Perfilador de feixe de laser - Laser beam profiler

Um perfilador de feixe de laser captura, exibe e registra o perfil de intensidade espacial de um feixe de laser em um plano transversal específico ao caminho de propagação do feixe. Uma vez que existem muitos tipos de lasers - ultravioleta , visível , infravermelho , onda contínua , pulsado, alta potência, baixa potência - existe uma variedade de instrumentos para medir perfis de feixe de laser. Nenhum perfilador de feixe de laser pode lidar com todos os níveis de potência, duração do pulso, taxa de repetição, comprimento de onda e tamanho do feixe.

Visão geral

Os instrumentos de perfilagem de feixe de laser medem as seguintes quantidades:

• Largura do feixe : Existem mais de cinco definições de largura do feixe.
• Qualidade do feixe: quantificada pelo parâmetro de qualidade do feixe, M ² .
• Divergência do feixe : Esta é uma medida do espalhamento do feixe com a distância.
• Perfil de feixe: um perfil de feixe é o gráfico de intensidade 2D de um feixe em um determinado local ao longo do caminho do feixe. Um perfil gaussiano ou de topo plano é frequentemente desejado. O perfil do feixe indica modos espaciais incômodos de alta ordem em uma cavidade de laser , bem como pontos quentes no feixe.
• Astigmatismo do feixe: O feixe é astigmático quando as partes verticais e horizontais do feixe focam em diferentes locais ao longo do caminho do feixe.
• Variação ou jitter do feixe: a quantidade em que o centroide ou valor de pico do perfil do feixe se move com o tempo.

Instrumentos e técnicas foram desenvolvidos para obter as características do feixe listadas acima. Esses incluem:

• Técnicas de câmera: incluem a iluminação direta de um sensor de câmera. O tamanho máximo do ponto que caberá em um sensor CCD é da ordem de 10 mm. Alternativamente, iluminar uma superfície difusa plana com o laser e gerar imagens da luz em um CCD com uma lente permite o perfil de feixes de diâmetro maior. A visualização de lasers em superfícies difusas é excelente para grandes larguras de feixe, mas requer uma superfície difusa que tenha refletividade uniforme (variação <1%) sobre a superfície iluminada.
• Técnica de ponta de faca: uma lâmina giratória ou fenda corta o feixe de laser antes da detecção por um medidor de energia . O medidor de energia mede a intensidade em função do tempo. Ao tomar os perfis de intensidade integrados em uma série de cortes, o perfil do feixe original pode ser reconstruído usando algoritmos desenvolvidos para tomografia . Isso geralmente não funciona para lasers pulsados ​​e não fornece um verdadeiro perfil de feixe 2D, mas tem uma resolução excelente , em alguns casos <1 μm.
• Técnica de frente de fase: o feixe é passado através de uma matriz 2D de lentes minúsculas em um sensor de frente de onda Shack-Hartmann . Cada lente redirecionará sua porção do feixe e, a partir da posição do feixe defletido, a fase do feixe original pode ser reconstruída.
• Técnicas históricas: incluem o uso de chapas fotográficas e chapas de queima. Por exemplo, lasers de dióxido de carbono de alta potência foram traçados observando queimaduras lentas em blocos de acrilato .

Em 2002, os sistemas comerciais de medição de ponta de faca custavam US $ 5.000 a US $ 12.000 e os perfiladores de feixe CCD custavam de US $ 4.000 a 9.000. O custo dos perfis de feixe CCD diminuiu nos últimos anos, principalmente devido aos custos mais baixos do sensor CCD de silício, e em 2008 eles podem ser encontrados por menos de US $ 1.000.

