием стандартной методики ISO или каким-либо другим способом - например, мощность в ковше.
• В течение какого времени потребовались данные для получения указанного среднеквадратичного дрожания луча. (Среднеквадратичное дрожание луча ухудшается по мере увеличения интервала измерения.) В какой среде находился лазер (оптический стол и т. Д.)?
• Какое время разогрева необходимо для достижения указанных значений M ² , ширины луча, расходимости, астигматизма и джиттера?

Методы [ править ]

Профилировщики пучка обычно делятся на два класса: в первом используется простой фотодетектор за апертурой, которая сканируется по пучку. Второй класс использует камеру для изображения луча. ^[12]

Техника сканирования диафрагмы [ править ]

Наиболее распространенными методами сканирования апертуры являются техника острия и профилировщик сканирующей щели. Первый рубит луч ножом и измеряет передаваемую мощность, когда лезвие прорезает луч. Измеренная интенсивность в зависимости от положения ножа дает кривую, которая представляет собой интегральную интенсивность луча в одном направлении. Измеряя кривую интенсивности в нескольких направлениях, можно восстановить исходный профиль луча с помощью алгоритмов, разработанных для рентгеновской томографии.. Измерительный прибор основан на высокоточных множественных режущих кромках, каждая из которых развернута на вращающемся барабане и имеет другой угол относительно ориентации луча. Затем сканированный луч реконструируется с использованием томографических алгоритмов и предоставляет 2D или 3D графики распределения энергии с высоким разрешением. Благодаря специальной технике сканирования система автоматически увеличивает текущий размер луча, что позволяет проводить измерения субмикронных лучей с высоким разрешением, а также относительно большие лучи 10 или более миллиметров. Для измерения различных длин волн используются разные детекторы, позволяющие измерять лазерный луч от глубокого УФ до дальнего ИК. В отличие от других систем, основанных на камерах, эта технология также обеспечивает точное измерение мощности в реальном времени. Профилировщики со сканирующей щелью используют узкую щель вместо одной острой кромки. В этом случае,интенсивность интегрируется по ширине щели. Результирующее измерение эквивалентно исходному поперечному сечению, свернутому с профилем щели.

Эти методы позволяют измерять очень маленькие пятна размером до 1 мкм и могут использоваться для непосредственного измерения лучей высокой мощности. Они не обеспечивают непрерывного считывания, хотя частота повторения может достигать двадцати герц. Кроме того, профили дают интегральные интенсивности в направлениях x и y, а не фактический двумерный пространственный профиль (интеграция интенсивностей может быть трудной для интерпретации для сложных профилей пучка). Обычно они не работают с импульсными лазерными источниками из-за дополнительной сложности синхронизации движения апертуры и лазерных импульсов. ^[13]

Технология камеры CCD [ править ]

Техника камеры CCD проста: ослабьте и направьте лазер на матрицу CCD и непосредственно измерьте профиль луча. По этой причине камера является наиболее популярным методом профилирования лазерного луча. Наиболее популярные камеры - это кремниевые ПЗС-матрицы с диаметром сенсора до 25 мм (1 дюйм) и размером пикселей до нескольких микрометров. Эти камеры также чувствительны к широкому диапазону длин волн, от глубокого УФ (200 нм) до ближнего инфракрасного (1100 нм); этот диапазон длин волн охватывает широкий диапазон усиливающих сред лазера. Преимущества технологии камеры CCD:

• Он фиксирует двухмерный профиль луча в реальном времени.
• Высокий динамический диапазон . Даже ПЗС-матрица веб-камеры имеет динамический диапазон около 2⁸. ^[14]
• Программное обеспечение обычно отображает критические параметры луча, такие как ширина D4σ, в режиме реального времени.
• Чувствительные ПЗС-детекторы могут регистрировать профили пучка слабых лазеров.
• Разрешение до 4 мкм, в зависимости от размера пикселя. В частном случае было продемонстрировано разрешение ± 1,1 мкм. ^[14]
• ПЗС-камеры с триггерными входами могут использоваться для захвата профилей пучка импульсных лазеров с малой скважностью.
• ПЗС-матрицы имеют чувствительность в широком диапазоне длин волн от 200 до 1100 нм.

