Профилировщик лазерного луча

редактировать

Профилировщик лазерного луча.

A Профилировщик лазерного луча захватывает, отображает и записывает пространственную интенсивность профиль лазерного луча в конкретной плоскости, поперечной пути распространения луча. Применяется много типов лазеров - ультрафиолетовый, видимый, инфракрасный, непрерывный, импульсный, высокомощный, маломощный - имеется набор приборов для измерения профиля лазерного луча. Ни один профилировщик лазерного луча не может обрабатывать каждый уровень мощности, длительность импульса, частоту повторения, длину волны и размер луча.

Содержание

1 Обзор
2 Приложения
3 Измерения
- 3.1 Ширина луча
- 3.2 Качество луча
  - 3.2.1 Параметр качества луча, M
  - 3.2.2 Complete E Профилирование луча по полю
  - 3.2.3 Определение качества луча по методу мощности или Штреля
- 3.3 Расходимость луча
- 3.4 Астигматизм луча
- 3.5 Дрейф или дрожание луча
- 3.6 Искажение луча Профилирующие измерения для лазерных систем
4 Методы
- 4.1 Методы сканирования апертуры
- 4.2 Методика камеры CCD
  - 4.2.1 Вычитание линии для измерений ширины D4σ
  - 4.2.2 Усреднение для достижения более точных измерений
  - 4.2.3 Методы ослабления
    - 4.2.3.1 Фильтры нейтральной плотности
    - 4.2.3.2 Пробоотборник дифракционного луча
    - 4.2.3.3 Оптические клинья
  - 4.2.4 Оптимальный размер луча на детекторе CCD
  - 4.2. 5 Размер и количество пикселей
  - 4.2.6. Измерение пучка в зоне
5 Специальные приложения
- 5.1 Замена диафрагмы с Профилем совмещения ущерба в микрорадианах
- 5.2 Одновременный мониторинг нескольких портов лазерной системы
6 Ссылки

Обзор

Приборы для профилирования лазерного луча измеряют следующие величины:

Ширина луча : существует более пяти определений ширины луча.
Качество луча: Количественно определены параметры качества луча M.
Расходимость луча : это мера расширенияча с расстоянием.
Профиль луча: профиль луча - это двухмерный график интенсивности луча на заданное место на пути луча. Часто требуется профиль Гаусса или с верхом. Профиль луча указывает на мешающие пространственные моды высокого порядка в лазерный резонаторе, а также на горячие точки в луче.
Астигматизм луча: луч имеет астигматизм, когда вертикальные и горизонтальные части луча фокусируются в разных местах на пути луча.
Дрейф луча или дрожание: величина, на которую центроид или пиковое значение луча профиляча перемещается со временем.

Были разработаны инструменты и методы для тестирования характеристик пучка, перечисленных выше. К ним относятся:

методы камеры: они включают прямое освещение сенсора камеры. Максимальный размер пятна, помещается на датчике ПЗС, который составляет 10 мм. В качестве альтернативы, освещение плоской рассеивающей поверхности лазером и отображением света на ПЗС-матрице с линзой позволяет профилировать лучи большего диаметра. Просмотр лазеров с рассеянными поверхностями отлично подходит для луча большой ширины, но требует рассеянной поверхности с однородной отражательной способностью (<1% variation) over the illuminated surface.
Техника лезвия ножа: вращающееся лезвие или щельзают лазерный луч перед обнаружением с помощью измерителя мощности Используя интегрированные профили интенсивности в нескольких разрезах, можно восстановить исходный профиль луча с использованием алгоритмов, разработанных для ографии. Обычно это происходит не для импульсных лазеров и не обеспечивает истинного 2D профиля. Луча, но имеет отличное разрешение, в некоторых случаях <1 μm.
Метод фазового фронта: луч проходит через 2D массив крошечных линз в датчике волнового фронта Шака - Гартмана. перенаправлять свою часть луча, и по положению отклоненного бимлета можно восстановить фазу исходного луча.
Исторические приемы: в том использованием фотопластинок и сжечь тарелки. Например, мощные углекислотные лазеры были профилированы путем наблюдения за медленными прожигами акрилатными блоками.