Formulários

As aplicações do perfil de feixe de laser incluem:

• Corte a laser : um laser com perfil de feixe elíptico tem um corte mais largo em uma direção do que na outra. A largura da viga influencia as bordas do corte. Uma largura de feixe mais estreita produz alta fluência e ioniza , em vez de derreter, a peça usinada. As bordas ionizadas são mais limpas e têm menos serrilhadas do que as bordas derretidas.
• Óptica não linear : a eficiência da conversão de frequência em materiais ópticos não lineares é proporcional ao quadrado (às vezes ao cubo ou mais) da intensidade da luz de entrada. Portanto, para obter uma conversão de frequência eficiente, a cintura do feixe de entrada deve ser pequena e localizada dentro do material não linear. Um perfilador de feixe pode ajudar a fazer uma cintura do tamanho certo no local certo.
• Alinhamento: os perfiladores de feixe alinham feixes com ordens de magnitude melhor precisão angular do que íris .
• Monitoramento do laser: muitas vezes é necessário monitorar a saída do laser para ver se o perfil do feixe muda após longas horas de operação. Manter um formato de feixe específico é fundamental para a óptica adaptativa , a óptica não linear e o fornecimento de laser para fibra . Além disso, o status do laser pode ser medido gerando imagens dos emissores de uma barra de laser de diodo de bomba e contando o número de emissores que falharam ou colocando vários perfis de feixe em vários pontos ao longo de uma cadeia de amplificadores de laser .
• Desenvolvimento de laser e amplificador de laser: O relaxamento térmico em amplificadores com bombeamento de pulso causa variações temporais e espaciais no cristal de ganho , distorcendo efetivamente o perfil do feixe da luz amplificada. Um perfilador de feixe colocado na saída do amplificador produz uma riqueza de informações sobre os efeitos térmicos transitórios no cristal. Ajustando a corrente da bomba para o amplificador e sintonizando o nível de potência de entrada, o perfil do feixe de saída pode ser otimizado em tempo real.
• Medição de campo distante: É importante conhecer o perfil do feixe de um laser para radar a laser ou comunicações ópticas em espaço livre a longas distâncias, o chamado "campo distante". A largura do feixe em seu campo distante determina a quantidade de energia coletada por um receptor de comunicações e a quantidade de energia incidente no alvo do ladar. Medir o perfil do feixe de campo distante diretamente é muitas vezes impossível em um laboratório devido ao longo comprimento do caminho necessário. Uma lente , por outro lado, transforma o feixe de modo que o campo distante ocorra próximo ao seu foco. Um perfilador de feixe colocado próximo ao foco da lente mede o perfil do feixe de campo distante em um espaço significativamente menor na bancada.
• Educação: Os perfis de feixe podem ser usados ​​para laboratórios de alunos para verificar as teorias de difração e testar as aproximações integrais de difração de Fraunhofer ou Fresnel . Outras idéias de laboratório de alunos incluem o uso de um perfilador de feixe para medir o ponto de Poisson de um disco opaco e para mapear o padrão de difração do disco de Airy de um disco transparente.

Medidas

Largura do feixe

A largura do feixe é a característica mais importante de um perfil de feixe de laser. Pelo menos cinco definições de largura de feixe estão em uso comum: D4σ, 10/90 ou 20/80 de lâmina de faca, 1 / e ² , FWHM e D86. O feixe D4σ largura é a definição padrão ISO e a medição do H ² parâmetro de qualidade do feixe requer a medição das larguras D4σ. As outras definições fornecem informações complementares ao D4σ e são usadas em diferentes circunstâncias. A escolha da definição pode ter um grande efeito no número da largura do feixe obtido, e é importante usar o método correto para qualquer aplicação. As larguras D4σ e lâmina de faca são sensíveis ao ruído de fundo no detector, enquanto as larguras 1 / e ² e FWHM não são. A fração da potência total do feixe abrangida pela largura do feixe depende de qual definição é usada.

Qualidade do feixe

Parâmetro de qualidade do feixe, M ²

O parâmetro M ² é uma medida da qualidade do feixe; um baixo M ² valor indica boa qualidade do feixe e capacidade de ser focado para um local apertado. O valor M é igual à razão entre o ângulo de divergência do feixe e o de um feixe gaussiano com a mesma largura de cintura D4σ . Como o feixe gaussiano diverge mais lentamente do que qualquer outra forma de feixe, o parâmetro M ² é sempre maior ou igual a um. Outras definições de qualidade de feixe foram usadas no passado, mas aquela que usa larguras de segundos momentos é mais comumente aceita.

