Profiler wiązki laserowej

Profiler wiązki laserowej.

Profiler wiązki laserowej przechwytuje, wyświetla i rejestruje przestrzenny profil intensywności wiązki laserowej w określonej płaszczyźnie poprzecznej do ścieżki propagacji wiązki. Ponieważ istnieje wiele rodzajów laserów — ultrafioletowe , widzialne , podczerwone , ciągłe , impulsowe, o dużej mocy i małej mocy — istnieje asortyment oprzyrządowania do pomiaru profili wiązek laserowych. Żaden pojedynczy profiler wiązki laserowej nie jest w stanie obsłużyć każdego poziomu mocy, czasu trwania impulsu, częstotliwości powtarzania, długości fali i rozmiaru wiązki.

Przegląd

Przyrządy do profilowania wiązki laserowej mierzą następujące wielkości:

• Szerokość wiązki : Istnieje ponad pięć definicji szerokości wiązki.
• Jakość wiązki: określana ilościowo przez parametr jakości wiązki, M ² .
• Rozbieżność wiązki : Jest to miara rozprzestrzeniania się wiązki wraz z odległością.
• Profil wiązki: Profil wiązki to dwuwymiarowy wykres intensywności wiązki w danym miejscu na ścieżce wiązki. Często pożądany jest profil gaussowski lub płaski . Profil wiązki wskazuje uciążliwe tryby przestrzenne wysokiego rzędu we wnęce lasera , jak również gorące punkty w wiązce.
• Astygmatyzm wiązki: Wiązka jest astygmatyczna , gdy pionowe i poziome części wiązki skupiają się w różnych miejscach wzdłuż ścieżki wiązki.
• Wander lub fluktuacja wiązki: Wielkość, o jaką środek ciężkości lub wartość szczytowa profilu wiązki przesuwa się w czasie.

Opracowano instrumenty i techniki w celu uzyskania właściwości wiązki wymienionych powyżej. Obejmują one:

• Techniki kamery: obejmują one bezpośrednie oświetlenie czujnika kamery. Maksymalny rozmiar plamki, który zmieści się na CCD , jest rzędu 10 mm. Alternatywnie, oświetlając laserem płaską powierzchnię rozproszoną i obrazując światło na CCD za pomocą soczewki, można profilować wiązki o większej średnicy. Oglądanie laserów z powierzchni rozproszonych jest doskonałe w przypadku wiązek o dużej szerokości, ale wymaga powierzchni rozproszonej, która ma jednolity współczynnik odbicia (zmienność <1%) na oświetlanej powierzchni.
• Technika ostrza noża: obracające się ostrze lub szczelina przecina wiązkę lasera przed wykryciem przez miernik mocy . Miernik mierzy intensywność w funkcji czasu. Wykorzystując zintegrowane profile intensywności w wielu nacięciach, można zrekonstruować oryginalny profil wiązki przy użyciu algorytmów opracowanych dla tomografii . Zwykle nie działa to w przypadku laserów impulsowych i nie zapewnia prawdziwego profilu wiązki 2D, ale ma doskonałą rozdzielczość , w niektórych przypadkach <1 μm.
• Technika frontu fazowego: wiązka przechodzi przez układ 2D maleńkich soczewek w czujniku czoła fali Shacka-Hartmanna . Każda soczewka przekieruje swoją część wiązki, a z pozycji odchylonej wiązki można odtworzyć fazę pierwotnej wiązki.
• Techniki historyczne: obejmują one wykorzystanie płyt fotograficznych i płyt wypalanych. Na przykład lasery na dwutlenku węgla o dużej mocy zostały profilowane poprzez obserwację powolnego wypalania bloków akrylanowych .

Od 2002 r. komercyjne systemy pomiarowe typu „nóż” kosztowały od 5 000 do 12 000 USD, a profilerki CCD od 4 000 do 9 000 USD. Koszt profilerów wiązki CCD spadł w ostatnich latach, głównie dzięki niższym kosztom krzemowych czujników CCD, a od 2008 roku można je znaleźć za mniej niż 1000 USD.

Aplikacje

Zastosowania profilowania wiązki laserowej obejmują:

