1. ábra: A kísérletileg mért Gauss -gerendák (balra) és a felső kalap -gerendák (jobbra) intenzitási eloszlása.
A legtöbb lézernyaláb Gauss -intenzitás -eloszlással rendelkezik; Egyes alkalmazásokban azonban előnyösebb lehet a nem Gauss-gerendák használata. A Gauss-sugarat intenzitás-eloszlású keresztmetszetű, amely szimmetrikusan csökken a központtól való távolság növekedésével. Ezzel szemben a felső kalapnyaláb állandó intenzitás-eloszlást tart fenn a keresztmetszetben, lehetővé téve a célkitűzés következetes besugárzási intenzitását a feldolgozás során (lásd az 1. ábrát). Ennek eredményeként pontosabb és kiszámíthatóbb eredményeket lehet elérni olyan alkalmazásokban, mint például a félvezető ostya feldolgozása, egyéb anyagok feldolgozása és a nemlineáris frekvencia-átalakítás a nagy teljesítményű lézerekhez.
A felső kalapú gerendák tisztább vágásokat és élesebb éleket termelnek, mint a Gauss -gerendák, de a felső kalapú gerendák előállítása további rendszerköltségeket és összetettséget eredményez. A felső sapka gerendák előnyeinek megértése és a generálás különböző módszerei segíthetnek a lézerrendszer -integrátorok kiválasztásában a megfelelő típusú lézernyaláb kiválasztásában.
A Gauss -gerendák jellemzői
A Gauss-lézerek gyakoribbak és költséghatékonyabbak, mint a többi lézerforrás-típusú sugár. A legtöbb kiváló minőségű, egyirányú lézer olyan gerendát bocsát ki, amely egy alacsony sorrendű Gauss-besugárzási profilt követi, amelyet TEM 00 módnak is neveznek. A kisebb minőségű forrásoknak is vannak bizonyos fokú más lézermódok is, de általában feltételezik, hogy a lézernek van egy kívánatos Gauss -profilja a rendszer modellezéséhez.
Ha a Gauss -gerenda átlagos optikai ereje, mint a felső kalapnyaláb, akkor a Gauss -gerenda csúcs besugárzása kétszerese lesz a felső kalapot. Mivel egy Gauss -sugara egy optikai rendszeren keresztül terjed, fenntartja a Gauss besugárzási profil eloszlását, még akkor is, ha a csúcsintenzitás vagy a sugárméret megváltozik. Ez azt jelenti, hogy a Gauss -gerenda állandó marad, miközben terjed.
Milyen problémák vannak a Gauss -gerendákkal?
A Gauss -gerendáknak vannak hátrányai. Azokban az alkalmazásokban, ahol a gerenda nagy intenzitású részét használják, a gerenda mindkét oldalán a gerenda alacsony intenzitású részét (az úgynevezett "szárnyak") gyakran pazarolják, mivel a lézerintenzitás magasabb, mint az alkalmazáshoz szükséges küszöb, függetlenül attól, hogy anyagfeldolgozás, lézerműtét vagy más alkalmazások.
Ezenkívül a Gauss-gerenda szárnyai károsíthatják a célzónán túli területeket is, ezáltal kibővítve a hő által érintett zónát. Ez káros az olyan alkalmazásokra, mint például a lézeres műtét és a precíziós anyagfeldolgozás, ahol a nagy pontosságú és minimális hőre ható zónákat prioritássá teszik. Ennek eredményeként a Gauss -gerendákkal feldolgozott anyagok nem lesznek különösebben sima élek, ezáltal csökkentve ezzel a rendszer pontosságát.
Miért használja a felső kalapgerendákat?
A Gauss -sugarakhoz képest a felső kalap -gerenda profilok nem rendelkeznek szárnyas szakaszokkal, és meredekebb szélű átmenetekkel rendelkeznek, ami hatékonyabb intenzitásátadást és egy kisebb hőhatású zónát eredményez. [2] A maratás, a hegesztés vagy a felső kalapsugárral történő vágás pontosabb és kevésbé káros a környező területre.
Kép.
A felső kalapú gerendák ez a fő előnye miatt sokféle helyzethez alkalmas. A lézer által kiváltott károsodási küszöb (LIDT) tesztelés és más metrológiai rendszerek során a felső kalapsugár egyenletes intenzitás-eloszlása minimalizálja a mérési bizonytalanságot és a statisztikai varianciát. A felső sapka gerendák szintén előnyösek a fluoreszcencia mikroszkópia, a holographia és az interferometriai rendszerek során.
Az egyik módja annak, hogy felmérje, hogy egy tényleges lézernyaláb a tökéletes felső kalap -gerenda közelében van -e, a síkképességi tényező (Fη) elemzése, amelyet úgy számítanak ki, hogy az átlagos besugárzási értéket elosztják a gerenda maximális besugárzási értékével, az ISO 13694 szabványban leírtak szerint.
Milyen hátrányai vannak a felső kalapgerendáknak?