A qualidade do feixe é importante em muitas aplicações. Em comunicações de fibra óptica, os feixes com M ² próximo a 1 são necessários para o acoplamento à fibra óptica monomodo . Lojas de máquinas a laser se preocupam muito com o M ² parâmetro de seus lasers porque os feixes incidirá a uma área que é M ⁴ vezes maior do que a de um feixe de Gaussian com o mesmo comprimento de onda e largura da cintura D4σ antes de se concentrar; em outras palavras, as escalas de fluência são 1 / M ⁴ . A regra de ouro é que M ² aumenta à medida que o poder aumenta a laser. É difícil obter excelente qualidade de feixe e alta potência média (100 W a kWs) devido às lentes térmicas no meio de ganho do laser .

O parâmetro M ² é determinado experimentalmente da seguinte forma:

1. Meça as larguras D4σ em 5 posições axiais perto da cintura do feixe (o local onde o feixe é mais estreito).
2. Meça as larguras D4σ em 5 posições axiais pelo menos um comprimento de Rayleigh longe da cintura.
3. Ajuste os 10 pontos de dados medidos para , onde é o segundo momento da distribuição na direção x ou y (consulte a seção sobre a largura do feixe D4σ), e é a localização da cintura do feixe com a largura do segundo momento de . Ajustando os 10 pontos de dados produz H ² , , e . Siegman mostrou que todos os perfis de viga - Gaussiano, topo plano , TEM _XY ou qualquer forma - devem seguir a equação acima, desde que o raio da viga use a definição D4σ da largura da viga. Usar o fio de navalha 10/90, o D86 ou as larguras FWHM não funcionam.${\ displaystyle \ sigma ^ {2} (z) = \ sigma _ {0} ^ {2} + M ^ {4} \ left ({\ frac {\ lambda} {\ pi \ sigma _ {0}}} \ direita) ^ {2} (z-z_ {0}) ^ {2}}$${\ displaystyle \ sigma ^ {2} (z)}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle 2 \ sigma _ {0}}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle \ sigma _ {0}}$

Perfilamento de feixe de campo E completo

Perfiladores de feixe medem a intensidade, | E-field | ² , do perfil do feixe de laser, mas não fornecem nenhuma informação sobre a fase do campo E. Para caracterizar completamente o campo E em um determinado plano, os perfis de fase e amplitude devem ser conhecidos. As partes reais e imaginárias do campo elétrico podem ser caracterizadas usando dois perfiladores de feixe CCD que amostram o feixe em dois planos de propagação separados, com a aplicação de um algoritmo de recuperação de fase aos dados capturados. O benefício de caracterizar completamente o campo E em um plano é que o perfil do campo E pode ser calculado para qualquer outro plano com a teoria da difração .

Definição Power-in-the-bucket ou Strehl da qualidade do feixe

O M ² parâmetro não é toda a história na especificação de qualidade do feixe. Um M ² baixo implica apenas que o segundo momento do perfil da viga se expande lentamente. No entanto, dois feixes com a mesma H ² pode não ter a mesma fracção de potência entregue numa dada área. A potência na caçamba e a proporção de Strehl são duas tentativas de definir a qualidade do feixe como uma função de quanta potência é fornecida a uma determinada área. Infelizmente, não há tamanho de caçamba padrão (largura D86, largura do feixe gaussiano, disco nulo de Airy, etc.) ou formato de caçamba (circular, retangular, etc.) e não há feixe padrão para comparar para a proporção de Strehl. Portanto, essas definições devem sempre ser especificadas antes de um número ser dado e apresenta muita dificuldade ao tentar comparar lasers. Também não há conversão simples entre H ² , poder-in-the-balde, e proporção Strehl. A proporção de Strehl, por exemplo, foi definida como a proporção das intensidades focais de pico nas funções de dispersão de ponto ideal e aberrada . Em outros casos, foi definida como a razão entre a intensidade de pico de uma imagem dividida pela intensidade de pico de uma imagem limitada por difração com o mesmo fluxo total . Uma vez que existem muitas maneiras de energia-em-o-balde e proporção Strehl têm sido definidos na literatura, a recomendação é a ficar com a norma ISO H ² definição para o parâmetro de qualidade do feixe e estar ciente de que uma proporção Strehl de 0,8, por exemplo, não significa nada, a menos que a proporção de Strehl seja acompanhada por uma definição.