• Cięcie laserowe : Laser o eliptycznym profilu wiązki ma szersze cięcie wzdłuż jednego kierunku niż wzdłuż drugiego. Szerokość wiązki wpływa na krawędzie cięcia. Węższa szerokość wiązki zapewnia wysoką płynność i raczej jonizuje niż topi obrabianą część. Zjonizowane krawędzie są czystsze i mają mniej radełkowania niż stopione krawędzie.
• Optyka nieliniowa : Efektywność konwersji częstotliwości w nieliniowych materiałach optycznych jest proporcjonalna do kwadratu (czasami sześciennego lub większego) natężenia światła wejściowego. Dlatego, aby uzyskać efektywną konwersję częstotliwości, obwód wiązki wejściowej musi być mały i znajdować się w materiale nieliniowym. Profiler wiązki może pomóc w stworzeniu talii o odpowiednim rozmiarze we właściwym miejscu.
• Wyrównanie: Profile belek wyrównują belki z większą dokładnością kątową o rzędy wielkości niż tęczówki .
• Monitorowanie lasera: Często konieczne jest monitorowanie mocy lasera, aby zobaczyć, czy profil wiązki zmienia się po długich godzinach pracy. Utrzymanie określonego kształtu wiązki ma kluczowe znaczenie dla optyki adaptatywnej , optyki nieliniowej i dostarczania lasera do światłowodu . Ponadto stan lasera można zmierzyć, obrazując emitery paska laserowego z diodą pompującą i zliczając liczbę emiterów, które uległy awarii, lub umieszczając kilka profili wiązki w różnych punktach wzdłuż łańcucha wzmacniacza laserowego .
• Rozwój lasera i wzmacniacza laserowego: relaksacja termiczna we wzmacniaczach pompowanych impulsowo powoduje czasowe i przestrzenne zmiany w krysztale wzmocnienia , skutecznie zniekształcając profil wiązki wzmocnionego światła. Profiler wiązki umieszczony na wyjściu wzmacniacza dostarcza wielu informacji o przejściowych efektach termicznych w krysztale. Dostosowując prąd pompy do wzmacniacza i dostrajając poziom mocy wejściowej, profil wiązki wyjściowej można optymalizować w czasie rzeczywistym.
• Pomiar pola dalekiego: Znajomość profilu wiązki lasera dla radaru laserowego lub komunikacji optycznej w wolnej przestrzeni na duże odległości, tzw. „dalekiego pola”, jest ważna. Szerokość wiązki w jej polu dalekim określa ilość energii zebranej przez odbiornik komunikacyjny oraz ilość energii padającej na cel ladara. Bezpośredni pomiar profilu wiązki dalekiego pola jest często niemożliwy w laboratorium ze względu na wymaganą długą ścieżkę. soczewka _ , z drugiej strony, przekształca wiązkę tak, że pole dalekie występuje w pobliżu jej ogniska. Profiler wiązki umieszczony w pobliżu ogniska obiektywu mierzy profil wiązki dalekiego pola w znacznie mniejszej przestrzeni na blacie.
• Edukacja: Profilery wiązki mogą być używane w laboratoriach studenckich do weryfikacji teorii dyfrakcji i testowania aproksymacji całkowych dyfrakcji Fraunhofera lub Fresnela . Inne pomysły uczniów na laboratorium obejmują użycie narzędzia do profilowania wiązki do pomiaru plamki Poissona na nieprzezroczystym dysku i do mapowania wzoru dyfrakcji dysku Airy'ego na przezroczystym dysku.

Pomiary

Szerokość wiązki

Główny artykuł: Średnica belki

Szerokość wiązki jest najważniejszą cechą profilu wiązki laserowej. W powszechnym użyciu jest co najmniej pięć definicji szerokości wiązki: D4σ, 10/90 lub 20/80 ostrze nożowe, 1/e ² , FWHM i D86. Szerokość wiązki D4σ jest definicją normy ISO, a pomiar parametru jakości wiązki M2 ^wymaga pomiaru szerokości D4σ. Pozostałe definicje dostarczają informacji uzupełniających do D4σ i są używane w innych okolicznościach. Wybór definicji może mieć duży wpływ na uzyskaną liczbę szerokości wiązki i ważne jest, aby użyć właściwej metody dla danego zastosowania. Szerokości D4σ i ostrza noża są wrażliwe na szum tła w detektorze, podczas gdy 1/e ² i szerokości FWHM nie są. Ułamek całkowitej mocy wiązki objęty szerokością wiązki zależy od zastosowanej definicji.

Jakość wiązki

Parametr jakości wiązki, M ²

Główny artykuł: M do kwadratu

M2 jest miarą jakości wiązki ^; niska wartość M ² wskazuje na dobrą jakość wiązki i możliwość skupienia się w ciasnym miejscu. Wartość M jest równa stosunkowi kąta rozbieżności wiązki do kąta rozbieżności wiązki Gaussa o tej samej talii D4σ . Ponieważ wiązka Gaussa rozchodzi się wolniej niż wiązka o innym kształcie, parametr M ² jest zawsze większy lub równy jeden. W przeszłości stosowano inne definicje jakości belek, ale najczęściej akceptowana jest ta wykorzystująca szerokości drugiego momentu .

Jakość wiązki jest ważna w wielu zastosowaniach. W komunikacji światłowodowej do połączenia ze światłowodem jednomodowym wymagane są wiązki o ^M2 bliskie 1 . W warsztatach zajmujących się obróbką laserową bardzo zależy na parametrze M ² swoich laserów, ponieważ przed ogniskowaniem wiązki skupią się na obszarze, który jest M ⁴ razy większy niż wiązka gaussowska o tej samej długości fali i szerokości talii D4σ; innymi słowy skala fluencji wynosi 1/M ⁴ . Zasada jest taka, że ​​M ² rośnie wraz ze wzrostem mocy lasera. Trudno jest uzyskać doskonałą jakość wiązki i wysoką średnią moc (100 W do kW) ze względu na soczewkowanie termiczne w ośrodku wzmocnienia lasera .