Недостатками техники CCD камеры являются:

• Затухание необходимо для мощных лазеров.
• Размер датчика CCD ограничен примерно 1 дюймом.
• ПЗС-матрицы склонны к потускнению при использовании на границе их чувствительности (например, около 1100 нм) ^{[15] [16]}

Вычитание базовой линии для измерений ширины D4σ [ править ]

Ширина D4σ чувствительна к энергии луча или шуму в хвосте импульса, потому что пиксели, которые находятся далеко от центра тяжести луча, вносят вклад в ширину D4σ как квадрат расстояния. Чтобы уменьшить ошибку в оценке ширины D4σ, значения базовых пикселей вычитаются из измеренного сигнала. Базовые значения пикселей измеряются путем записи значений пикселей ПЗС без падающего света. Конечное значение связано с темновым током , шумом считывания и другими источниками шума. Для источников шума, ограниченного дробовым шумом, вычитание базовой линии улучшает оценку ширины D4σ, поскольку , где - количество пикселей в крыльях. Без вычитания базовой линии ширина D4σ завышена.${\displaystyle {\sqrt {N}}}$${\displaystyle N}$

Усреднение для получения лучших результатов [ править ]

Усреднение последовательных изображений ПЗС дает более чистый профиль и устраняет как шум формирователя изображения ПЗС, так и флуктуации интенсивности лазерного луча. Отношение сигнал / шум (SNR) пикселя для профиля луча определяется как среднее значение пикселя, деленное на его среднеквадратичное (rms) значение. SNR увеличивается как квадратный корень из числа захваченных кадров для процессов дробового шума - шума темнового тока, шума считывания и пуассоновского шума обнаружения. Так, например, увеличение числа усреднений в 100 раз сглаживает профиль луча в 10 раз.

Методы ослабления [ править ]

Поскольку датчики CCD очень чувствительны, для правильного профилирования луча почти всегда требуется ослабление. Например, ослабление 40 дБ ( ND 4 или 10 ^-4 ) типично для гелий-неонового лазера мощностью в милливатт . Правильное затухание имеет следующие свойства:

• Это не приводит к многократным отражениям, оставляющим фантомное изображение на ПЗС-матрице.
• Это не приводит к появлению интерференционных полос из-за отражений между параллельными поверхностями или дифракции на дефектах.
• Он не искажает волновой фронт и будет оптическим элементом с достаточной оптической плоскостностью (менее одной десятой длины волны) и однородностью.
• Он может обрабатывать требуемую оптическую мощность

Для профилирования лазерного луча с помощью ПЗС-датчиков обычно используются два типа аттенюаторов: фильтры нейтральной плотности и клинья или толстые оптические пластины.

Фильтры нейтральной плотности [ править ]

Фильтры нейтральной плотности (ND) бывают двух типов: поглощающие и отражающие.

Абсорбционные фильтры обычно изготавливают из тонированного стекла. Они полезны для приложений с низким энергопотреблением, которые требуют средней мощности около 100 мВт. Выше этих уровней мощности может произойти тепловое линзирование, вызывающее изменение размера луча или деформацию из-за низкой теплопроводности подложки (обычно стекла). Более высокая мощность может привести к плавлению или растрескиванию. Значения затухания абсорбционного фильтра обычно действительны для видимого спектра (500–800 нм) и не действительны за пределами этой спектральной области. Некоторые фильтры можно заказать и откалибровать для длин волн ближнего инфракрасного диапазона, вплоть до длинноволнового края поглощения подложки (около 2,2 мкм для очков). Обычно можно ожидать около 5-10% отклонения затухания через 2-дюймовый (51 мм) фильтр нейтральной плотности, если иное не указано производителем.Значения затухания фильтров ND задаются логарифмически. Фильтр ND 3 пропускает 10⁻³ мощности падающего пучка. Размещение самого большого аттенюатора последним перед датчиком CCD приведет к лучшему подавлению паразитных изображений из-за множественных отражений.

