Профилометр лазерного луча

Профилометр лазерного луча.

Профилировщик лазерного луча фиксирует, отображает и записывает пространственный интенсивности профиль лазерного луча в определенной плоскости, поперечной пути распространения луча. Поскольку существует множество типов лазеров — ультрафиолетовые , видимые , инфракрасные , непрерывные , импульсные, мощные, маломощные, — 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

Приборы для профилирования лазерного луча измеряют следующие величины:

• Ширина луча : существует более пяти определений ширины луча.
• Качество луча: количественно определяется параметром качества луча, M. ² .
• Расходимость луча : это мера распространения луча с расстоянием.
• Профиль луча. Профиль луча — это двумерный график интенсивности луча в заданном месте на пути луча. профиль Гаусса или профиль с плоской вершиной Часто желателен . Профиль луча указывает на мешающие пространственные моды высокого порядка в резонаторе лазера, а также на горячие точки в луче.
• Лучевой астигматизм: луч является астигматичным , когда вертикальная и горизонтальная части луча фокусируются в разных местах на пути луча.
• Блуждание или дрожание луча: величина, на которую центр тяжести или пиковое значение профиля луча перемещается со временем.

Для получения перечисленных выше характеристик пучка были разработаны приборы и методики. К ним относятся:

• Методы камеры: они включают прямое освещение сенсора камеры. Максимальный размер пятна, который может поместиться на ПЗС- сенсоре, составляет порядка 10 мм. Альтернативно, освещение плоской диффузной поверхности лазером и отображение света на ПЗС-матрице с линзой позволяет профилировать лучи большего диаметра. Наблюдение лазеров с диффузных поверхностей отлично подходит для луча большой ширины, но требует диффузной поверхности, которая имеет равномерную отражательную способность (отклонение <1%) по освещаемой поверхности.
• Ножевой метод: вращающееся лезвие или прорезь разрезают лазерный луч до того, как он будет обнаружен измерителем мощности . Измеритель мощности измеряет интенсивность как функцию времени. Взяв интегрированные профили интенсивности в ряде разрезов, исходный профиль луча можно восстановить с помощью алгоритмов, разработанных для томографии . Обычно это не работает для импульсных лазеров и не обеспечивает истинного двумерного профиля луча, но имеет отличное разрешение , в некоторых случаях <1 мкм.
• Метод фазового фронта: луч проходит через двумерную решетку крошечных линз в датчике волнового фронта Шака – Хартмана . Каждая линза перенаправит свою часть луча, и по положению отклоненного луча можно восстановить фазу исходного луча.
• Исторические методы: они включают использование фотографических пластин и пластин для сжигания. Например, мощные лазеры на углекислом газе были профилированы путем наблюдения за медленным горением акрилатных блоков.

По состоянию на 2002 год коммерческие системы измерения остроты зрения стоят 5 000–12 000 долларов США, а профилометры ПЗС-луча стоят 4 000–9 000 долларов США. Стоимость профилировщиков луча ПЗС снизилась в последние годы, в первую очередь за счет снижения стоимости кремниевых ПЗС-датчиков, а по состоянию на 2008 г. их можно найти менее чем за 1000 долларов США.

Приложения

Приложения профилирования лазерного луча включают в себя:

• Лазерная резка : лазер с эллиптическим профилем луча имеет более широкий разрез в одном направлении, чем в другом. Ширина бруса влияет на края разреза. Более узкая ширина луча обеспечивает высокую плотность энергии и ионизирует , а не плавит обрабатываемую деталь. Ионизированные края чище и имеют меньшую накатку , чем расплавленные края.
• Нелинейная оптика . Эффективность преобразования частоты в нелинейных оптических материалах пропорциональна квадрату (иногда кубу или более) интенсивности входного света. Следовательно, для эффективного преобразования частоты перетяжка входного луча должна быть небольшой и располагаться внутри нелинейного материала. Профилометр балки поможет сделать перетяжку нужного размера в нужном месте.
• Выравнивание: профилометры выравнивают лучи с угловой точностью на несколько порядков выше, чем ирисы .
• Лазерный мониторинг: часто необходимо контролировать выходную мощность лазера, чтобы увидеть, меняется ли профиль луча после долгих часов работы. Поддержание определенной формы луча имеет решающее значение для адаптивной оптики , нелинейной оптики и передачи сигнала от лазера к волокну . Кроме того, состояние лазера можно измерить путем визуализации излучателей накачки лазерной линейки с диодами и подсчета количества вышедших из строя излучателей или путем размещения нескольких профилировщиков луча в различных точках цепи лазерного усилителя .
• Разработка лазеров и лазерных усилителей: Термическая релаксация в усилителях с импульсной накачкой вызывает временные и пространственные изменения в кристалле усиления , эффективно искажая профиль луча усиленного света. Профилометр луча, установленный на выходе усилителя, дает богатую информацию о переходных тепловых эффектах в кристалле. Регулируя ток накачки усилителя и настраивая уровень входной мощности, профиль выходного луча можно оптимизировать в режиме реального времени.
• Измерение в дальней зоне: важно знать профиль луча лазера для лазерного радара или оптической связи в открытом пространстве на больших расстояниях, в так называемом «дальнем поле». Ширина луча в дальней зоне определяет количество энергии, собираемой приемником связи, и количество энергии, падающей на цель ладара. Непосредственное измерение профиля луча в дальней зоне зачастую невозможно в лаборатории из-за требуемой длины пути. Линза . , с другой стороны, преобразует луч так, что дальнее поле оказывается вблизи его фокуса Профилометр луча, расположенный рядом с фокусом линзы, измеряет профиль луча в дальней зоне, занимая значительно меньше места на столе.
• Образование: профилометры луча могут использоваться в студенческих лабораториях для проверки теорий дифракции и проверки приближений дифракционного интеграла Фраунгофера или Френеля . Другие идеи студенческой лаборатории включают использование профилировщика луча для измерения пятна Пуассона на непрозрачном диске и построения карты диска Эйри дифракционной картины на прозрачном диске.

Измерения

Ширина луча

Основная статья: Диаметр луча

Ширина луча является наиболее важной характеристикой профиля лазерного луча. Обычно используются как минимум пять определений ширины балки: D4σ, 10/90 или 20/80, острая кромка, 1/e. ² , FWHM и D86. Ширина луча D4σ — это определение стандарта ISO и измерение M. ² Параметр качества пучка требует измерения ширины D4σ. Другие определения предоставляют дополнительную информацию к D4σ и используются в различных обстоятельствах. Выбор определения может иметь большое влияние на полученное значение ширины луча, поэтому важно использовать правильный метод для каждого конкретного применения. Ширина D4σ и ножевой кромки чувствительны к фоновому шуму детектора, тогда как 1/e ² и ширина FWHM — нет. Доля общей мощности луча, охватываемая шириной луча, зависит от того, какое определение используется.

Качество луча

Параметр качества луча, М ²

Основная статья: М в квадрате

Их ² параметр является мерой качества луча; низкий М ² Значение указывает на хорошее качество луча и способность фокусироваться в узком месте. Величина M равна отношению угла расхождения пучка к углу расхождения гауссова пучка с той же шириной перетяжки D4σ . Поскольку гауссов пучок расходится медленнее, чем пучок любой другой формы, M ² параметр всегда больше или равен единице. В прошлом использовались и другие определения качества балки, но второго момента . наиболее общепринятым является определение, использующее ширину

Качество луча важно во многих приложениях. В лучах волоконно-оптической связи с М ² требуется значение, близкое к 1 для подключения к одномодовому оптическому волокну . Лазерные станки уделяют большое внимание M ² параметр их лазеров, поскольку лучи будут фокусироваться в области M ⁴ раз больше, чем у гауссова пучка с той же длиной волны и шириной перетяжки D4σ до фокусировки; другими словами, флюенс масштабируется как 1/M ⁴ . Эмпирическое правило заключается в том, что М. ² увеличивается с увеличением мощности лазера. Трудно получить превосходное качество луча и высокую среднюю мощность (от 100 Вт до кВт) из-за термического линзирования в усиливающей среде лазера .

Их ² параметр определяется экспериментально следующим образом:

1. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых положениях вблизи перетяжки луча (место, где луч является самым узким).
2. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых положениях на расстоянии не менее одной длины Рэлея от талии.
3. Сопоставьте 10 точек измеренных данных с $\sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}$, где $\sigma ^{2}(z)$ — второй момент распределения в направлении x или y (см. раздел о ширине луча D4σ), и $z_{0}$ - расположение перетяжки балки с шириной второго момента $2\sigma _{0}$. Подбор 10 точек данных дает M ² , $z_{0}$, и $\sigma _{0}$. Зигман показал, что все профили луча — гауссовы, с плоской вершиной , TEM _XY или любой формы — должны соответствовать приведенному выше уравнению при условии, что радиус луча использует определение ширины луча D4σ. Использование лезвия 10/90, ширины D86 или FWHM не работает.