M2 wyznacza się doświadczalnie w następujący sposób ^:

1. Zmierz szerokości D4σ w 5 pozycjach osiowych w pobliżu talii belki (miejsce, w którym belka jest najwęższa).
2. Zmierz szerokość D4σ w 5 pozycjach osiowych, co najmniej o jedną długość Rayleigha od pasa.
3. Dopasuj 10 zmierzonych punktów danych do ${\ Displaystyle \ sigma ^ {2} (z) = \ sigma _ {0} ^ {2}+M^{4}\left({\frac {\lambda}}{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}$$\ sigma ^ {2} (z)}$ Displaystyle jest drugim momentem rozkładu w kierunku x lub y (patrz sekcja dotycząca szerokości belki D4σ), a $displaystyle$ położeniem talii belki o szerokości drugiego momentu równej $2 \sigma _{0}}$ . Dopasowanie 10 punktów danych daje M ² , ${\ displaystyle z_ {0}}$ i ${\ displaystyle \ sigma _ {0}}$ . Siegman wykazał, że wszystkie profile belek — gaussowskie, flat top , TEM _XY , lub dowolny kształt — musi być zgodny z powyższym równaniem, pod warunkiem, że promień wiązki wykorzystuje definicję szerokości wiązki D4σ. Używanie krawędzi nożowej 10/90, szerokości D86 lub FWHM nie działa.

Pełne profilowanie wiązki pola elektrycznego

Profile wiązek mierzą intensywność, |pole E| ² , profilu wiązki laserowej, ale nie dostarczają żadnych informacji o fazie pola E. Aby całkowicie scharakteryzować pole E w danej płaszczyźnie, muszą być znane zarówno profile fazowe, jak i amplitudowe. Rzeczywistą i urojoną część pola elektrycznego można scharakteryzować za pomocą dwóch profilerów wiązki CCD, które próbkują wiązkę w dwóch oddzielnych płaszczyznach propagacji, z zastosowaniem odzyskiwania fazy algorytm do przechwyconych danych. Zaletą pełnego scharakteryzowania pola E w jednej płaszczyźnie jest to, że profil pola E można obliczyć dla dowolnej innej płaszczyzny za pomocą teorii dyfrakcji.

Power-in-the-bucket lub definicja Strehla jakości wiązki

M ² to nie wszystko w określaniu jakości belki. Niski M ² oznacza jedynie, że drugi moment profilu belki rozszerza się powoli. Niemniej jednak dwie wiązki o tym samym M2 ^mogą nie mieć takiej samej części dostarczanej mocy na danym obszarze. Moc w wiadrze i współczynnik Strehla to dwie próby zdefiniowania jakości wiązki jako funkcji ilości mocy dostarczanej do danego obszaru. Niestety, nie ma standardowego rozmiaru wiadra (szerokość D86, szerokość wiązki Gaussa, zerowe dyski Airy'ego itp.) ani kształtu wiadra (okrągły, prostokątny itp.) i nie ma standardowej belki do porównania dla współczynnika Strehla. Dlatego te definicje muszą być zawsze określone przed podaniem liczby, co stwarza duże trudności przy próbie porównania laserów. Nie ma również prostej konwersji między M ² , moc w łyżce i współczynnik Strehla. Na przykład współczynnik Strehla został zdefiniowany jako stosunek szczytowych natężeń ogniskowych w aberrowanych i idealnych funkcjach rozproszenia punktów . W innych przypadkach zdefiniowano go jako stosunek intensywności szczytowej obrazu podzielonej przez intensywność szczytową ograniczonego dyfrakcją przy takim samym strumieniu całkowitym . Ponieważ w literaturze istnieje wiele sposobów definiowania mocy w łyżce i stosunku Strehla, zaleca się trzymanie się normy ISO M ² definicję parametru jakości wiązki i należy pamiętać, że na przykład współczynnik Strehla równy 0,8 nic nie znaczy, chyba że współczynnikowi Strehla towarzyszy definicja.

Rozbieżność wiązki

Główny artykuł: Rozbieżność wiązki

₀₀ Rozbieżność wiązki wiązki laserowej jest miarą tego, jak szybko wiązka rozszerza się daleko od talii wiązki. Zwykle definiuje się ją jako pochodną promienia wiązki względem osiowego położenia w polu dalekim, czyli w odległości od talii wiązki znacznie większej niż długość Rayleigha. Ta definicja daje półkąt rozbieżności. (Czasami w literaturze używane są pełne kąty; są one dwa razy większe). W przypadku wiązki Gaussa o ograniczonej dyfrakcji rozbieżność wiązki wynosi λ/(πw ), gdzie λ jest długością fali (w ośrodku), a w wiązką promień (promień z 1/e ² intensywność) w talii belki. Duża rozbieżność wiązki dla danego promienia wiązki odpowiada złej jakości wiązki. Rozbieżność wiązki światła mijania może być ważna w zastosowaniach takich jak wskazywanie lub komunikacja optyczna w wolnej przestrzeni . Wiązki o bardzo małej rozbieżności, tj. o w przybliżeniu stałym promieniu wiązki na znacznych odległościach propagacji, nazywane są wiązkami skolimowanymi . Do pomiaru rozbieżności wiązki zwykle mierzy się promień wiązki w różnych pozycjach, stosując np. profiler wiązki. Możliwe jest również wyprowadzenie rozbieżności wiązki ze złożonego profilu amplitudy wiązki w jednej płaszczyźnie: przestrzenne transformaty Fouriera dostarczają rozkład poprzecznych częstotliwości przestrzennych , które są bezpośrednio związane z kątami propagacji. Zobacz notę ​​aplikacyjną US Laser Corps, aby zapoznać się z samouczkiem dotyczącym pomiaru rozbieżności wiązki laserowej za pomocą obiektywu i kamery CCD.

