Rajah 1: Pengagihan intensiti rasuk Gaussian yang diukur secara eksperimen (kiri) dan rasuk topi atas (kanan).
Kebanyakan rasuk laser mempunyai pengagihan intensiti Gaussian; Walau bagaimanapun, dalam sesetengah aplikasi, ia mungkin lebih bermanfaat untuk menggunakan rasuk bukan Gaussian. Rasuk Gaussian mempunyai keratan rentas pengagihan intensiti yang berkurangan secara simetri dengan jarak yang semakin meningkat dari pusat. Sebaliknya, rasuk topi atas mengekalkan pengagihan intensiti yang berterusan di seluruh keratan rentas, yang membolehkan intensiti penyinaran yang konsisten pada sasaran semasa pemprosesan (lihat Rajah 1). Akibatnya, hasil yang lebih tepat dan boleh diramal dapat dicapai dalam aplikasi seperti pemprosesan wafer semikonduktor, pemprosesan bahan-bahan lain dan penukaran kekerapan tak linear untuk laser kuasa tinggi.
Rasuk topi atas menghasilkan pemotongan bersih dan tepi yang lebih tajam daripada rasuk Gaussian, tetapi menjana rasuk topi atas menambah kos sistem tambahan dan kerumitan. Memahami manfaat rasuk topi atas dan kaedah yang berbeza untuk menghasilkannya dapat membantu penyepadu sistem laser memilih jenis rasuk laser yang tepat untuk jenis aplikasi mereka.
Ciri -ciri Rasuk Gaussian
Laser Gaussian lebih biasa dan kos efektif daripada jenis rasuk lain sumber laser. Kebanyakan laser berkualiti tinggi, satu mod memancarkan rasuk yang mengikuti profil iradan Gaussian yang rendah, yang juga dikenali sebagai mod TEM 00. Sumber -sumber kualiti yang lebih rendah juga akan mempunyai beberapa tahap mod laser lain yang hadir, tetapi biasanya menganggap laser mempunyai profil Gaussian yang diingini untuk memudahkan pemodelan sistem.
Sekiranya rasuk Gaussian mempunyai kuasa optik purata yang sama seperti rasuk topi atas, irradians puncak rasuk Gaussian akan dua kali ganda dari rasuk topi atas. Sebagai rasuk Gaussian yang menyebarkan melalui sistem optik, ia mengekalkan pengedaran profil iradians Gaussian walaupun intensiti puncak atau saiz rasuk berubah. Ini bermakna bahawa rasuk Gaussian tetap malar apabila ia menyebarkan.
Apakah masalah dengan rasuk Gaussian?
Rasuk Gaussian mempunyai kelemahan mereka. Dalam aplikasi di mana bahagian intensiti tinggi rasuk di tengah digunakan, bahagian intensiti rendah rasuk di kedua-dua belah pihak (yang disebut "sayap") sering sia-sia, kerana intensiti laser lebih tinggi daripada ambang yang diperlukan untuk permohonan itu, sama ada pemprosesan material, pembedahan laser, atau aplikasi lain.
Di samping itu, sayap rasuk Gaussian juga boleh merosakkan kawasan di luar zon sasaran, dengan itu membesarkan zon yang terkena haba. Ini merugikan aplikasi seperti pembedahan laser dan pemprosesan bahan ketepatan, di mana zon yang terkena haba ketepatan dan minimum yang diprioritaskan. Akibatnya, bahan -bahan yang diproses dengan rasuk Gaussian tidak akan mempunyai tepi yang sangat lancar, dengan itu mengurangkan ketepatan sistem.
Mengapa menggunakan rasuk topi atas?
Berbanding dengan rasuk Gaussian, profil rasuk topi atas tidak mempunyai bahagian bersayap dan mempunyai peralihan kelebihan yang lebih curam, mengakibatkan pemindahan intensiti yang lebih cekap dan zon terjejas haba yang lebih kecil. [2] Etching, kimpalan, atau pemotongan dengan rasuk topi atas akan lebih tepat dan kurang merosakkan kawasan sekitarnya.
Gambar.
Kelebihan utama rasuk topi atas menjadikannya sesuai untuk pelbagai situasi yang berbeza. Dalam ujian ambang kerosakan yang disebabkan oleh laser (LIDT) dan sistem metrologi lain, pengagihan intensiti seragam rasuk topi atas meminimumkan ketidakpastian pengukuran dan varians statistik. Rasuk topi atas juga berfaedah dalam mikroskopi pendarfluor, holografi dan sistem interferometri.
Salah satu cara untuk menilai sama ada rasuk laser sebenar adalah berhampiran dengan rasuk topi atas yang sempurna adalah untuk menganalisis faktor kebosanannya (Fη), yang dikira dengan membahagikan nilai irama purata dengan nilai sinaran maksimum rasuk, seperti yang diterangkan dalam piawaian ISO 13694.
Apakah kelemahan rasuk topi atas?