Divergência de feixe

A divergência do feixe de um feixe de laser é uma medida de quão rápido o feixe se expande para longe da cintura do feixe. Geralmente é definido como a derivada do raio do feixe em relação à posição axial no campo distante, ou seja, em uma distância da cintura do feixe que é muito maior do que o comprimento de Rayleigh. Esta definição produz um meio-ângulo de divergência. (Às vezes, ângulos completos são usados ​​na literatura; eles são duas vezes maiores.) Para um feixe gaussiano limitado por difração, a divergência do feixe é λ / (πw ₀ ), onde λ é o comprimento de onda (no meio) e w ₀ o raio do feixe (raio com intensidade 1 / e ² ) na cintura do feixe. Uma grande divergência de feixe para um determinado raio de feixe corresponde a uma qualidade de feixe pobre. Uma divergência de feixe baixo pode ser importante para aplicações como comunicações ópticas apontadas ou em espaço livre . Feixes com divergência muito pequena, ou seja, com raio de feixe aproximadamente constante em distâncias de propagação significativas, são chamados de feixes colimados . Para a medição da divergência do feixe, geralmente mede-se o raio do feixe em diferentes posições, usando, por exemplo, um perfilador de feixe. Também é possível derivar a divergência do feixe do perfil de amplitude complexo do feixe em um único plano: as transformadas de Fourier espaciais fornecem a distribuição de frequências espaciais transversais , que estão diretamente relacionadas aos ângulos de propagação. Consulte a nota do aplicativo US Laser Corps para obter um tutorial sobre como medir a divergência do feixe de laser com uma lente e uma câmera CCD.

Feixe de astigmatismo

O astigmatismo em um feixe de laser ocorre quando as seções transversais horizontal e vertical do feixe focalizam diferentes locais ao longo do caminho do feixe. O astigmatismo pode ser corrigido com um par de lentes cilíndricas . A métrica para o astigmatismo é o poder das lentes cilíndricas necessárias para aproximar os focos das seções transversais horizontal e vertical. O astigmatismo é causado por:

• Lente térmica em amplificadores de placa Nd: YAG . Uma placa colocada entre dois dissipadores de calor de metal terá um gradiente de temperatura entre os dissipadores de calor. O gradiente térmico causa um índice de gradiente de refração que é muito semelhante a uma lente cilíndrica. A lente cilíndrica causada pelo amplificador tornará o feixe astigmático.
• Lentes cilíndricas incomparáveis ​​ou erro na colocação dessas ópticas.
• Propagação através de um cristal uniaxial não linear (comum em cristais ópticos não lineares ). Os campos-E polarizados xey experimentam diferentes índices de refração.
• Não se propagando através do centro de uma lente esférica ou espelho .

O astigmatismo pode ser facilmente caracterizado por um perfilador de feixe CCD observando onde as cinturas do feixe xey ocorrem conforme o perfilador é transladado ao longo do caminho do feixe.