Astygmatyzm wiązki

Zobacz też: Astygmatyzm

Astygmatyzm w wiązce laserowej występuje, gdy poziomy i pionowy przekrój wiązki skupiają się w różnych miejscach wzdłuż ścieżki wiązki. Astygmatyzm można korygować za pomocą pary soczewek cylindrycznych . Miarą astygmatyzmu jest moc soczewki cylindrycznej potrzebna do połączenia ognisk poziomego i pionowego przekroju poprzecznego. Astygmatyzm jest spowodowany przez:

• Soczewkowanie termiczne we wzmacniaczach płytowych Nd:YAG . Płyta umieszczona pomiędzy dwoma metalowymi radiatorami będzie miała gradient temperatury między radiatorami. Gradient termiczny powoduje gradient współczynnika załamania światła , który jest bardzo podobny do soczewki cylindrycznej. Soczewkowanie cylindryczne spowodowane przez wzmacniacz spowoduje, że wiązka będzie astygmatyczna.
• Niedopasowane soczewki cylindryczne lub błąd w umieszczeniu tych elementów optycznych.
• Propagacja przez nieliniowy jednoosiowy kryształ (powszechne w nieliniowych kryształach optycznych). Pola E spolaryzowane x i y mają różne współczynniki załamania światła.
• Brak propagacji przez środek kulistej soczewki lub lustra .

Astygmatyzm można łatwo scharakteryzować za pomocą profilera wiązki CCD, obserwując, gdzie występują przewężenia wiązki x i y, gdy profiler jest przesuwany wzdłuż ścieżki wiązki.

Wędrówka wiązki lub drgania

Każda wiązka lasera wędruje i drży — choć w niewielkiej ilości. Typowe kinematyczne mocowanie typu tip-tilt dryfuje o około 100 μrad dziennie w środowisku laboratoryjnym ( izolacja drgań za pomocą stołu optycznego , stała temperatura i ciśnienie oraz brak światła słonecznego powodującego nagrzewanie się części). Wiązka laserowa padająca na to lustro zostanie przesunięta o 100 m na odległość 1000 km. Może to zadecydować o trafieniu lub nie trafieniu satelity komunikacyjnego z Ziemi. W związku z tym istnieje duże zainteresowanie scharakteryzowaniem wędrówki wiązki (wolna skala czasu) lub jittera (szybka skala czasu) wiązki laserowej. Wędrówkę i fluktuację wiązki można zmierzyć, śledząc środek ciężkości lub szczyt wiązki na profilu wiązki CCD. Częstotliwość klatek matrycy CCD wynosi zwykle 30 klatek na sekundę, dzięki czemu może uchwycić drgania wiązki wolniejsze niż 30 Hz — nie widzi szybkich wibracji spowodowanych głosem, 60 Hz lub inne źródła szybkich wibracji. Na szczęście w przypadku większości laboratoryjnych systemów laserowych nie stanowi to zwykle większego problemu, a liczba klatek na sekundę przetworników CCD jest wystarczająco duża, aby uchwycić wędrówkę wiązki w paśmie zawierającym największą moc szumu. Typowy pomiar wędrówki wiązki obejmuje śledzenie środka ciężkości wiązki przez kilka minut. rms _ odchylenie danych środka ciężkości daje wyraźny obraz stabilności kierowania wiązki laserowej. Czas całkowania pomiaru drgań wiązki powinien zawsze towarzyszyć obliczonej wartości skutecznej. Mimo że rozdzielczość pikseli kamery może wynosić kilka mikrometrów, subpikselowa rozdzielczość środka ciężkości (prawdopodobnie dziesiątki nanometrów) jest osiągana, gdy stosunek sygnału do szumu jest dobry, a wiązka wypełnia większość aktywnego obszaru CCD.

Wędrówka wiązki spowodowana jest przez:

• Powolna termalizacja lasera. Producenci laserów zwykle mają specyfikację rozgrzewania, aby umożliwić laserowi osiągnięcie równowagi po uruchomieniu.
• Pochylenie końcówki i dryf mocowania optycznego spowodowane gradientami temperatury, ciśnieniem i poluzowaniem sprężyn.
• Niesztywnie zamontowana optyka
• Wibracje spowodowane przez wentylatory, ludzi chodzących/kichających/oddychających, pompy wodne i ruch pojazdów poza laboratorium.