Светоотражающие фильтры имеют тонкое металлическое покрытие и, следовательно, работают в большей полосе пропускания. Металлический фильтр ND 3 будет хорош при длине волны 200–2000 нм. Затухание будет быстро увеличиваться за пределами этой спектральной области из-за поглощения в стеклянной подложке. Эти фильтры отражают, а не поглощают падающую мощность, и, следовательно, могут обрабатывать более высокие входные средние мощности. Однако они менее подходят для работы с импульсными лазерами с высокой пиковой мощностью. Эти фильтры отлично работают при средней мощности около 5 Вт (более 1 см ²области освещения) перед нагревом вызывает их растрескивание. Поскольку эти фильтры отражают свет, нужно быть осторожным при наложении нескольких фильтров нейтральной плотности, так как многократные отражения между фильтрами приведут к тому, что фантомное изображение будет мешать исходному профилю луча. Один из способов смягчить эту проблему - наклонить стек фильтров ND. Если предположить, что поглощением металлического фильтра ND можно пренебречь, порядок набора фильтров ND не имеет значения, как это имеет значение для поглощающих фильтров.

Пробоотборник дифракционного пучка [ править ]

Дифракционные пробоотборники пучка используются для контроля мощных лазеров, где оптические потери и искажения волнового фронта передаваемого пучка должны быть сведены к минимуму. В большинстве приложений большая часть падающего света должна идти вперед, «не подвергаясь воздействию», в «дифрагированном порядке нулевого порядка», в то время как небольшая часть луча дифрагируется в более высокий дифракционный порядок, обеспечивая «образец» луча. Направляя отобранный свет более высокого порядка (-ов) на детектор, можно в реальном времени отслеживать не только уровни мощности лазерного луча, но также его профиль и другие характеристики лазера.

Оптические клинья [ править ]

Оптические клинья и отражения от поверхностей оптического стекла без покрытия используются для ослабления лазерных лучей высокой мощности. Около 4% отражается от границы раздела воздух / стекло, и можно использовать несколько клиньев для значительного ослабления луча до уровней, которые можно ослабить с помощью нейтральных фильтров. Угол клина обычно выбирается таким образом, чтобы второе отражение от поверхности не попадало на активную область ПЗС и чтобы интерференционные полосы не были видны. Чем дальше ПЗС находится от клина, тем меньше требуемый угол. У клиньев есть недостаток как смещения, так и смещения направления луча - траектории больше не будут лежать в удобных прямоугольных координатах. Вместо клина может работать толстая стеклянная пластина оптического качества, наклоненная к лучу - фактически, это то же самое, что клин с углом 0 °.Толстое стекло будет направлять луч, но не изменит угол выходного луча. Стекло должно быть достаточно толстым, чтобы луч не перекрывался сам с собой, создавая интерференционные полосы, и, если возможно, чтобы вторичное отражение не освещало активную область ПЗС-матрицы. ВФренелевское отражение луча от стеклянной пластины различно для s- и p-поляризаций (s параллельно поверхности стекла, а p перпендикулярно s) и изменяется в зависимости от угла падения - сохраните это в имейте в виду, если вы ожидаете, что две поляризации имеют разные профили луча. Чтобы предотвратить искажение профиля луча, стекло должно быть оптического качества - плоскостность поверхности λ / 10 (λ = 633 нм) и царапина не ниже 40-20. Полуволновой пластины с последующим поляризационный расщепитель лучаобразуют переменный аттенюатор, и эта комбинация часто используется в оптических системах. Изготовленный таким образом регулируемый аттенюатор не рекомендуется для ослабления при профилировании луча, потому что: (1) профиль луча в двух ортогональных поляризациях может отличаться, (2) куб поляризационного луча может иметь низкое значение порога оптического повреждения и (3) луч может искажаться в кубических поляризаторах при очень большом затухании. Недорогие кубические поляризаторы формируются путем склеивания двух прямоугольных призм вместе. Клей плохо выдерживает высокие мощности - интенсивность должна быть ниже 500 мВт / мм ² . Одноэлементные поляризаторы рекомендуются для больших мощностей.

