Профилировщик лазерного луча - Laser beam profiler

Профилировщик лазерного луча.

А профилограф лазерного луча захватывает, отображает и записывает пространственные интенсивность профиль лазерный луч в конкретной плоскости, поперечной пути распространения луча. Поскольку существует много типов лазеров - ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, непрерывная волна, импульсные, мощные, маломощные - имеется ассортимент приборов для измерения профилей лазерных лучей. Ни один профилировщик лазерного луча не может обрабатывать каждый уровень мощности, длительность импульса, частоту повторения, длина волны, и размер пучка.

Обзор

Приборы для профилирования лазерного луча измеряют следующие величины:

• Ширина луча: Существует более пяти определений ширины луча.
• Качество луча: количественно определяется параметром качества луча, M².
• Расходимость луча: Это мера распространения луча с расстоянием.
• Профиль луча: Профиль луча - это двухмерный график интенсивности луча в заданном месте на пути луча. А Гауссовский или же плоский профиль часто желательно. Профиль луча указывает на помехи высокого порядка. пространственные режимы в лазерный резонатор а также горячие точки в луче.
• Астигматизм луча: луч астигматизм когда вертикальная и горизонтальная части луча фокусируются в разных местах на пути луча.
• Блуждание или дрожание луча: величина, на которую центроид или пиковое значение профиля луча смещается 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 поместится на CCD датчик составляет порядка 10 мм. Как вариант, освещение квартиры размытый поверхность с помощью лазера 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 того, как его обнаружит Сил-о-Метр. Измеритель мощности измеряет интенсивность как функцию времени. Получив интегрированные профили интенсивности в нескольких разрезах, можно восстановить исходный профиль пучка с помощью алгоритмов, разработанных для томография. Обычно это не работает для импульсных лазеров и не обеспечивает истинного 2D профиля пучка, но дает отличные результаты. разрешающая способность, в некоторых случаях <1 мкм.
• Метод фазового фронта: луч проходит через двумерный массив крошечных линз в Датчик 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 фотопластинки и сжечь тарелки. Например, мощный углекислотные лазеры были профилированы путем наблюдения за медленными прожигами в акрилат блоки.

По состоянию на 2002 г.^{[Обновить]}, коммерческие системы измерения на острие ножа стоят 5 000–12 000 долларов США, а профилометры ПЗС-лучей - 4 000–9 000 долларов США.^[1] Стоимость профилографов ПЗС-лучей в последние годы снизилась, в основном за счет более низких затрат на кремниевые ПЗС-сенсоры, а с 2008 г.^{[Обновить]} их можно найти менее чем за 1000 долларов США.

Приложения

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 дает высокую флюенс и ионизирует обработанная деталь, а не плавится. Ионизированные края чище и имеют меньше накатка чем оплавленные края.
• Нелинейная оптика: Эффективность преобразования частоты в нелинейно-оптические материалы пропорциональна квадрату (иногда кубическому или более) 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: профилировщики балок выравнивают балки с порядки величины лучшая угловая точность, чем ирисы.
• Мониторинг лазера: часто необходимо контролировать выходную мощность лазера, чтобы увидеть, изменился ли профиль луча после долгих часов работы. Сохранение определенной формы луча критически важно для адаптивная оптика, нелинейная оптика и лазерноеволокно Доставка. Кроме того, состояние лазера можно измерить, визуализируя излучатели насос диодный лазер стержня и подсчета количества вышедших из строя излучателей или путем размещения нескольких профилометров пучка в разных точках вдоль лазерный усилитель цепь.
• Разработка лазеров и лазерных усилителей: Тепловая релаксация в усилителях с импульсной накачкой вызывает временные и пространственные изменения получить кристалл, 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 пучка в реальном времени.
• Измерение дальнего поля: важно знать профиль луча лазера для лазерный радар или же оптическая связь в свободном пространстве на больших расстояниях, так называемое «дальнее поле». 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. А линза, с другой стороны, преобразует луч так, что дальнее поле возникает 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 можно использовать в студенческих лабораториях для проверки теорий дифракции и тестирования Фраунгофер или же Интеграл дифракции Френеля приближения. Другие идеи студенческой лаборатории включают использование профилометра пучка для измерения Пятно Пуассона непрозрачного диска и наметить Диск Эйри дифракционная картина чистого диска.