Błędne przedstawienie pomiarów profilera wiązki dla systemów laserowych

Dla większości producentów laserów korzystne jest przedstawianie specyfikacji w sposób, który pokazuje ich produkt w jak najlepszym świetle, nawet jeśli wiąże się to z wprowadzaniem klienta w błąd. Specyfikacje wydajności lasera można wyjaśnić, zadając takie pytania, jak:

• Czy specyfikacja jest typowa, czy wynika z najgorszego przypadku?
• Jaka definicja szerokości wiązki została zastosowana?
• Czy parametr M ² dotyczy zarówno przekroju pionowego, jak i poziomego, czy tylko dla lepszego przekroju?
• Czy M ² mierzono przy użyciu standardowej techniki ISO lub w inny sposób — np. moc w łyżce.
• Przez jaki czas dane były zbierane, aby uzyskać określone drgania wiązki rms. (Wahania wiązki RMS pogarszają się wraz ze wzrostem odstępu między pomiarami.) Jakie było środowisko lasera (stół optyczny itp.)?
• Jaki jest czas nagrzewania potrzebny do osiągnięcia określonego M ² , szerokości wiązki, rozbieżności, astygmatyzmu i drgań?

Techniki

Profilery wiązki generalnie dzielą się na dwie klasy: pierwsza wykorzystuje prosty fotodetektor za otworem, który jest skanowany nad wiązką. Druga klasa wykorzystuje kamerę do zobrazowania wiązki.

Techniki apertury skanującej

Najbardziej powszechnymi technikami apertur skanujących są technika ostrza noża i profiler szczeliny skanującej. Ten pierwszy tnie wiązkę nożem i mierzy przekazywaną moc, gdy ostrze przecina wiązkę. Zmierzona intensywność w funkcji położenia noża daje krzywą, która jest zintegrowaną intensywnością wiązki w jednym kierunku. Mierząc krzywą intensywności w kilku kierunkach, można odtworzyć oryginalny profil wiązki przy użyciu algorytmów opracowanych dla tomografii rentgenowskiej . Przyrząd pomiarowy oparty jest na wielu precyzyjnych ostrzach nożowych, z których każda jest umieszczona na obracającym się bębnie i ma inny kąt w stosunku do orientacji wiązki. Zeskanowana wiązka jest następnie rekonstruowana przy użyciu algorytmów tomograficznych i zapewnia wykresy rozkładu energii w wysokiej rozdzielczości 2D lub 3D. Dzięki specjalnej technice skanowania system automatycznie przybliża aktualny rozmiar wiązki, umożliwiając pomiary z wysoką rozdzielczością wiązek submikronowych, jak również relatywnie dużych wiązek o średnicy 10 lub więcej milimetrów. Aby uzyskać pomiar różnych długości fal, stosuje się różne detektory umożliwiające pomiary wiązki laserowej od głębokiego UV do dalekiej podczerwieni. W przeciwieństwie do innych systemów opartych na kamerach, ta technologia zapewnia również dokładny pomiar mocy w czasie rzeczywistym. Skanujące profile szczelinowe wykorzystują wąską szczelinę zamiast pojedynczej krawędzi noża. W tym przypadku intensywność jest całkowana po szerokości szczeliny. Wynikowy pomiar jest równoważny pierwotnemu przekrojowi splecionemu z profilem szczeliny.

Ta fuzja najnowocześniejszej technologii i algorytmów tomograficznych tworzy nową dziedzinę profilowania wiązki — CKET (Computerized Knife-Edge Tomography). Stwarza to możliwość dokładnego pomiaru od mikrona do ponad 10 milimetrów z adaptowalną rozdzielczością w szerokim zakresie widma, praktycznie jeśli istnieje detektor jednopowierzchniowy dla określonego obszaru długości fali, to przy użyciu tej technologii można uzyskać profil podobny do obrazu.

Techniki te mogą mierzyć bardzo małe rozmiary plamek do 1 μm i mogą być używane do bezpośredniego pomiaru wiązek o dużej mocy. Nie oferują ciągłego odczytu, chociaż można osiągnąć częstotliwość powtarzania do dwudziestu herców. Ponadto profile dają zintegrowane intensywności w kierunkach x i y, a nie rzeczywisty profil przestrzenny 2D (całkowanie intensywności może być trudne do zinterpretowania w przypadku skomplikowanych profili belek). Na ogół nie działają w przypadku pulsacyjnych źródeł laserowych ze względu na dodatkową złożoność synchronizacji ruchu apertury i impulsów laserowych.