Полное профилирование луча электронного поля

Профилометры луча измеряют интенсивность |Электронное поле| ² , профиля лазерного луча, но не дают никакой информации о фазе электронного поля. Чтобы полностью охарактеризовать E-поле в данной плоскости, необходимо знать как фазовый, так и амплитудный профили. Действительную части электрического поля можно охарактеризовать с помощью двух профилировщиков луча ПЗС и мнимую , которые производят выборку луча в двух отдельных плоскостях распространения, с применением алгоритма восстановления фазы к захваченным данным. Преимущество полной характеристики E-поля в одной плоскости заключается в том, что профиль E-поля можно вычислить для любой другой плоскости с помощью теории дифракции .

Энергия в ведре или определение качества луча по Штрелю

Их ² Параметр – это еще не все, что касается определения качества луча. Низкий М ² означает лишь то, что второй момент профиля пучка расширяется медленно. Тем не менее, два луча с одинаковым M ² может иметь разную долю подаваемой мощности в данной области. Мощность в ведре и коэффициент Штреля — это две попытки определить качество луча как функцию того, сколько мощности доставляется в данную область. К сожалению, не существует стандартного размера ковша (ширина D86, ширина гауссова луча, нули диска Эйри и т. д.) или формы ковша (круглая, прямоугольная и т. д.), а также не существует стандартного луча для сравнения коэффициента Штреля. Следовательно, эти определения всегда должны быть указаны до того, как будет дано число, и это представляет большую трудность при сравнении лазеров. Также нет простого преобразования между M ² , мощность в ведре и коэффициент Штреля. Например, коэффициент Штреля определяется как отношение пиковых фокусных интенсивностей в аберрированной и идеальной функциях рассеяния точек . В других случаях его определяют как отношение пиковой интенсивности изображения к пиковой интенсивности изображения, ограниченного дифракцией , с тем же общим потоком . Поскольку в литературе существует множество способов определения мощности в ведре и коэффициента Штреля, рекомендуется придерживаться стандарта ISO M. ² определение параметра качества луча и имейте в виду, что, например, коэффициент Штреля, равный 0,8, ничего не означает, если только коэффициент Штреля не сопровождается определением.

Расходимость луча

Основная статья: Расходимость луча

Расходимость лазерного луча является мерой того, насколько быстро луч распространяется далеко от перетяжки луча. Обычно его определяют как производную радиуса луча по осевому положению в дальней зоне, т. е. на расстоянии от перетяжки луча, которое намного превышает длину Рэлея. Это определение дает полуугол дивергенции. (Иногда в литературе используются полные углы; они в два раза больше.) Для дифракционно-ограниченного гауссова пучка расходимость пучка равна λ/(πw ₀ ), где λ — длина волны (в среде), w ₀ радиус луча (радиус с 1/e ² интенсивность) на талии пучка. Большая расходимость луча для данного радиуса луча соответствует плохому качеству луча. Низкая 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 разных положениях, используя, например, профилометр луча. Также возможно получить расходимость луча из комплексного амплитудного профиля луча в одной плоскости: пространственные преобразования Фурье обеспечивают распределение поперечных пространственных частот , которые напрямую связаны с углами распространения. См. примечания к применению Лазерного корпуса США. за руководство по измерению расходимости лазерного луча с помощью линзы и ПЗС-камеры.

Лучевой астигматизм

Смотрите также: 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 цилиндрических линз . Показателем астигматизма является оптическая сила цилиндрической линзы, необходимая для совмещения фокусов горизонтального и вертикального сечений. Астигматизм вызывается:

• Термическое линзирование в Nd:YAG пластинчатых усилителях . Плита, зажатая между двумя металлическими радиаторами, будет иметь температурный градиент между радиаторами. Термический градиент вызывает показателя преломления градиент , который очень похож на цилиндрическую линзу. Цилиндрическое линзирование, создаваемое усилителем, сделает луч астигматичным.
• Несоответствующие цилиндрические линзы или ошибка в размещении этой оптики.
• Распространение через нелинейный одноосный кристалл (распространено в нелинейно-оптических кристаллах). Электронные поля с x- и y- поляризацией имеют разные показатели преломления.
• Не распространяется через центр сферической линзы или зеркала .