Измерения

Ширина луча

Ширина луча - самая важная характеристика профиля лазерного луча. Обычно используются как минимум пять определений ширины луча: D4σ, 10/90 или 20/80 острие, 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 / e² и ширина FWHM нет. Доля общей мощности луча, заключенная в ширину луча, зависит от того, какое определение используется.

Качество луча

Показатель качества пучка, М²

Их² параметр - показатель качества луча; низкий M² Значение указывает на хорошее качество луча и возможность фокусировки в узкую точку. Величина M равна отношению угла расходимости луча к углу расходимости гауссова луча с тем же D4σ Талия ширина. Поскольку гауссов пучок расходится медленнее, чем пучок любой другой формы, M² параметр всегда больше или равен единице. В прошлом использовались другие определения качества луча, но второй момент ширина обычно принимается.^[6]

Качество луча важно во многих приложениях. В волоконно-оптическая связь балки с M² близкие к 1 требуются для соединения с одномодовое оптическое волокно. Производители лазерных станков очень заботятся о M² параметром их лазеров, потому что лучи будут фокусироваться в области M⁴ в раз больше, чем у гауссова пучка с той же длиной волны и шириной перетяжки D4σ до фокусировки; другими словами, плотность потока энергии изменяется как 1 / M⁴. Практическое правило состоит в том, что M² увеличивается с увеличением мощности лазера. Трудно получить отличное качество луча и высокую среднюю мощность (от 100 Вт до кВт) из-за теплового линзирования в среда усиления лазера.

Их² Параметр 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 в одном Длина Рэлея подальше от талии.
3. Установите 10 точек измеренных данных на ${ displaystyle sigma ^ {2} (z) = sigma _ {0} ^ {2} + M ^ {4} left ({ frac { lambda} { pi sigma _ {0}}} right) ^ {2} (z-z_ {0}) ^ {2}}$,^[7] куда ${ Displaystyle sigma ^ {2} (г)}$ - второй момент распределения в направлении x или y (см. раздел о ширине луча D4σ), и ${ displaystyle z_ {0}}$ - положение перетяжки балки с шириной второго момента ${ displaystyle 2 sigma _ {0}}$. Подгонка 10 точек данных дает M², ${ displaystyle z_ {0}}$, и ${ displaystyle sigma _ {0}}$. Сигман показал, что все профили пучка - гауссовы, Плоская вершина, ТЕМ_XY, или любой формы - должно соответствовать приведенному выше уравнению при условии, что для радиуса луча используется определение ширины луча D4σ. Использование режущей кромки 10/90, D86 или ширины FWHM не работает.

Полное профилирование пучка электронного поля

Профилировщики пучка измеряют интенсивность | E-поля |², профиля лазерного луча, но не дают никакой информации о фаза электронного поля. Чтобы полностью охарактеризовать E-поле в данной плоскости, необходимо знать профили фазы и амплитуды. В настоящий и воображаемый части электрического поля можно охарактеризовать с помощью двух профилометров пучка ПЗС, которые отбирают пучок в двух отдельных плоскостях распространения, с применением восстановление фазы алгоритм захваченных данных. Преимущество полной характеристики E-поля в одной плоскости состоит в том, что профиль E-поля может быть вычислен для любой другой плоскости с помощью теория дифракции.