Technika kamery CCD

Technika kamery CCD jest prosta: tłumić i świecić laserem na matrycę CCD i bezpośrednio mierzyć profil wiązki. Z tego powodu technika kamerowa jest najpopularniejszą metodą profilowania wiązki laserowej. Najpopularniejszymi używanymi kamerami są krzemowe przetworniki CCD, których średnica czujnika wynosi do 25 mm (1 cal), a piksele mają wielkość do kilku mikrometrów. Kamery te są również czułe na szeroki zakres długości fal, od głębokiego UV , 200 nm, do bliskiej podczerwieni , 1100 nm; ten zakres długości fal obejmuje szeroki zakres laserowych mediów wzmacniających. Zalety techniki kamery CCD to:

• Przechwytuje profil wiązki 2D w czasie rzeczywistym
• Wysoki zakres dynamiki . Nawet układ CCD kamery internetowej ma zakres dynamiki około 2 ⁸ .
• Oprogramowanie zwykle wyświetla krytyczne parametry wiązki, takie jak szerokość D4σ, w czasie rzeczywistym
• Czułe detektory CCD mogą rejestrować profile wiązek słabych laserów
• Rozdzielczość do około 4 μm, w zależności od rozmiaru piksela. W szczególnym przypadku wykazano rozdzielczość ±1,1 μm.
• Kamery CCD z wejściami wyzwalającymi mogą być używane do rejestrowania profili wiązek laserów impulsowych o niskim cyklu pracy
• CCD mają szeroką czułość długości fali od 200 do 1100 nm

Wady techniki kamery CCD to:

• W przypadku laserów dużej mocy wymagane jest tłumienie
• Rozmiar czujnika CCD jest ograniczony do około 1 cala.
• CCD są podatne na wykwity , gdy są używane w pobliżu krawędzi ich czułości (np. blisko 1100 nm)

Odejmowanie linii bazowej dla pomiarów szerokości D4σ

Szerokość D4σ jest wrażliwa na energię wiązki lub szum w ogonie impulsu, ponieważ piksele, które są daleko od środka ciężkości wiązki, składają się na szerokość D4σ jako kwadrat odległości. Aby zmniejszyć błąd oszacowania szerokości D4σ, od mierzonego sygnału odejmowane są podstawowe wartości pikseli. Wartości linii bazowej dla pikseli są mierzone przez rejestrację wartości pikseli CCD bez padającego światła. Wartość skończona wynika z prądu ciemnego , szumu odczytu i innych źródeł szumu. W przypadku śrutowym odejmowanie linii bazowej poprawia oszacowanie szerokości D4σ jako ${\ displaystyle {\ sqrt {N}}}$ , gdzie ${\ displaystyle N}$ to liczba pikseli w skrzydłach. Bez odejmowania linii bazowej szerokość D4σ jest przeszacowana.

Uśrednianie w celu uzyskania lepszych pomiarów

Uśrednianie kolejnych obrazów CCD zapewnia czystszy profil i usuwa zarówno szum przetwornika CCD, jak i fluktuacje natężenia wiązki laserowej. Stosunek sygnału do szumu (SNR) piksela dla profilu wiązki jest definiowany jako średnia wartość piksela podzielona przez jego średnią kwadratową (rms). Współczynnik SNR poprawia się jako pierwiastek kwadratowy liczby przechwyconych klatek dla procesów szumu strzałowego — szum prądu ciemnego, szum odczytu i szum detekcji Poissona . Na przykład zwiększenie liczby średnich o współczynnik 100 powoduje wygładzenie profilu wiązki o współczynnik 10.

Techniki tłumienia

Ponieważ czujniki CCD są bardzo czułe, tłumienie jest prawie zawsze potrzebne do prawidłowego profilowania wiązki. Na przykład tłumienie 40 dB ( ND 4 lub 10-4 ^{) jest typowe dla miliwatowego} lasera HeNe . Właściwe tłumienie ma następujące właściwości:

• Nie powoduje to wielokrotnych odbić pozostawiających obraz widmowy na matrycy CCD
• Nie powoduje powstawania prążków interferencyjnych z powodu odbić między równoległymi powierzchniami lub dyfrakcji przez defekty
• Nie zniekształca czoła fali i będzie elementem optycznym o wystarczającej płaskości optycznej (mniej niż jedna dziesiąta długości fali) i jednorodności
• Może obsłużyć wymaganą moc optyczną

Do profilowania wiązki laserowej za pomocą czujników CCD zwykle stosuje się dwa rodzaje tłumików: filtry o neutralnej gęstości oraz kliny lub grube płaskowniki optyczne.

Filtry o neutralnej gęstości

Główny artykuł: filtr o neutralnej gęstości

Filtry o neutralnej gęstości (ND) występują w dwóch rodzajach: absorpcyjne i odblaskowe.

Filtry absorpcyjne są zwykle wykonane z barwionego szkła. Są przydatne w zastosowaniach o niższej mocy, które wymagają średniej mocy do około 100 mW. Powyżej tych poziomów mocy może wystąpić soczewkowanie termiczne, powodujące zmianę rozmiaru wiązki lub deformację, ze względu na niską przewodność cieplną podłoża (zwykle szkła). Większa moc może spowodować stopienie lub pęknięcie. Wartości tłumienia filtra absorpcyjnego są zwykle ważne dla widma widzialnego (500–800 nm) i nie są ważne poza tym obszarem widmowym. Niektóre filtry można zamówić i skalibrować dla długości fal bliskiej podczerwieni, aż do krawędzi absorpcji długich fal podłoża (około 2,2 μm w przypadku okularów). Zazwyczaj można spodziewać się około 5-10% zmian tłumienia na 2-calowym (51 mm) filtrze ND, chyba że producent określił inaczej. Wartości tłumienia filtrów ND są określane logarytmicznie. Filtr ND 3 przepuszcza 10 ⁻³ mocy wiązki padającej. Umieszczenie największego tłumika na końcu przed matrycą CCD spowoduje najlepsze odrzucenie zjawy z powodu wielokrotnych odbić.