Beam wander ou jitter

Cada feixe de laser vagueia e treme - embora em pequena quantidade. A montagem tip-tilt cinemática típica oscila em torno de 100 μrad por dia em um ambiente de laboratório ( isolamento de vibração por meio de mesa ótica , temperatura e pressão constantes e nenhuma luz solar que causa aquecimento nas peças). Um feixe de laser incidente sobre este espelho será transladado por 100 m a um alcance de 1000 km. Isso pode fazer a diferença entre atingir ou não um satélite de comunicações da Terra. Portanto, há muito interesse em caracterizar a dispersão do feixe (escala de tempo lenta) ou jitter (escala de tempo rápida) de um feixe de laser. A oscilação e o jitter do feixe podem ser medidos rastreando o centróide ou pico do feixe em um perfilador de feixe CCD. A taxa de quadros do CCD é normalmente de 30 quadros por segundo e, portanto, pode capturar jitter do feixe mais lento do que 30 Hz - ele não pode ver vibrações rápidas devido à voz, zumbido do motor do ventilador de 60 Hz ou outras fontes de vibrações rápidas. Felizmente, isso geralmente não é uma grande preocupação para a maioria dos sistemas de laser de laboratório e as taxas de quadros dos CCDs são rápidas o suficiente para capturar o raio de largura de banda que contém a maior potência de ruído. Uma medição típica do desvio do feixe envolve o rastreamento do centróide do feixe por vários minutos. O desvio rms dos dados do centróide fornece uma imagem clara da estabilidade de apontamento do feixe de laser. O tempo de integração da medição do jitter do feixe deve sempre acompanhar o valor rms calculado. Mesmo que a resolução do pixel de uma câmera possa ser de vários micrômetros, a resolução do centroide subpixel (possivelmente dezenas de resolução nanométrica) é obtida quando a relação sinal / ruído é boa e o feixe preenche a maior parte da área ativa do CCD.

A oscilação do feixe é causada por:

• Termalização lenta do laser. Os fabricantes de laser geralmente têm uma especificação de aquecimento para permitir que o laser se equilibre após a inicialização.
• Inclinação da ponta e desvio da montagem ótica causados ​​por gradientes térmicos, pressão e afrouxamento das molas.
• Óptica montada não rigidamente
• Vibração devido a ventiladores, pessoas caminhando / espirrando / respirando, bombas d'água e movimento de veículos fora do laboratório.

Representação incorreta de medições de perfilador de feixe para sistemas a laser

É uma vantagem para a maioria dos fabricantes de laser apresentar as especificações de uma forma que mostre seu produto da melhor forma, mesmo que isso envolva enganar o cliente. As especificações de desempenho do laser podem ser esclarecidas fazendo perguntas como:

• A especificação é típica ou desempenho de pior caso?
• Qual definição de largura de feixe foi usada?
• O parâmetro M ^{2 é} para seções transversais verticais e horizontais ou apenas para a melhor seção transversal?
• Foi H ² medido utilizando a técnica padrão ISO ou alguma outra maneira - por exemplo, poder no balde.
• Por quanto tempo os dados foram levados para chegar ao jitter de feixe rms especificado. (O jitter do feixe RMS piora à medida que o intervalo de medição aumenta.) Qual era o ambiente do laser (mesa óptica, etc.)?
• Qual é o tempo de aquecimento necessário para atingir o M ² especificado , largura do feixe, divergência, astigmatismo e jitter?

Técnicas

Os perfis de feixe geralmente se enquadram em duas classes: a primeira usa um fotodetector simples atrás de uma abertura que é digitalizada sobre o feixe. A segunda classe usa uma câmera para fazer a imagem do feixe.

Técnicas de abertura de varredura

As técnicas de abertura de varredura mais comuns são a técnica do fio da navalha e o perfilador de fenda de varredura. O primeiro corta a viga com uma faca e mede a força transmitida conforme a lâmina corta a viga. A intensidade medida versus a posição da faca produz uma curva que é a intensidade do feixe integrado em uma direção. Ao medir a curva de intensidade em várias direções, o perfil do feixe original pode ser reconstruído usando algoritmos desenvolvidos para tomografia de raios-x . O instrumento de medição é baseado em múltiplas lâminas de faca de alta precisão, cada uma implantada em um tambor rotativo e tendo um ângulo diferente em relação à orientação do feixe. O feixe digitalizado é então reconstruído usando algoritmos tomográficos e fornece gráficos de distribuição de energia 2D ou 3D de alta resolução. Devido à técnica de varredura especial, o sistema amplia automaticamente o tamanho do feixe atual, permitindo medições de alta resolução de feixes submícron, bem como feixes relativamente grandes de 10 ou mais milímetros. Para obter medições de vários comprimentos de onda, diferentes detectores são usados ​​para permitir medições de feixe de laser de UV profundo a infravermelho distante. Ao contrário de outros sistemas baseados em câmera, esta tecnologia também fornece medição precisa de potência em tempo real. Neste caso, a intensidade é integrada na largura da fenda. A medição resultante é equivalente à seção transversal original convolvida com o perfil da fenda.