Сила в ковше или определение качества луча по Штрелям

Их² Параметр - это еще не все, что нужно для определения качества луча. Низкий M² только означает, что второй момент профиля пучка медленно расширяется. Тем не менее, две балки с одинаковым M² может не иметь такой же доли передаваемой мощности в данной области. Мощь в ведре и Коэффициент Штреля это 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 M², мощность в ковше и коэффициент Штреля. Например, коэффициент Штреля был определен как отношение пиковых фокусных интенсивностей в аберрированной и идеальной функции разброса точек. В других случаях он определялся как отношение максимальной интенсивности изображения к максимальной интенсивности изображения. дифракционно ограниченный изображение с такой же суммой поток.^[8][9] Поскольку в литературе есть много способов определения мощности в ковше и коэффициента Штреля, рекомендуется придерживаться стандарта ISO M² определение параметра качества луча и имейте в виду, что, например, коэффициент Штреля 0,8 ничего не означает, если коэффициент Штреля не сопровождается определением.

Расходимость луча

Расходимость лазерного луча является мерой того, насколько быстро луч расширяется вдали от перетяжки луча. Обычно его определяют как производная радиуса пучка по отношению к осевому положению в дальнем поле, т.е. на расстоянии от перетяжки пучка, которое намного превышает длину Рэлея. Это определение дает полуугол расходимости. (Иногда в литературе используются полные углы; они вдвое больше.) Для гауссова пучка с ограничением дифракции расходимость пучка составляет λ / (πw₀), где λ - длина волны (в среде), а w₀ радиус луча (радиус с 1 / e² интенсивности) на перетяжке луча. Большая расходимость луча для данного радиуса луча соответствует плохому качеству луча. Малое расхождение луча может быть важно 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 коллимированные пучки. Для измерения расходимости луча обычно измеряют радиус луча в различных положениях, например, используя профилограф. Также можно получить расходимость луча из комплексного амплитудного профиля луча в одной плоскости: пространственные преобразования Фурье обеспечить распределение поперечных пространственные частоты, которые напрямую связаны с углами распространения. См. Примечание к применению US Laser Corps^[10] для руководства по измерению расходимости лазерного луча с помощью объектива и камеры CCD.

Лучевой астигматизм

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

• Тепловое линзирование в Nd: YAG плиточные усилители. Плита, зажатая между двумя металлическими радиаторы будет температурный градиент между радиаторами. Температурный градиент вызывает показатель преломления градиент это очень похоже на цилиндрическую линзу. Цилиндрическое линзирование, вызванное усилителем, сделает луч астигматическим.
• Несоответствующие цилиндрические линзы или ошибка в размещении этой оптики.
• Распространение через нелинейный одноосный кристалл (распространено в нелинейная оптика кристаллы). X- и y-поляризованный Электронные поля имеют разные показатели преломления.
• Не распространяется через центр сферическая линза или же зеркало.

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

Каждый лазерный луч блуждает и дрожит, хотя и незначительно. Типичный кинематический наклонно-наклонное крепление дрейфует примерно на 100 мкрад в день в лабораторных условиях (виброизоляция через оптический стол, 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 человека, 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. В среднеквадратичное значение Отклонение данных центроида дает четкое представление о стабильности наведения 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 разрешение центроида (возможно, десятки нанометров) достигается, когда соотношение сигнал шум хороший, и луч заполняет большую часть активной области ПЗС.^[11]

Блуждание луча вызывается:

• Медленная термализация лазера. Производители лазеров обычно имеют спецификации прогрева, позволяющие лазеру дрейфовать до равновесие 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

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?
• М² параметр как для вертикального, так и для горизонтального сечения или просто для лучшего сечения?
• Был М² измеряется стандартным методом ISO или другим способом - например, мощность в ведре.
• 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 прогрева необходимо для достижения указанной M², ширина луча, расходимость, астигматизм и джиттер?