Filtry odblaskowe są wykonane z cienkiej metalicznej powłoki i dlatego działają w szerszym paśmie. Filtr metaliczny ND 3 będzie dobry powyżej 200-2000 nm. Tłumienie gwałtownie wzrośnie poza tym obszarem widmowym z powodu absorpcji w szklanym podłożu. Filtry te raczej odbijają niż pochłaniają moc padającą, a zatem mogą obsługiwać wyższe średnie moce wejściowe. Jednak są one mniej przystosowane do wysokich mocy szczytowych laserów impulsowych. Filtry te działają dobrze do średniej mocy około 5 W (ponad około 1 ^cm2 obszar oświetlenia), zanim podgrzanie spowoduje ich pęknięcie. Ponieważ filtry te odbijają światło, należy zachować ostrożność podczas układania w stos wielu filtrów ND, ponieważ wielokrotne odbicia między filtrami spowodują, że obraz widmowy będzie kolidował z oryginalnym profilem wiązki. Jednym ze sposobów złagodzenia tego problemu jest przechylenie stosu filtrów ND. Zakładając, że absorpcja metalicznego filtra ND jest pomijalna, kolejność stosu filtrów ND nie ma znaczenia, tak jak ma to miejsce w przypadku filtrów absorpcyjnych.

Próbnik wiązki dyfrakcyjnej

Dyfrakcyjne próbniki wiązki są używane do monitorowania laserów dużej mocy, gdzie straty optyczne i zniekształcenia czoła fali transmitowanej wiązki muszą być ograniczone do minimum. W większości zastosowań większość padającego światła musi iść naprzód, „nienaruszona”, w „ugiętym rzędzie zerowym”, podczas gdy niewielka część wiązki jest uginana do wyższego rzędu dyfrakcyjnego, zapewniając „próbkę” wiązki. Kierując próbkowane światło w wyższym rzędzie na detektor, możliwe jest monitorowanie w czasie rzeczywistym nie tylko poziomów mocy wiązki laserowej, ale także jej profilu i innych właściwości lasera.

Kliny optyczne

Kliny optyczne i odbicia od niepowlekanych powierzchni szkła optycznego służą do tłumienia wiązek laserowych o dużej mocy. Około 4% odbija się od granicy powietrze/szkło i można użyć kilku klinów, aby znacznie stłumić wiązkę do poziomów, które można stłumić za pomocą filtrów ND. Kąt klina jest zwykle wybierany tak, aby drugie odbicie od powierzchni nie uderzało w aktywny obszar matrycy CCD i aby nie były widoczne prążki interferencyjne. Im dalej CCD znajduje się od klina, tym mniejszy wymagany kąt. Kliny mają tę wadę, że zarówno przesuwają, jak i zaginają kierunek wiązki — ścieżki nie będą już leżały na wygodnych prostokątnych współrzędnych. Zamiast używać klina, może również działać gruba płyta szklana o jakości optycznej nachylona do wiązki — w rzeczywistości jest to to samo, co klin o kącie 0°. Grube szkło przesunie wiązkę, ale nie zmieni kąta wiązki wyjściowej. Szkło musi być wystarczająco grube, aby wiązka nie zachodziła na siebie i nie tworzyła prążków interferencyjnych, a jeśli to możliwe, wtórne odbicie nie oświetlało aktywnego obszaru matrycy CCD. The Odbicie Fresnela wiązki od szklanej płytki jest różne dla polaryzacji s i p (s jest równoległe do powierzchni szkła, a p jest prostopadłe do s) i zmienia się w funkcji kąta padania – zachowaj to w pamiętaj, jeśli spodziewasz się, że dwie polaryzacje mają różne profile wiązki. Aby zapobiec zniekształceniu profilu wiązki, szkło powinno mieć jakość optyczną — płaskość powierzchni λ/10 (λ=633 nm) i odporność na zarysowania 40-20 lub lepszą. Płytka półfalowa, po której następuje polaryzacyjny rozdzielacz wiązki tworzą zmienny tłumik i ta kombinacja jest często stosowana w systemach optycznych. Zmienny tłumik wykonany w ten sposób nie jest zalecany do tłumienia w zastosowaniach profilowania wiązki, ponieważ: (1) profil wiązki w dwóch ortogonalnych polaryzacjach może być różny, (2) kostka wiązki polaryzacji może mieć niską wartość progową uszkodzenia optycznego oraz (3) wiązka może zostać zniekształcona w polaryzatorach sześciennych przy bardzo dużym tłumieniu. Niedrogie polaryzatory sześcienne są tworzone przez sklejenie ze sobą dwóch pryzmatów kątowych. Klej nie wytrzymuje dużych mocy — intensywność powinna być utrzymywana poniżej 500 mW/mm ² . Dla dużych mocy zalecane są polaryzatory jednoelementowe.