Rasuk topi atas tidak sesuai untuk semua aplikasi. Ia tidak begitu efektif seperti rasuk Gaussian kerana komponen pembentukan rasuk tambahan diperlukan untuk membentuk rasuk Gaussian ke dalam rasuk topi atas. Komponen ini boleh dibina terus ke sumber laser atau digunakan dalam sistem di luar laser. Komponen membentuk rasuk ini bergantung pada saiz rasuk input dan sensitif terhadap penjajaran pesawat XY. Di samping itu, tidak seperti rasuk Gaussian, rasuk topi atas tidak tetap berterusan semasa penyebaran. Ini bermakna bahawa rasuk topi atas insiden tidak akan mengekalkan bentuk topi atasnya ketika ia bergerak melalui sistem, dan akhirnya akan berkembang untuk menyerupai pengedaran tempat yang lapang.
Bagaimana rasuk topi atas direalisasikan?
Sekiranya rasuk topi atas dikehendaki, tetapi kos sistem sangat terhad dan prestasi tidak perlu sangat tinggi, rasuk Gaussian boleh dipotong secara fizikal menggunakan apertur kecil untuk membuat profil topi pseudo-atas. Kaedah ini memotong dan membuang tenaga dari kedua -dua sayap rasuk Gaussian dan bahkan tidak mengeluarkan pengagihan intensiti di tengah -tengah rasuk. Kaedah ini mungkin berguna jika mengekalkan kos rendah adalah faktor utama.
Untuk sistem prestasi tinggi yang memerlukan penggunaan tenaga laser yang cekap, komponen pembentukan rasuk boleh digunakan untuk membentuk rasuk Gaussian ke dalam rasuk hatped atas. Terdapat beberapa jenis komponen membentuk rasuk, termasuk peranti refraktif, reflektif, holografik, dan diffractive. Peranti pembentukan rasuk refraktif menggunakan kanta aspherical atau bentuk bebas yang dipetakan medan dan komponen refraktif lain untuk memodulasi fasa rasuk (lihat Rajah 2). Kelebihannya adalah pengagihan intensiti seragam dan depan fasa rata. Amplitud dan fasa rasuk insiden dimodulasi oleh unsur -unsur optik dalam perhimpunan lensa Galilean atau Keplerian. Proses ini biasanya sangat cekap (lebih besar daripada 96%) dan panjang gelombang bebas daripada pelbagai reka bentuk peranti. Pembentuk rasuk refraktif menghasilkan rasuk hatped teratas yang sangat sesuai untuk aplikasi yang beroperasi dalam jarak jauh, seperti pengimejan hologram dan sistem mikroskopi.
Rajah 2: Membentuk rasuk Gaussian ke dalam rasuk topi atas menggunakan pembentuk rasuk topi Adloptica πshaper dari adloptics of optik Edmund, berdasarkan prinsip -prinsip operasi seperti penyimpangan gelombang dan keadaan pemuliharaan tenaga.
Lain-lain jenis pembentuk rasuk refraktif yang membentuk rasuk Gaussian menjadi tempat lapang yang lurus. Kelebihan ini ialah tempat yang lapang, apabila difokuskan oleh set kanta terhad difraksi, membentuk titik fokus dengan profil topi atas. Dalam banyak aplikasi seperti micromachining, litografi, dan microwelding, titik fokus memerlukan profil topi atas.
Sebaliknya, pembentuk rasuk diffractive menggunakan pembelauan, bukannya pembiasan, untuk mengubah pengagihan intensiti rasuk laser kejadian. Struktur mikro dan nano khusus disediakan pada substrat menggunakan proses etsa untuk membentuk elemen diffractive. Kesan dan julat panjang gelombang elemen diffractive biasanya bergantung kepada ketinggian dan jarak rantau struktur. Oleh itu, elemen optik diffractive mesti digunakan dalam julat panjang gelombang yang direka untuk mengelakkan kesilapan prestasi.
Pembentuk rasuk diffractive lebih sensitif terhadap sudut divergensi, penjajaran dan kedudukan rasuk daripada pembentuk rasuk refraktif. Walau bagaimanapun, pembentuk rasuk diffractive mempunyai kelebihan tertentu dalam sistem laser yang terkawal ruang, kerana ia biasanya terdiri daripada elemen diffractive tunggal dan bukannya kanta refraktif berganda, dan boleh membentuk kedua-dua rasuk topi atas dan bintik-bintik lapang.
Integrator rasuk laser, atau homogenizer, adalah satu lagi jenis komponen membentuk rasuk. Mereka terdiri daripada pelbagai kanta kecil yang memisahkan cahaya insiden menjadi rasuk yang lebih kecil. Lensa yang fokus kemudian menembusi rasuk yang lebih kecil ke satah sasaran. Rasuk output akhir adalah jumlah corak difraksi yang dihasilkan oleh setiap lensa kecil dalam array. Mereka boleh membentuk kejadian Gaussian Beam menjadi profil topi seragam. Walau bagaimanapun, sistem ini sering menemui turun naik sinaran rawak, mengakibatkan profil rasuk output yang tidak seragam intensiti. Jadual 1 membandingkan pelbagai pembentuk rasuk.
Rasuk topi atas sesuai untuk pelbagai sistem laser di mana ketepatan dan kecekapan lebih penting daripada kos. Dengan pembentukan refraktif, diffractive, dan lain -lain jenis pembentuk rasuk yang kini berada di pasaran, penyepadu sistem laser mempunyai pelbagai pilihan apabila memilih pembentuk rasuk.