По состоянию на 2002 год коммерческие системы измерения острия ножа стоили от 5000 до 12000 США и Профилировщики пучка CCD стоят 4 000–9 000 долларов США. Стоимость профилографов ПЗС-лучей в последние годы снизилась, главным образом, из-за более низкой стоимости кремниевых ПЗС-сенсоров, и по состоянию на 2008 год их можно найти менее чем за 1000 долларов США.

Области применения

Профилирование лазерного луча применя к следующим областям:

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, а не плавит обработанную деталь. Ионизированные края более чистые и меньшую имеют накатку, чем оплавленные края.
Нелинейная оптика : преобразовать эффективность частоты в нелинейных оптических материалов пропорциональна квадрату (иногда кубическому или более) мощности входящего света. Следовательно, чтобы получить эффективное преобразование частоты, перетяжка входного луча должна быть как можно меньше. Профилировщик луча может помочь минимизировать перетяжку луча в нелинейном кристалле.
Выравнивание: профилировщики луча выравнивают лучи с порядками лучшими угловой точностью, чем диафрагмы.
Контроль лазера: Часто необходимо контролировать выходную мощность лазера, чтобы увидеть, изменился ли профиль луча после долгих часов работы. Поддержание конкретной формы луча критически важно для адаптивной оптики, нелинейной оптики и доставки лазерного излучения в волокно. Состояние лазера можно измерить, визуализируя излучатели полосы насос диодного лазера и подсчитывая количество вышедших из излучателей или размещая несколько профилометров пучка в разных точках вдоль цепочка лазерных усилителей.
Разработка лазеров и лазерных усилителей: в усилителях с импульсной накачкой вызывает временные и пространственные изменения в кристалле усиления , эффективный профиль луча усиленный свет. Профилировщик пучка, расположенный на выходе усилителя, дает подробную информацию о переходных тепловых эффектах в кристалле. Регулируя ток накачки усилителя и регулируя уровень входной мощности, можно оптимизировать профиль выходного луча в реальном времени.
Измерение дальнего поля: важно знать профиль луча лазера для лазерный радар или 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 пучка в дальней зоне часто невозможно в лаборатории из-за необходимой 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 расширенного пространства стола.
Образование: профилировщики пучка можно использовать в студенческих лабораториях для проверки дифракционных теорий и тестирования фраунгофера. или приближения интеграла дифракции Френеля. Другие идеи студенческой лаборатории включают использование профилографа луча для измерения пятен Пуассона непрозрачного диска и построения карты диска Эйри дифракционной картины прозрачного диска. 343>Измерения

Ширина луча

Ширина луча является наиболее известной характеристикой профиля лазерного луча. Обычно используются по крайней мере пять определений ширины луча: D4σ, 10/90 или 20/80 острая кромка, 1 / e, FWHM и D86. Ширина D4σ является стандартом ISO, и для параметра качества луча M² требуется измерения ширины D4σ. Другие определенные функции к D4σ и используемые в различных обстоятельствах. Выбор определения может иметь большое влияние на полученное число ширины луча, и важно иметь правильный метод для любого конкретного приложения. Ширина D4σ и ширина режущей кромки чувствительны к фоновому шуму на детекторе, а ширина 1 / e и FWHM - нет. Доля общей мощности луча, заключенная в ширину луча, зависит от того, какое определение используется.

Качество луча

Параметр качества луча, M

Параметр M является мерой качества луча; низкое значение M указывает на хорошее качество луча и его способность фокусироваться в узком месте. Величина M соответствует углу расходимости луча к пределу расходимости гауссова луча с той же шириной D4σ перетяжки. Параметр M всегда больше или равен единице. В прошлом использовались и другие определения качества луча, наиболее распространенным распространенным определением, использующим ширину второго момента.