Методы

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]

Сканирующие апертурные методы

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 пучка с помощью алгоритмов, разработанных для рентгеновская томография. 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 режиме реального времени. Профилировщики со сканирующими щелями используют узкую щель вместо одного острия. 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]

Техника камеры CCD

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 глубокий УФ, 200 нм, до ближний инфракрасный, 1100 нм; этот диапазон длин волн охватывает широкий диапазон усиливающих сред лазера. Преимущества технологии камеры CCD:

• Он фиксирует двухмерный профиль луча в реальном времени.
• Высоко 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 цветущий при использовании на границе их чувствительности (например, около 1100 нм)^{[15] [16]}

Вычитание базовой линии для измерений ширины D4σ

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 обусловлено темное течение, шум считывания, и другие источники шума. За дробовой шум -ограниченные источники шума, вычитание базовой линии улучшает оценку ширины D4σ как ${ displaystyle { sqrt {N}}}$, куда ${ displaystyle N}$ - количество пикселей в крыльях. Без вычитания базовой линии ширина D4σ завышена.

Усреднение для получения лучших результатов

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 Пуассоновский обнаружение шума. Так, например, увеличение числа усреднений в 100 раз сглаживает профиль луча в 10 раз.

Методы затухания

Поскольку датчики CCD очень чувствительны, для правильного профилирования луча почти всегда требуется ослабление. Например, 40 дБ (ND 4 или 10⁻⁴) затухания характерно для милливаттной HeNe лазер. 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-сенсоров обычно используются два типа аттенюаторов: фильтры нейтральной плотности, а также клинья или толстые оптические пластины.

Фильтры нейтральной плотности

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 луча. 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 см² области 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

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

Оптические клинья

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. В Отражение Френеля луча от стеклянной пластины различается для s- и p-поляризаций (s параллельно поверхности стекла, а p перпендикулярно s) и изменяется в зависимости от угла падения - имейте это в виду, если вы ожидаете, что две поляризации имеют разные профили луча. Для предотвращения искажения профиля луча стекло должно быть оптического качества - плоскостность поверхности λ / 10 (λ = 633 нм) и царапина 40-20 или лучше. А полуволновая пластина за которым следует поляризационный светоделитель образуют 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 пороговое значение 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

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 показывает практика, нам нужно не менее 10 пикселей в области, на которую приходится большая 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

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

Профилировщик луча в дальней зоне - это не что иное, как профилирование луча в фокусе линзы. Этот самолет иногда называют Самолет Фурье и - профиль, который можно было бы увидеть, если бы луч распространялся очень далеко. Луч в плоскости Фурье - это луч преобразование Фурье поля ввода. Необходимо соблюдать осторожность при настройке измерения дальнего поля. Размер сфокусированного пятна должен быть достаточно большим, чтобы охватить несколько пикселей. Размер пятна примерно жλ /D, куда ж - 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

В прошлом непомерно высокие цены на устройства для профилирования лазерного луча CCD уступили место недорогим устройствам для профилирования луча. Недорогие профилировщики балок открыли ряд новых применений: замена ирисы для сверхточной центровки и одновременного мониторинга нескольких портов лазерных систем.

Замена диафрагмы с точностью совмещения в микрорадианах

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. Consequently, the ability to define an optical path is 1000 times better when using beam profilers over irises. Applications that need microradian alignment accuracies include earth-to-space communications, earth-to-space ladar, master oscillator to power oscillator alignment, and multi-pass усилители.

Simultaneous multiple port monitoring of laser system

Experimental laser systems benefit from the use of multiple laser beam profilers to characterize the насос beam, the output beam, and the beam shape at intermediate locations in the laser system, for example, after a Kerr-lens modelocker. Changes in the pump laser beam profile indicate the health of the pump laser, which laser режимы are excited in the gain crystal, and also determine whether the laser is warmed up by locating the centroid of the beam relative to the breadboard. The output beam profile is often a strong function of pump power due to thermo-optical effects in the gain medium.

Рекомендации

• Laser beam profiling measurement