Essas técnicas podem medir tamanhos de pontos muito pequenos até 1 μm e podem ser usadas para medir feixes de alta potência diretamente. Eles não oferecem leitura contínua, embora taxas de repetição de até 20 hertz possam ser alcançadas. Além disso, os perfis fornecem intensidades integradas nas direções xey e não o perfil espacial 2D real (intensidades integradas podem ser difíceis de interpretar para perfis de feixe complicados). Eles geralmente não funcionam para fontes de laser pulsado, devido à complexidade extra de sincronizar o movimento da abertura e os pulsos de laser.

Técnica de câmera CCD

A técnica da câmera CCD é simples: atenuar e direcionar um laser para um CCD e medir o perfil do feixe diretamente. É por essa razão que a técnica da câmera é o método mais popular para o perfil do feixe de laser. As câmeras mais populares usadas são CCDs de silício com diâmetros de sensor que variam de até 25 mm (1 polegada) e tamanhos de pixel de até alguns micrômetros. Essas câmeras também são sensíveis a uma ampla faixa de comprimentos de onda, desde UV profundo , 200 nm, até infravermelho próximo , 1100 nm; essa faixa de comprimentos de onda abrange uma ampla faixa de mídia de ganho de laser. As vantagens da técnica da câmera CCD são:

• Ele captura o perfil do feixe 2D em tempo real
• Alta faixa dinâmica . Até mesmo o chip CCD de uma webcam tem uma faixa dinâmica de cerca de 2 ⁸ .
• O software normalmente exibe métricas de feixe críticas, como largura D4σ, em tempo real
• Os detectores CCD sensíveis podem capturar os perfis de feixe de lasers fracos
• Resolução de até cerca de 4 μm, dependendo do tamanho do pixel. Em um caso especial, foi demonstrada uma resolução de ± 1,1 μm.
• Câmeras CCD com entradas de gatilho podem ser usadas para capturar perfis de feixe de lasers pulsados ​​de baixo ciclo de trabalho
• CCDs têm amplas sensibilidades de comprimento de onda de 200 a 1100 nm

As desvantagens da técnica da câmera CCD são:

• A atenuação é necessária para lasers de alta potência
• O tamanho do sensor CCD é limitado a cerca de 1 polegada.
• CCDs são propensos a florescer quando usados ​​perto do limite de sua sensibilidade (por exemplo, perto de 1100 nm)

Subtração de linha de base para medições de largura D4σ

A largura D4σ é sensível à energia do feixe ou ruído na cauda do pulso porque os pixels que estão longe do centróide do feixe contribuem para a largura D4σ como a distância ao quadrado. Para reduzir o erro na estimativa de largura D4σ, os valores de pixel da linha de base são subtraídos do sinal medido. Os valores da linha de base para os pixels são medidos registrando os valores dos pixels CCD sem luz incidente. O valor finito é devido à corrente escura , ruído de leitura e outras fontes de ruído. Para fontes de ruído limitadas por ruído de tiro , a subtração da linha de base melhora a estimativa de largura D4σ como , onde é o número de pixels nas asas. Sem a subtração da linha de base, a largura D4σ é superestimada. ${\ displaystyle {\ sqrt {N}}}$${\ displaystyle N}$

Média para obter melhores medidas

A média de imagens CCD consecutivas produz um perfil mais limpo e remove tanto o ruído do gerador de imagens CCD quanto as flutuações de intensidade do feixe de laser. A relação sinal-ruído (SNR) de um pixel para um perfil de feixe é definida como o valor médio do pixel dividido por seu valor de raiz quadrada média (rms). O SNR melhora como raiz quadrada do número de quadros capturados para processos de ruído de disparo - ruído de corrente escura, ruído de leitura e ruído de detecção Poissoniano . Portanto, por exemplo, aumentar o número de médias em um fator de 100 suaviza o perfil da viga em um fator de 10.