Качество луча важно во многих приложениях. В волоконно-оптической связи лучи с M, близким к 1, требуются для соединения с одномодовым оптическим волокном. Производители лазерных станков очень заботятся о параметрах своих лазеров, потому что перед фокусировкой лучи будут фокусироваться в области, которая в M раз больше, чем у гауссова луча с той же длиной волны и шириной перетяжки D4σ; Словами, плотность потока энергии изменяется как 1 / M. Эмпирическое правило в том, что M состоит из других источников мощности лазера. Трудно получить превосходное качество (от 100 Вт до кВт) из-за теплового линзирования в усиливающей среде лазера.

Параметр M определен экспериментально следующим образом:

Измерьте ширину D4σ при 5 осевых положений рядом с перетяжкой луча (место, где лучший наиболее узкий).
Измерьте ширину D4σ в 5 осевых позициях, по крайней мере, на длину Рэлея от талии.
Подобрать 10 измеренных точек данных к $σ 2 (z) = σ 0 2 + M 4 (λ π σ 0) 2 (z - z 0) 2 {\ displaystyle \ sigma ^ {2} (z) = \ sigma _ {0} ^ {2} + M ^ {4} \ left ({\ frac {\ lambda} {\ pi \ sigma _ {0}}} \ right) ^ {2} (z -z_ {0}) ^ {2}}$ $\sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}$ , где $σ 2 (z) {\ displaystyle \ sigma ^ {2} (z)}$ $\sigma ^{2}(z)$ - второй момент распределения в направлении x или y (см. раздел по ширине балки D4σ), а $z 0 {\ displaystyle z_ {0}}$ $z_{0}$ - это положение перетяжки балки с шириной второго момента $2 σ 0 {\ displaystyle 2 \ sigma _ {0}}$ $2\sigma _{0}$ . Подбор 10 точек данных дает M, $z 0 {\ displaystyle z_ {0}}$ $z_{0}$ и $σ 0 {\ displaystyle \ sigma _ {0}}$ $\sigma _{0}$ . Сигман показал, что все профили пучка - гауссовский, плоская вершина, TEM XY или любая форма - 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.

Полное профилирование пучка E-field

Профилировщики пучка измеряют интенсивность | Электронное поле | лазера профиль пучка, но не дают никакой информации о фазе электронного поля. Чтобы полностью охаракзовать E-поле в плоскости данной, необходимо знать профили фазы и амплитуды. действующая и мнимая части электрического поля могут быть охарактеризованы с помощью двух профилометров пучка ПЗС, которые производят замеры пучка в двух плоскостях распространения, с применением фазы восстановления алгоритма захваченных данных. Преимущество полного описания E-поля в одной плоскости состоит в том, что профиль E-поля может быть вычислен для любой другой плоскости с помощью.

Определение качества луча "мощность в ведре" или Штреля

Параметр M - это еще не все, что нужно для определения качества луча. Низкое значение M означает лишь медленное расширение второго момента профиля пучка. В данной области есть информация о том, как относиться к той категории, которой обладают люди в данной области. «Мощность в ведре» и Коэффициент Штреля - это две попытки определить качество луча как функцию 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 будут дано определенные определения. Также нет простого преобразования между M, 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, дел на максимальную интенсивность изображения с ограничением по дифракции с тем же общим потоком . В литературе есть способы определения мощности в соответствии со стандартом ISO для параметра качества и помнить, что коэффициент Штреля 0,8 для расчета не означает, что коэффициент Штреля не соответствует определению.

