1. attēls: Eksperimentāli izmērīto Gausa staru (pa kreisi) un augšējās cepures staru (labajā pusē) intensitātes sadalījums.
Lielākajai daļai lāzera staru ir Gausa intensitātes sadalījums; Tomēr dažās lietojumprogrammās var būt izdevīgāk izmantot bez Gausa starus. Gausa staram ir intensitātes sadalījuma šķērsgriezums, kas simetriski samazinās, palielinoties attālumam no centra. Turpretī augšdaļas cepures stars uztur pastāvīgu intensitātes sadalījumu visā šķērsgriezumā, ļaujot apstrādes laikā nodrošināt mērķi pastāvīgu apstarošanas intensitāti (sk. 1. attēlu). Rezultātā precīzākus un paredzamākus rezultātus var sasniegt tādās lietojumprogrammās kā pusvadītāju vafeļu apstrāde, citu materiālu apstrāde un nelineāra frekvences konvertēšana lieljaudas lāzeriem.
Augstākās cepures stari rada tīrākas griezumus un asākas malas nekā Gausa stari, bet, veidojot top cepures starus, tiek palielinātas papildu sistēmas izmaksas un sarežģītību. Izpratne par to, ko rada augšdaļas cepures stari un dažādas to ģenerēšanas metodes, var palīdzēt lāzera sistēmas integratoriem izvēlēties pareizo lāzera staru veidu to pielietojumam.
Gausa staru raksturojums
Gausa lāzeri ir biežāki un rentablāki nekā citi lāzera avotu staru veidi. Lielākā daļa augstas kvalitātes viena režīma lāzeru izstaro staru, kas seko zemas kārtas Gausa izstarojuma profilam, kas ir pazīstams arī kā TEM 00 režīms. Mazāk kvalitātes avotiem būs arī daži citi lāzera režīmi, taču parasti pieņem, ka lāzeram ir vēlams Gausa profils, lai vienkāršotu sistēmas modelēšanu.
Ja Gausa staram ir tāda pati vidējā optiskā jauda kā augšdaļas cepures staram, Gausa stara maksimālais apstarojums būs divreiz lielāks nekā augšējās cepures staru kūlis. Tā kā Gausa stars izplatās caur optisko sistēmu, tas uztur Gausa izstarojuma profila sadalījumu pat tad, ja mainās maksimālā intensitāte vai staru lielums. Tas nozīmē, ka Gausa stars paliek nemainīgs, kad tas izplatās.
Kādas ir problēmas ar Gausa stariem?
Gausa stariem ir savi trūkumi. Lietojumos, kur tiek izmantota staru kūļa augstas intensitātes daļa centrā, staru kūļa zemas intensitātes daļa abās pusēs (tā sauktie "spārni") bieži tiek izšķiesti, jo lāzera intensitāte ir augstāka par pielietojumam nepieciešamo slieksni, neatkarīgi no tā, vai tā ir materiāla apstrāde, lāzera operācija vai citi pielietojumi.
Turklāt Gausa stara spārni var arī sabojāt apgabalus ārpus mērķa zonas, tādējādi palielinot siltuma skartu zonu. Tas kaitē tādiem lietojumiem kā lāzera ķirurģija un precizitātes materiālu apstrāde, kur prioritāte tiek piešķirta augstai precizitātei un minimālai siltuma ietekmētajai zonai. Tā rezultātā materiāliem, kas apstrādāti ar Gausa sijām, nebūs īpaši gludas malas, tādējādi samazinot sistēmas precizitāti.
Kāpēc izmantot top cepures starus?
Salīdzinot ar Gausa stariem, augšdaļas cepures staru profilos nav spārnotu sekciju, un tiem ir straujākas malas pārejas, kā rezultātā tiek veikta efektīvāka intensitātes pārnešana un mazāka karstuma skartā zona. [2] kodināšana, metināšana vai griešana ar cepures augšdaļu būs precīzāka un mazāk kaitīga apkārtējai teritorijai.
Attēls.
Šī galvenā cepures staru priekšrocība padara tās piemērotas daudzām dažādām situācijām. Lāzera izraisītā bojājumu sliekšņa (LIDT) testēšanā un citās metroloģijas sistēmās augšējo cepures staru vienmērīgais intensitātes sadalījums samazina mērījumu nenoteiktību un statistisko dispersiju. Augšējo cepuru sijas ir izdevīgas arī fluorescences mikroskopijas, hologrāfijas un interferometrijas sistēmās.
Viens no veidiem, kā novērtēt, vai faktiskais lāzera stars ir tuvu perfektam augšdaļas cepures staram, ir analizēt tā plakanuma koeficientu (Fη), ko aprēķina, dalot vidējo izstarojuma vērtību ar staru kūļa maksimālo izstarojuma vērtību, kā aprakstīts ISO 13694 standartā.
Kādi ir top cepures staru trūkumi?
Augšējā cepures stars nav piemērots visām lietojumprogrammām. Tas nav tik rentabls kā Gausa stars, jo Gausa staru veidošanai ir nepieciešama papildu staru veidošanās sastāvdaļa, lai veidotu Gausa staru kūli. Šo komponentu var iebūvēt tieši lāzera avotā vai izmantot sistēmā ārpus lāzera. Šie staru kūļa veidošanas komponenti ir atkarīgi no ieejas stara lieluma un ir jutīgi pret XY plaknes izlīdzināšanu. Turklāt atšķirībā no Gausa stariem, augšdaļas cepures sijas izplatīšanās laikā nepaliek nemainīgas. Tas nozīmē, ka kratīšanas augšdaļas stars neuzturēs savu augšdaļas cepures formu, pārvietojoties pa sistēmu, un galu galā attīstīsies, lai atgādinātu gaisīgu vietas sadalījumu.