Оптимальный размер луча на ПЗС-детекторе [ править ]

Есть два конкурирующих требования, которые определяют оптимальный размер луча на ПЗС-детекторе. Одно из требований состоит в том, чтобы вся энергия или как можно большая часть лазерного луча падала на датчик CCD. Это означало бы, что мы должны сфокусировать всю энергию в центре активной области в как можно меньшем пятне, используя только несколько центральных пикселей, чтобы гарантировать, что хвосты луча захватываются внешними пикселями. Это одна крайность. Второе требование состоит в том, что нам нужно адекватно отобрать форму профиля пучка. Как правило, нам нужно не менее 10 пикселей в области, которая охватывает большую часть, скажем, 80% энергии луча. Поэтому не существует жесткого правила выбора оптимального размера балки. Пока датчик CCD улавливает более 90% энергии луча и имеет не менее 10 пикселей в поперечнике,измерения ширины луча будут иметь некоторую точность.

Размер и количество пикселей [ править ]

Чем больше размер ПЗС-матрицы, тем больший размер луча можно профилировать. Иногда это происходит за счет увеличения размера пикселей. Для наблюдения сфокусированных лучей требуются пиксели небольшого размера. ПЗС-матрица с большим количеством мегапикселей не всегда лучше, чем матрица меньшего размера, поскольку время считывания на компьютере может быть слишком большим. Считывание массива в режиме реального времени необходимо для любой настройки или оптимизации профиля лазера.

Профайлер дальнего поля [ править ]

Профилировщик луча в дальней зоне - это не что иное, как профилирование луча в фокусе линзы. Эту плоскость иногда называют плоскостью Фурье, и это профиль, который можно было бы увидеть, если бы луч распространялся очень далеко. Луч в плоскости Фурье - это преобразование Фурье входного поля. Необходимо соблюдать осторожность при настройке измерения дальнего поля. Размер сфокусированного пятна должен быть достаточно большим, чтобы охватить несколько пикселей. Размер пятна приблизительно равен f λ / D , где f - фокусное расстояние линзы, λ - длина волны света, а D- диаметр коллимированного пучка, падающего на линзу. Например, гелий-неоновый лазер (633 нм) с диаметром луча 1 мм будет фокусироваться на пятно 317 мкм с линзой 500 мм. Профилировщик лазерного луча с размером пикселя 5,6 мкм может адекватно отобрать пятно в 56 точках.

Специальные приложения [ править ]

В прошлом непомерно высокие цены на устройства для профилирования лазерного луча CCD уступили место недорогим устройствам для профилирования луча. Недорогие профилометры луча открыли ряд новых применений: замена диафрагмы для сверхточного выравнивания и одновременный мониторинг нескольких портов лазерных систем.

Замена диафрагмы с точностью совмещения в микрорадианах [ править ]

Раньше юстировку лазерных лучей выполняли с помощью диафрагмы. Две диафрагмы однозначно определяют путь луча; чем дальше друг от друга радужки и чем меньше отверстия диафрагмы, тем точнее определяется путь. Наименьшая апертура, которую может определить диафрагма, составляет около 0,8 мм. Для сравнения, центроид лазерного луча можно определить с точностью до микрометра с помощью профилометра лазерного луча. Эффективный размер апертуры лазерного профилографа на три порядка меньше, чем у диафрагмы. Следовательно, возможность определения оптического пути в 1000 раз лучше при использовании профилировщика луча по диафрагме. Приложения, требующие точности совмещения в микрорадианах, включают связь Земля-космос, лестничную диаграмму земля-космос, настройку задающего генератора и генератора мощности и многопроходные усилители .

Одновременный мониторинг нескольких портов лазерной системы [ править ]

Экспериментальные лазерные системы выигрывают от использования нескольких профилировщиков лазерного луча для определения характеристик луча накачки , выходного луча и формы луча в промежуточных точках лазерной системы, например, после синхронизатора мод на основе линзы Керра . Изменения в профиле луча лазера накачки указывают на исправность лазера накачки, какие лазерные моды возбуждаются в кристалле усиления , а также определяют, прогрет ли лазер, путем определения центра тяжести луча относительно макета . Профиль выходного пучка часто сильно зависит от мощности накачки из-за термооптических эффектов в усиливающей среде.

Ссылки [ править ]

• Измерение профиля лазерного луча