Астигматизм можно легко охарактеризовать с помощью профилировщика луча ПЗС, наблюдая, где возникают перетяжки луча x и y, когда профилировщик перемещается по траектории луча.

Блуждание луча или дрожание

Каждый лазерный луч блуждает и колеблется, хотя и в небольшой степени. Типичное кинематическое наклонно-наклонное крепление в лабораторных условиях смещается примерно на 100 мкрад в день ( виброизоляция с помощью оптического стола , постоянная температура и давление, отсутствие солнечного света, вызывающего нагрев деталей). Лазерный луч, падающий на это зеркало, будет перенесен на 100 м на дальность 1000 км. Это может иметь решающее значение для попадания или не попадания в спутник связи с Земли. Следовательно, существует большой интерес к характеристике блуждания луча (медленный масштаб времени) или джиттера (быстрый масштаб времени) лазерного луча. Блуждание и джиттер луча можно измерить путем отслеживания центроида или пика луча на профилировщике луча ПЗС. Частота кадров CCD обычно составляет 30 кадров в секунду и, следовательно, может улавливать дрожание луча с частотой ниже 30 Гц — он не может видеть быстрые вибрации, вызванные голосом человека, шумом двигателя вентилятора с частотой 60 Гц или другими источниками быстрых вибраций. К счастью, для большинства лабораторных лазерных систем это обычно не является большой проблемой, а частота кадров ПЗС-матриц достаточно высока, чтобы уловить блуждание луча в полосе пропускания, содержащей наибольшую мощность шума. Типичное измерение отклонения луча включает отслеживание центроида луча в течение нескольких минут. Среднеквадратичное отклонение данных центроида дает четкое представление о стабильности наведения лазерного луча. Время интегрирования измерения джиттера луча всегда должно соответствовать вычисленному среднеквадратичному значению. Несмотря на то, что разрешение пикселей камеры может составлять несколько микрометров, субпиксельное разрешение центроида (возможно, разрешение в десятки нанометров) достигается, когда соотношение сигнал/шум хорошее и луч заполняет большую часть активной области ПЗС.

Блуждание луча вызвано:

• Медленная термализация лазера. Производители лазеров обычно имеют спецификацию прогрева, позволяющую лазеру прийти в равновесие после запуска.
• Наклон наконечника и смещение оптического крепления, вызванные температурными градиентами, давлением и ослаблением пружин.
• Нежестко закрепленная оптика
• Вибрация, вызванная вентиляторами, ходьбой/чиханием/дыханием людей, водяными насосами и движением транспортных средств за пределами лаборатории.

Искажение результатов измерений профилировщика луча для лазерных систем.

Большинству производителей лазеров выгодно представлять технические характеристики таким образом, чтобы представить их продукт в лучшем свете, даже если это приведет к введению потребителя в заблуждение. Технические характеристики лазера можно уточнить, задав такие вопросы, как:

• Является ли спецификация типичной или худшей?
• Какое определение ширины луча использовалось?
• Это М ² параметр как для вертикального, так и для горизонтального сечения или только для лучшего сечения?
• Был М ² измеряется с использованием метода стандарта ISO или каким-либо другим способом, например, мощность в ковше.
• В течение какого времени были получены данные, чтобы получить указанное среднеквадратичное значение джиттера луча? (Среднеквадратичное дрожание луча усиливается по мере увеличения интервала измерения.) Какова была лазерная среда (оптический стол и т. д.)?
• Какое время прогрева необходимо для достижения заданного М? ² , ширина луча, расходимость, астигматизм и джиттер?

Техники

Профилировщики луча обычно делятся на два класса: первый использует простой фотодетектор за апертурой, который сканирует луч. Второй класс использует камеру для изображения луча.