Kā tiek realizēta augšdaļas cepures stars?
Ja ir vēlams cepures stars, bet sistēmas izmaksas ir ļoti ierobežotas un veiktspējai nav jābūt ļoti augstām, Gausa staru var fiziski saīsināt, izmantojot nelielu atvērumu, lai izveidotu pseido-top cepures profilu. Šī metode samazina un izšķiež enerģiju no abiem Gausa staru spārniem un neizceļ intensitātes sadalījumu staru centrā. Šī metode var būt noderīga, ja galvenais faktors ir zemu izmaksu uzturēšana.
Augstas veiktspējas sistēmām, kurām nepieciešama efektīva lāzera enerģijas izmantošana, Gausa staru veidošanai var izmantot staru veidojošās sastāvdaļas, lai veidotu Gausa staru kūli. Ir vairāki dažādi staru veidošanas komponentu veidi, ieskaitot refrakcijas, atstarojošas, hologrāfiskas un difrakcijas ierīces. Refrakcijas staru veidošanas ierīces izmanto asfēriskas vai brīvas formas lēcas un citas refrakcijas komponentus, lai modulētu staru fāzi (sk. 2. attēlu). Priekšrocība ir vienmērīga intensitātes sadalījums un plakanas fāzes priekšpuse. Incident stara amplitūdu un fāzi modulē Galilejas vai Keplerian objektīva montāžas optiskie elementi. Šis process parasti ir ļoti efektīvs (lielāks par 96%) un neatkarīgs no viļņa garuma, izmantojot ierīču dizainu diapazonu. Refrakcijas staru veidotāji ražo kolimētas, ar augšdaļām, kas ir īpaši labi piemērotas lietojumprogrammām, kas darbojas lielos attālumos, piemēram, hologrāfiskā attēlveidošana un mikroskopijas sistēmas.
2. attēls: Gausa staru kūļa veidošana augšdaļas cepures starā, izmantojot Adloptica πShaper augšējās cepures staru veidotāju no Edmunda optikas adloptikas, pamatojoties uz tādiem darbības principiem kā viļņu frontes aberācijas un enerģijas saglabāšanas apstākļi.
Cita veida refrakcijas staru veidotāji, kas Gausa staru veido kvazi-taisnā gaisīgā vietā. Tās priekšrocība ir tā, ka gaisīgā vieta, kad to koncentrē ar ierobežotu difrakciju ierobežotu objektīva komplektu, veido fokusēšanas punktu ar cepures profilu. Daudzās lietojumprogrammās, piemēram, mikromahinēšanā, litogrāfijā un mikrowelding, fokusēšanas punktam ir nepieciešams cepures profils.
No otras puses, difrakcijas staru veidotāji izmanto difrakciju, nevis refrakciju, lai mainītu krītošā lāzera stara intensitātes sadalījumu. Īpašas mikro- un nanostruktūras tiek sagatavotas uz substrāta, izmantojot kodināšanas procesu, lai veidotu difrakcijas elementus. Difrakcijas elementa efekts un viļņu garuma diapazons parasti ir atkarīgs no struktūras augstuma un reģiona atstatuma. Tāpēc, lai izvairītos no veiktspējas kļūdām, projektētajā viļņu garuma diapazonā jāizmanto difrakcijas optiskie elementi.
Difrakcijas staru veidotāji ir jutīgāki pret novirzes leņķi, izlīdzināšanu un staru stāvokli nekā refrakcijas staru veidotāji. Tomēr difrakcijas staru veidotājiem ir īpašas priekšrocības telpā ierobežotās lāzera sistēmās, jo tie parasti sastāv no viena difrakcijas elementa, nevis vairāku refrakcijas lēcu, un tie var veidot gan augšējās cepures starus, gan gaisīgos plankumus.
Lāzera staru integratori jeb homogenizatori ir vēl viens staru veidošanas komponenta veids. Tie sastāv no mazu objektīvu klāsta, kas krītošo gaismu sadala mazākās staros. Pēc tam fokusējošā objektīva mazākās sijas uzklāj uz mērķa plakni. Galīgais izvades stars ir difrakcijas modeļu summa, ko rada katrs mazais objektīvs masīvā. Viņi var veidot negadījuma Gausa staru kūli vienveidīgā augšdaļas cepures profilā. Tomēr šīs sistēmas bieži saskaras ar nejaušām izstarojuma svārstībām, kā rezultātā tiek izveidots izejas staru profils, kas nav pilnīgi intensitātes formas tērps. 1. tabulā ir salīdzināti dažādi staru veidotāji.
Augstākās cepures stari ir piemērotas dažādām lāzera sistēmām, kur precizitāte un efektivitāte ir svarīgāka nekā izmaksas. Izmantojot refrakcijas, difrakcijas un cita veida staru veidotājus, kas šobrīd darbojas tirgū, lāzera sistēmas integratoriem, izvēloties staru veidotāju, ir dažādas izvēles iespējas.