Técnicas de atenuação

Como os sensores CCD são altamente sensíveis, a atenuação quase sempre é necessária para o perfil de feixe adequado. Por exemplo, 40 dB ( ND 4 ou 10 ⁻⁴ ) de atenuação é típico para um laser HeNe de miliwatt . A atenuação adequada tem as seguintes propriedades:

• Não resulta em reflexos múltiplos, deixando uma imagem fantasma no sensor CCD
• Não resulta em franjas de interferência devido a reflexos entre superfícies paralelas ou difração por defeitos
• Não distorce a frente de onda e será um elemento óptico com planicidade óptica suficiente (menos de um décimo de um comprimento de onda) e homogeneidade
• Ele pode lidar com a potência óptica necessária

Para perfis de feixe de laser com sensores CCD, normalmente dois tipos de atenuadores são usados: filtros de densidade neutra e cunhas ou planos ópticos espessos.

Filtros de densidade neutra

Os filtros de densidade neutra (ND) vêm em dois tipos: absorventes e reflexivos.

Os filtros absorventes geralmente são feitos de vidro colorido. Eles são úteis para aplicações de baixa potência que envolvem até cerca de 100 mW de potência média. Acima desses níveis de potência, podem ocorrer lentes térmicas, causando alteração ou deformação no tamanho do feixe, devido à baixa condutividade térmica do substrato (geralmente um vidro). Uma potência mais alta pode resultar em derretimento ou rachadura. Os valores de atenuação do filtro absorvente são geralmente válidos para o espectro visível (500–800 nm) e não são válidos fora dessa região espectral. Alguns filtros podem ser solicitados e calibrados para comprimentos de onda do infravermelho próximo, até a borda de absorção de comprimento de onda longo do substrato (cerca de 2,2 μm para vidros). Normalmente, pode-se esperar uma variação de cerca de 5-10% da atenuação em um filtro ND de 2 polegadas (51 mm), a menos que especificado de outra forma pelo fabricante. Os valores de atenuação dos filtros ND são especificados logaritmicamente. Um filtro ND 3 transmite 10 ^-3 da potência do feixe incidente. Colocar o atenuador maior por último antes do sensor CCD resultará na melhor rejeição de imagens fantasmas devido a reflexos múltiplos.

Os filtros reflexivos são feitos com um revestimento metálico fino e, portanto, operam em uma largura de banda maior. Um filtro metálico ND 3 será bom em 200–2000 nm. A atenuação aumentará rapidamente fora desta região espectral devido à absorção no substrato de vidro. Esses filtros refletem em vez de absorver a potência incidente e, portanto, podem lidar com potências médias de entrada mais altas. No entanto, eles são menos adequados para as altas potências de pico dos lasers pulsados. Esses filtros funcionam bem com uma potência média de 5 W (mais de 1 cm ^{2 de} área de iluminação) antes que o aquecimento os faça rachar. Como esses filtros refletem a luz, deve-se ter cuidado ao empilhar vários filtros ND, pois várias reflexões entre os filtros farão com que uma imagem fantasma interfira no perfil do feixe original. Uma maneira de atenuar esse problema é inclinar a pilha de filtros ND. Assumindo que a absorção do filtro ND metálico é desprezível, a ordem da pilha de filtros ND não importa, como faz para os filtros absortivos.

Amostrador de feixe difrativo

Amostradores de feixe difrativo são usados ​​para monitorar lasers de alta potência onde as perdas ópticas e distorções da frente de onda do feixe transmitido precisam ser mantidas em um mínimo. Na maioria das aplicações, a maior parte da luz incidente deve continuar para a frente, "não afetada", na "ordem difratada de ordem zero" enquanto uma pequena quantidade do feixe é difratada em uma ordem difrativa superior, fornecendo uma "amostra" do feixe. Ao direcionar a luz amostrada na (s) ordem (s) superior (is) para um detector, é possível monitorar, em tempo real, não apenas os níveis de potência de um feixe de laser, mas também seu perfil e outras características do laser.