Методы сканирующей апертуры

Наиболее распространенными методами сканирования апертуры являются метод «ножевой кромки» и профилометр со сканирующей щелью. Первый режет 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. Измерив кривую интенсивности в нескольких направлениях, исходный профиль луча можно восстановить с помощью алгоритмов, разработанных для рентгеновской томографии . Измерительный инструмент основан на нескольких высокоточных ножевых кромках, каждая из которых развернута на вращающемся барабане и имеет разные углы относительно ориентации луча. Затем сканированный луч реконструируется с использованием томографических алгоритмов и предоставляет двухмерные или трехмерные графики распределения энергии с высоким разрешением. Благодаря специальной технологии сканирования система автоматически увеличивает масштаб текущего размера луча, что позволяет проводить измерения субмикронных лучей с высоким разрешением, а также относительно больших лучей (10 и более миллиметров). Для измерения различных длин волн используются различные детекторы, позволяющие измерять лазерные лучи от глубокого УФ до дальнего ИК. В отличие от других систем на базе камер, эта технология также обеспечивает точное измерение мощности в режиме реального времени.Профилометры со сканирующей щелью используют узкую щель вместо одной ножевой кромки. В этом случае интенсивность интегрируется по ширине щели. Полученное измерение эквивалентно исходному поперечному сечению, свернутому с профилем щели.

Это слияние новейшей технологии и томографических алгоритмов создает новую область профилирования луча - CKET (компьютерная ножевидная томография). Это создает возможность точного измерения от микрона до более 10 миллиметров с адаптируемым разрешением в широком диапазоне спектра. Практически, если существует одноповерхностный детектор для определенной области длин волн, то с помощью этой технологии можно получить профиль, подобный изображению.

Эти методы позволяют измерять пятна очень малого размера (до 1 мкм) и могут использоваться для непосредственного измерения пучков высокой мощности. Они не обеспечивают непрерывного считывания, хотя можно достичь частоты повторения до двадцати герц. Кроме того, профили дают интегральные интенсивности в направлениях x и y, а не фактический двумерный пространственный профиль (интегрированные интенсивности могут быть трудно интерпретировать для сложных профилей пучка). Обычно они не работают для импульсных лазерных источников из-за дополнительной сложности синхронизации движения апертуры и лазерных импульсов.

Техника ПЗС-камеры

Технология ПЗС-камеры проста: ослабьте луч лазера, направьте его на ПЗС-матрицу и непосредственно измерьте профиль луча. Именно по этой причине камеральная техника является наиболее популярным методом профилирования лазерного луча. Наиболее популярными камерами являются 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 лазерных усиливающих сред. Преимуществами метода CCD-камеры являются:

• Он фиксирует двумерный профиль луча в режиме реального времени.
• Высокий динамический диапазон . Даже ПЗС-матрица веб-камеры имеет динамический диапазон около 2 ⁸ .
• Программное обеспечение обычно отображает критические параметры луча, такие как ширина D4σ, в режиме реального времени.
• Чувствительные ПЗС-детекторы могут фиксировать профили луча слабых лазеров.
• Разрешение примерно до 4 мкм, в зависимости от размера пикселя. В частном случае было продемонстрировано разрешение ±1,1 мкм.
• ПЗС-камеры с триггерными входами можно использовать для регистрации профилей луча импульсных лазеров с малой скважностью.
• ПЗС-матрицы имеют широкую чувствительность к длине волны от 200 до 1100 нм.

Недостатками метода CCD-камеры являются:

• Для мощных лазеров требуется затухание.
• Размер датчика CCD ограничен примерно 1 дюймом.
• ПЗС-матрицы склонны к цветению при использовании вблизи границы их чувствительности (например, вблизи 1100 нм).

Вычитание базовой линии для измерений ширины D4σ

Ширина D4σ чувствительна к энергии луча или шуму в хвосте импульса, поскольку пиксели, находящиеся далеко от центроида луча, вносят вклад в ширину D4σ как квадрат расстояния. Чтобы уменьшить ошибку в оценке ширины D4σ, значения пикселей базовой линии вычитаются из измеренного сигнала. Базовые значения пикселей измеряются путем записи значений пикселей ПЗС-матрицы при отсутствии падающего света. Конечное значение обусловлено темновым током , шумом считывания и другими источниками шума. Для источников шума, ограниченных дробовым шумом , вычитание базовой линии улучшает оценку ширины D4σ как ${\sqrt {N}}$, где $N$ это количество пикселей в крыльях. Без вычитания базовой линии ширина D4σ завышена.

Усреднение для получения более точных измерений

Усреднение последовательных изображений ПЗС дает более чистый профиль и устраняет как шум ПЗС-изображения, 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 улучшается как квадратный корень из числа захваченных кадров для процессов дробового шума – темнового тока, шума считывания и пуассоновского шума обнаружения. Так, например, увеличение количества усреднений в 100 раз сглаживает профиль луча в 10 раз.