Optymalny rozmiar wiązki na detektorze CCD

Istnieją dwa konkurujące wymagania, które określają optymalny rozmiar wiązki w detektorze CCD. Jednym z wymagań jest to, aby cała energia — lub jak najwięcej — wiązki laserowej padała na czujnik CCD. Oznaczałoby to, że powinniśmy skupić całą energię w środku aktywnego obszaru w jak najmniejszym miejscu, używając tylko kilku centralnych pikseli, aby upewnić się, że ogony wiązki zostaną przechwycone przez zewnętrzne piksele. To jest jedna skrajność. Drugim wymaganiem jest to, że musimy odpowiednio pobrać próbkę kształtu profilu belki. Z reguły chcemy mieć co najmniej 10 pikseli w obszarze obejmującym większość, powiedzmy 80% energii w wiązce. Dlatego nie ma twardej i szybkiej reguły wyboru optymalnego rozmiaru belki. Dopóki czujnik CCD przechwytuje ponad 90% energii wiązki i ma co najmniej 10 pikseli w poprzek, pomiary szerokości wiązki będą miały pewną dokładność.

Rozmiar piksela i liczba pikseli

Im większa matryca CCD, tym większy rozmiar wiązki, którą można wyprofilować. Czasami odbywa się to kosztem większych rozmiarów pikseli. Małe rozmiary pikseli są pożądane do obserwacji zogniskowanych wiązek. CCD z wieloma megapikselami nie zawsze jest lepszy niż mniejsza matryca, ponieważ czasy odczytu na komputerze mogą być nieprzyjemnie długie. Odczytywanie tablicy w czasie rzeczywistym jest niezbędne do wszelkich poprawek lub optymalizacji profilu lasera.

Profiler wiązki dalekiego pola

Profiler wiązki dalekiego pola to nic innego jak profilowanie wiązki w ognisku soczewki. Ta płaszczyzna jest czasami nazywana płaszczyzną Fouriera i jest profilem, który można by zobaczyć, gdyby wiązka rozchodziła się bardzo daleko. Wiązka na płaszczyźnie Fouriera jest transformatą Fouriera pola wejściowego. Podczas ustawiania pomiaru w polu dalekim należy zachować ostrożność. Rozmiar ogniska ostrości musi być wystarczająco duży, aby obejmował kilka pikseli. Rozmiar plamki wynosi w przybliżeniu f λ/ D , gdzie f to ogniskowa soczewki, λ to długość fali światła, a D jest średnicą skolimowanej wiązki padającej na soczewkę. Na przykład laser helowo-neonowy (633 nm) o średnicy wiązki 1 mm skupiłby się na plamce o średnicy 317 μm za pomocą soczewki 500 mm. Profiler wiązki laserowej o rozmiarze piksela 5,6 μm odpowiednio pobrałby plamkę w 56 miejscach.

Zastosowania specjalne

Zaporowe koszty profili wiązki laserowej CCD w przeszłości ustąpiły miejsca tanim profilerom wiązki. Niedrogie profilery wiązki otworzyły szereg nowych zastosowań: zastąpienie tęczówek w celu uzyskania superdokładnego wyrównania i jednoczesnego monitorowania wielu portów systemów laserowych.

Wymiana tęczówki z dokładnością wyrównania w mikroradianach

W przeszłości ustawianie wiązek laserowych odbywało się za pomocą tęczówek. Dwie tęczówki jednoznacznie określały ścieżkę wiązki; im dalej od siebie tęczówki i im mniejsze otwory tęczówki, tym lepiej zdefiniowano ścieżkę. Najmniejsza apertura, jaką może zdefiniować tęczówka, wynosi około 0,8 mm. Dla porównania, środek ciężkości wiązki laserowej można określić z dokładnością poniżej mikrometra za pomocą profilera wiązki laserowej. Efektywny rozmiar apertury profilera wiązki laserowej jest o trzy rzędy wielkości mniejszy niż w przypadku tęczówki. W związku z tym możliwość definiowania ścieżki optycznej jest 1000 razy lepsza w przypadku korzystania z profilerów wiązki nad tęczówkami. Aplikacje, które wymagają dokładności wyrównania w mikroradianach, obejmują komunikację Ziemia-kosmos, ladar Ziemia-kosmos, wyrównanie oscylatora głównego do oscylatora mocy oraz wieloprzebiegowe wzmacniacze .

Jednoczesne monitorowanie wielu portów systemu laserowego

Eksperymentalne systemy laserowe korzystają z zastosowania wielu profili wiązek laserowych do charakteryzowania wiązki pompy , wiązki wyjściowej i kształtu wiązki w pośrednich miejscach w systemie laserowym, na przykład za modelockerem z soczewką Kerra. Zmiany w profilu wiązki lasera pompującego wskazują stan lasera pompującego, które tryby lasera są wzbudzane w krysztale wzmacniającym , a także określają, czy laser jest rozgrzany, poprzez zlokalizowanie środka ciężkości wiązki względem płytki prototypowej . Profil wiązki wyjściowej jest często silną funkcją mocy pompy ze względu na efekty termooptyczne w ośrodku wzmacniającym.

Zobacz też

• Jakość wiązki laserowej

• Pomiar profilowania wiązki laserowej