Расходимость луча

Расходимость луча лазерного луча мерой того, насколько быстро распространяется далеко от перетяжки луча. Обычно его определяют как производную радиуса луча по отношению к осевому положению в дальней зоне, то есть на расстоянии от перетяжкича, которое намного больше, чем длина Рэлея. Это определение дает полуугол расходимости. (Иногда в литературе используются полные углы; они вдвое больше.) Для ограниченного дифракции гауссова пучка расходимость пучка составляет λ / (πw 0), где λ - длина волны (в среде) и w 0 радиус луча (радиус с интенсивностью 1 / e) в 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, есть с приблизительно постоянным радиусом луча на значительных расстояниях распространения, называются коллимированными лучами. Для измерения расходимости луча обычно используют радиус луча в различных положениях, например, используя профилограф. Также возможно получить расходимость луча из комплексного амплитудного профиля луча в одной плоскости: пространственные преобразования Фурье распределение поперечных пространственных частот, которые напрямую связаны с углами распространения. См. Примечание по применению US Laser Corps, чтобы узнать, как измерить расходимость лазерного луча с помощью объектива и камеры CCD.

Астигматизм луча

Астигматизм в лазерном луче возникает, когда горизонтальное и вертикальное сечения луча фокусируются в разных местах напути 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:

тепловым линзированием в Nd: YAG плоских усилителя. Плита, зажатая между двумя металлическими радиаторами, будет иметь температурный градиент между радиаторами. Температурный градиент вызывает градиент показателя преломления градиент, который очень похож на цилиндрическую линзу. Цилиндрическое линзирование, вызванное усилителем, сделает луч астигматическим.
Несовпадающие цилиндрические линзы или ошибка в размещении этой оптики.
Распространение через нелинейный одноосный кристалл (общий в кристаллах нелинейной оптики ). X- и y- поляризованные E-поля имеют разные показатели преломления.
Не распространяются 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 профилометра вдоль пути пучка.

Блуждание или дрожание луча

Каждый лазерный луч блуждает и дрожит, хотя и на небольшую часть. Типичный кинематический наклонно-наклонный кронштейн дрейфует примерно на 100 мкрад в день в лабораторных условиях (изоляция вибрации с помощью оптического стола, постоянная температура и давление, а также 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 луча с помощью профилометра ПЗС. Частота кадров ПЗС обычно составляет 30 кадров в секунду и, следовательно, может улавливать дрожание луча, которое меньше 30 Гц - он не видит быстрых вибраций из-за голоса, 60 Гц гудения двигателя вентилятора или других источников. быстрых колебаний. 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 данных центроида дает четкое представление о стабильности наведения лазерного луча. Время интегрирования измерения дрожания луча всегда должно сопровождать вычисленное среднеквадратичное значение. Даже несмотря на то, что пиксельное разрешение камеры может составлять несколько микрометров, субпиксельное центроидное разрешение (возможно, десятки нанометров) достигается, когда отношение сигнал / шум хорошее и луч заполняет большую часть активной ПЗС-матрицы.

Блуждание луча вызвано:

Медленной термализацией лазера. Производители лазеров обычно имеют спецификации разогрева, позволяющие лазеру перейти в состояние равновесия после запуска.
Наклон наконечника и дрейф оптического крепления, вызванные перепадами температур, давлением и ослаблением пружины.
Нежесткая оптика
Вибрация, вызванная вентиляторами, людьми, идущими / чихающими / дышащими, водяными насосами и движением 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:

Являются ли характеристики характеристиками типичными или худшими?
Какое определение ширины луча использовалось?
Является ли параметр M для обоих вертикальные и горизонтальные поперечные сечения или просто для лучшего поперечного сечения?
Было ли M измерено с использованием стандартной методики ISO или каким-либо другим способом - например, мощность в ведре.
В течение какого времени потребовались данные для получения указанного среднеквадратичного джиттера 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 заданных M, ширины луча, расходимости, астигматизм и джиттер?

Методы

Профилировщики луча обычно делятся на два класса: в первом используется простой фотодетектор за апертурой, которая сканируется по лучу. Второй класс использует камеру для