Методы ослабления

Поскольку ПЗС-датчики очень чувствительны, для правильного профилирования луча почти всегда необходимо ослабление. Например, 40 дБ ( ND 4 или 10 ⁻⁴ ) затухания типично для милливаттного HeNe-лазера . Правильное затухание обладает следующими свойствами:

• Это не приводит к множественным отражениям, оставляющим призрачное 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 представляет собой оптический элемент с достаточной оптической плоскостностью (менее одной десятой длины волны) и однородностью.
• Он может обрабатывать необходимую 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

Основная статья: Фильтр нейтральной плотности

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

Поглощающие фильтры обычно изготавливаются из тонированного стекла. Они полезны для приложений с низким энергопотреблением, средняя мощность которых составляет примерно до 100 мВт. Выше этих уровней мощности может возникнуть термическое линзирование, вызывающее изменение размера или деформацию луча из-за низкой теплопроводности подложки (обычно стекла). Более высокая мощность может привести к плавлению или растрескиванию. Значения ослабления поглощающего фильтра обычно действительны для видимого спектра (500–800 нм) и недействительны 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 изменения затухания на 2-дюймовом (51 мм) нейтральном фильтре примерно на 5–10 %, если изготовителю не указано иное. Значения затухания ND-фильтров указаны логарифмически. Фильтр ND 3 передает 10 ⁻³ мощности падающего луча. Размещение самого большого аттенюатора последним перед ПЗС-сенсором приведет к наилучшему подавлению фантомных изображений из-за множественных отражений.

Отражающие фильтры имеют тонкое металлическое покрытие и, следовательно, работают в более широкой полосе пропускания. Металлический фильтр ND 3 будет хорош в диапазоне 200–2000 нм. Затухание будет быстро возрастать 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 средние входные мощности. Однако они менее подходят для работы с высокими пиковыми мощностями импульсных лазеров. Эти фильтры отлично работают при средней мощности около 5 Вт (на расстоянии около 1 см). ² площадь освещения) до того, как нагрев приведет к их растрескиванию. Поскольку эти фильтры отражают свет, необходимо соблюдать осторожность при установке нескольких фильтров ND, поскольку множественные отражения между фильтрами приведут к тому, что фантомное изображение будет мешать исходному профилю луча. Один из способов решить эту проблему — наклонить блок фильтров ND. Предполагая, что поглощение металлического ND-фильтра незначительно, порядок расположения фильтров ND не имеет значения, как и в случае с поглощающими фильтрами.

Пробоотборник дифракционного луча

Пробоотборники дифракционного луча используются для мониторинга мощных лазеров, где оптические потери и искажения волнового фронта передаваемого луча должны быть сведены к минимуму.В большинстве применений большая часть падающего света должна продолжать двигаться вперед, «незатронутая», в «дифракционном 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 на детектор, можно отслеживать 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 мощных лазерных лучей. Около 4% отражается от границы раздела воздух/стекло, и можно использовать несколько клиньев, чтобы значительно ослабить луч до уровней, которые можно ослабить с помощью фильтров ND. Угол клина обычно выбирают таким, чтобы второе отражение от поверхности не попадало на активную область ПЗС и не было видно интерференционных полос. Чем дальше ПЗС от клина, тем меньший угол требуется. У клиньев есть тот недостаток, что они одновременно перемещают и изменяют направление луча — пути больше не будут лежать в удобных прямоугольных координатах. Вместо клина можно использовать толстую стеклянную пластину оптического качества, наклоненную к лучу — фактически это то же самое, что и клин с углом 0°. Толстое стекло будет перемещать луч, но не меняет угол выходного луча. Стекло должно быть достаточно толстым, чтобы луч не перекрывался сам с собой и не создавал интерференционных полос и, по возможности, чтобы вторичное отражение не освещало активную область ПЗС. Френелевское отражение луча от стеклянной пластинки 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 будут иметь разные профили луча. Чтобы предотвратить искажение профиля луча, стекло должно быть оптического качества — плоскостность поверхности λ/10 (λ=633 нм) и степень царапины 40–20 или выше. Полуволновая пластинка, за которой следует поляризационный светоделитель, образует регулируемый аттенюатор, и эта комбинация часто используется в оптических системах. Переменный аттенюатор, изготовленный таким образом, не рекомендуется использовать для ослабления в задачах профилирования луча, поскольку: (1) профиль луча в двух ортогональных поляризациях может быть разным, (2) куб поляризации луча может иметь низкое пороговое значение оптического повреждения и (3) луч может искажаться в кубических поляризаторах при очень большом ослаблении. Недорогие кубические поляризаторы изготавливаются путем склеивания двух прямоугольных призм. Клей плохо выдерживает большие мощности — интенсивность следует поддерживать ниже 500 мВт/мм. ² . Одноэлементные поляризаторы рекомендуются для больших мощностей.