A felső kalapnyaláb nem minden alkalmazáshoz alkalmas. Nem olyan költséghatékony, mint a Gauss-sugarat, mert további sugárformázó alkatrészre van szükség ahhoz, hogy a Gauss-gerendát felső kalapsugársá alakítsák. Ez az alkatrész vagy közvetlenül a lézerforrásba beépíthető, vagy a lézeren kívüli rendszerben használható. Ezek a sugárformáló alkatrészek a bemeneti gerenda méretétől függnek, és érzékenyek az XY sík igazítására. Ezen túlmenően, a Gauss -gerendákkal ellentétben, a felső kalapgerendák nem maradnak állandóak a szaporodás során. Ez azt jelenti, hogy egy incidens felső kalapnyaláb nem fogja megőrizni a felső kalap alakját, amikor a rendszeren áthalad, és végül úgy fejlődik, hogy hasonlítson egy levegős folt eloszlásra.
Hogyan valósul meg egy felső kalapsugár?
Ha kívánatos a felső kalapnyaláb, de a rendszerköltség nagyon korlátozott, és a teljesítménynek nem kell nagyon magasnak lennie, a Gauss-gerenda fizikailag csonkítható egy kis rekesz segítségével, hogy létrehozzon egy ál-top kalapprofilt. Ez a módszer levágja és pazarolja az energiát a Gauss -gerenda mindkét szárnyából, és még a gerenda közepén sem húzza ki az intenzitás eloszlását. Ez a módszer hasznos lehet, ha az alacsony költségek fenntartása fő tényező.
A lézerenergia hatékony felhasználását igénylő nagyteljesítményű rendszerekhez a gerenda alakító alkatrészei felhasználhatók a Gauss-gerenda felső kalapú sugárzá alakításához. Számos különféle típusú sugárformáló alkatrész létezik, beleértve a refrakciós, reflektív, holografikus és diffrakciós eszközöket. A refrakciós gerendaformáló eszközök mezővel díszített aszferikus vagy szabad formájú lencséket és más refrakciós alkatrészeket használnak a gerenda fázisának modulálására (lásd a 2. ábrát). Az előnye az egyenletes intenzitás eloszlás és a lapos fázis elülső része. A beeső gerenda amplitúdóját és fázisát az optikai elemek modulálják egy galileai vagy kepleri lencse szerelvényben. Ez a folyamat általában nagyon hatékony (több mint 96%) és a hullámhossz független az eszköztervek tartományában. A refrakciós gerenda -alakítók kollimált, felső kalapú gerendákat termelnek, amelyek különösen jól alkalmazkodnak olyan alkalmazásokhoz, amelyek nagy távolságra működnek, például holografikus képalkotó és mikroszkópos rendszerek.
2. ábra: A Gauss -gerenda kialakítása egy felső kalapsugárzá, az Adloptica πShaper Top Hat Beam Shaper segítségével az Edmund Optics Adloptics -ból, olyan működési alapelvek alapján, mint a hullámfront -rendellenességek és az energiatakarékossági feltételek.
Más típusú refrakciós gerenda-alakítók, amelyek a Gauss-gerendát kvázi-egyenes, levegős folttá alakítják. Ennek előnye az, hogy a tágas folt, ha egy diffrakciós korlátozott lencse-készlet összpontosít, fókuszpontot képez a felső kalapprofildal. Számos alkalmazásban, például a mikromagazítás, a litográfia és a mikrohullámú, a fókuszálási ponthoz a felső kalapprofil szükséges.
Másrészről, a diffrakciós fénysugár -alakzók inkább a diffrakciót, nem pedig a refrakciót használják a beeső lézernyaláb intenzitás -eloszlásának megváltoztatására. A szubsztráton egy maratási eljárással készítünk specifikus mikro- és nanoszerkezeteket diffraktív elemek kialakításához. A diffrakciós elem hatása és hullámhossz -tartománya általában a szerkezet magasságától és régió távolságától függ. Ezért a teljesítményhibák elkerülése érdekében diffrakciós optikai elemeket kell használni a tervezett hullámhossz -tartományon belül.
A diffrakciós gerendaformák érzékenyebbek a divergencia szögre, az igazításra és a gerenda helyzetére, mint a refrakciós gerenda alakzók. A diffrakciós gerenda-alakítóknak azonban különös előnye van a térben korlátozott lézerrendszerekben, mivel ezek általában egy diffrakciós elemből állnak több refrakciós lencse helyett, és mind a felső, mind a tágas foltokat képezhetik.
A lézernyaláb -integrátorok vagy a homogenizátorok egy másik típusú gerendás formáló alkatrész. Ezek egy kis lencse tömbből állnak, amelyek a beeső fényt kisebb gerendákra osztják. A fókuszáló lencse ezután a kisebb gerendákat a cél síkra helyezi. A végső kimeneti sugár az egyes kis lencsék által a tömbben előállított diffrakciós minták összege. A beeső Gauss -gerendát egységes felső kalapprofilká alakíthatják. Ezek a rendszerek azonban gyakran véletlenszerű besugárzási ingadozásokkal szembesülnek, és olyan kimeneti sugárprofilot eredményeznek, amely nem tökéletesen intenzitású. Az 1. táblázat összehasonlítja a különféle sugárformázókat.
A felső kalapú gerendák különféle lézerrendszerekhez alkalmasak, ahol a pontosság és a hatékonyság fontosabb, mint a költségek. A jelenleg a piacon lévő refrakciós, diffrakciós és más típusú sugárforrókkal a lézerrendszer -integrátorok különféle választási lehetőségeket kínálnak a sugárzók kiválasztásakor.