Оптимальный размер луча ПЗС-детектора

Существует два конкурирующих требования, которые определяют оптимальный размер луча ПЗС-детектора. Одно из требований состоит в том, чтобы вся энергия — или как можно большая ее часть — лазерного луча попадала на ПЗС-датчик. Это означало бы, что мы должны сосредоточить 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 заключается в том, что нам необходимо адекватно измерить форму профиля балки. Как правило, нам нужно как минимум 10 пикселей в области, которая охватывает большую часть, скажем, 80% энергии луча. Таким образом, не существует жесткого правила выбора оптимального размера луча. Пока ПЗС-датчик улавливает более 90% энергии луча и имеет поперек не менее 10 пикселей, измерения ширины луча будут иметь некоторую точность.

Размер пикселя и количество пикселей

Чем больше ПЗС-сенсор, тем больший размер луча можно профилировать. Иногда это достигается за счет увеличения размера пикселей. Маленькие размеры пикселей желательны для наблюдения сфокусированных лучей. ПЗС-матрица с большим количеством мегапикселей не всегда лучше, чем матрица меньшего размера, поскольку время считывания на компьютере может быть неудобно долгим. Считывание массива в режиме реального времени необходимо для любой настройки или оптимизации профиля лазера.

Профилировщик луча дальнего поля

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 на плоскости Фурье представляет собой преобразование Фурье входного поля. Необходимо соблюдать осторожность при настройке измерения в дальней зоне. Размер сфокусированного пятна должен быть достаточно большим, чтобы охватывать несколько пикселей. Размер пятна примерно равен f λ/ D , где f — фокусное расстояние линзы, λ — длина волны света, а D — диаметр коллимированного луча, падающего на линзу. Например, гелий-неоновый лазер (633 нм) с диаметром луча 1 мм будет фокусироваться в пятне диаметром 317 мкм с линзой 500 мм. Профилометр лазерного луча с размером пикселя 5,6 мкм сможет адекватно измерить пятно в 56 местах.

Специальные приложения

Непомерно высокие цены на ПЗС-профилировщики лазерного луча в прошлом уступили место недорогим профилировщикам луча. Недорогие профилометры луча открыли ряд новых применений: замена диафрагм для сверхточного выравнивания и одновременного мониторинга лазерных систем с помощью нескольких портов.

Замена радужной оболочки с точностью выравнивания в микрорадианах

Раньше выравнивание лазерных лучей осуществлялось с помощью радужной оболочки глаза. Две диафрагмы однозначно определяли путь луча; чем дальше друг от друга радужные оболочки и чем меньше отверстия в радужной оболочке, тем лучше определялся путь. Наименьшая апертура, которую может определить радужная оболочка, составляет около 0,8 мм. Для сравнения, центр тяжести лазерного луча можно определить с точностью до субмикрометра с помощью профилометра лазерного луча. Эффективный размер апертуры профилировщика лазерного луча на три порядка меньше, чем у радужной оболочки. Следовательно, способность определять оптический путь в 1000 раз лучше при использовании профилировщиков луча по диафрагмам. Приложения, которым необходима точность выравнивания в микрорадианах, включают связь Земля-космос, ладар Земля-космос, выравнивание задающего генератора по мощности генератора и многопроходные усилители .

Одновременный мониторинг нескольких портов лазерной системы

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 моделиратора с линзой Керра . Изменения профиля луча лазера накачки указывают на исправность лазера накачки, какие лазерные моды возбуждаются в кристалле усиления , а также определяют, разогрелся ли лазер, путем расположения центроида луча относительно макетной платы . Профиль выходного пучка часто сильно зависит от мощности накачки из-за термооптических эффектов в усиливающей среде.

См. также

• Качество лазерного луча

Ссылки

• Измерение профиля лазерного луча