Cunhas ópticas

Cunhas óticas e reflexos de superfícies de vidro ótico não revestidas são usados ​​para atenuar os feixes de laser de alta potência. Cerca de 4% é refletido da interface ar / vidro e várias cunhas podem ser usadas para atenuar bastante o feixe a níveis que podem ser atenuados com filtros ND. O ângulo da cunha é normalmente selecionado de modo que a segunda reflexão da superfície não atinja a área ativa do CCD e que nenhuma franja de interferência seja visível. Quanto mais longe o CCD estiver da cunha, menor será o ângulo necessário. As cunhas têm a desvantagem de transladar e dobrar a direção do feixe - os caminhos não mais ficarão em coordenadas retangulares convenientes. Em vez de usar uma cunha, uma placa de vidro espesso de qualidade ótica inclinada para o feixe também pode funcionar - na verdade, isso é o mesmo que uma cunha com um ângulo de 0 °. O vidro grosso fará a translação do feixe, mas não mudará o ângulo do feixe de saída. O vidro deve ser espesso o suficiente para que o feixe não se sobreponha a si mesmo para produzir franjas de interferência e, se possível, que a reflexão secundária não ilumine a área ativa do CCD. A reflexão de Fresnel de um feixe de uma placa de vidro é diferente para as polarizações s e p (s é paralelo à superfície do vidro, ep é perpendicular a s) e muda em função do ângulo de incidência - mantenha isso em mente se você espera que as duas polarizações tenham perfis de feixe diferentes. Para evitar a distorção do perfil do feixe, o vidro deve ser de qualidade óptica - planicidade da superfície de λ / 10 (λ = 633 nm) e arranhão de 40-20 ou melhor. Uma placa de meia onda seguida por um divisor de feixe de polarização forma um atenuador variável e essa combinação é frequentemente usada em sistemas ópticos. O atenuador variável feito desta forma não é recomendado para atenuação para aplicações de perfil de feixe porque: (1) o perfil do feixe nas duas polarizações ortogonais pode ser diferente, (2) o cubo do feixe de polarização pode ter um valor de limite de dano óptico baixo, e (3) o feixe pode ser distorcido em polarizadores de cubo em atenuação muito alta. Polarizadores de cubo baratos são formados pela cimentação de dois prismas de ângulo reto. A cola não resiste bem a altas potências - a intensidade deve ser mantida abaixo de 500 mW / mm ² . Polarizadores de elemento único são recomendados para altas potências.

Tamanho de feixe ideal no detector CCD

Existem dois requisitos concorrentes que determinam o tamanho ideal do feixe no detector CCD. Um dos requisitos é que toda a energia - ou o máximo possível - do feixe de laser incida no sensor CCD. Isso implicaria que devemos concentrar toda a energia no centro da região ativa em um ponto tão pequeno quanto possível, usando apenas alguns dos pixels centrais para garantir que as pontas do feixe sejam capturadas pelos pixels externos. Este é um extremo. O segundo requisito é que precisamos amostrar adequadamente a forma do perfil da viga. Como regra geral, queremos pelo menos 10 pixels na área que abrange a maior parte, digamos 80%, da energia do feixe. Portanto, não existe uma regra rígida e rápida para selecionar o tamanho de feixe ideal. Contanto que o sensor CCD capture mais de 90% da energia do feixe e tenha pelo menos 10 pixels de largura, as medições da largura do feixe terão alguma precisão.

Tamanho do pixel e número de pixels

Quanto maior o sensor CCD, maior o tamanho do feixe que pode ser perfilado. Às vezes, isso ocorre com o custo de tamanhos de pixels maiores. Tamanhos pequenos de pixels são desejados para observar feixes focalizados. Um CCD com muitos megapixels nem sempre é melhor do que um array menor, pois os tempos de leitura no computador podem ser desconfortavelmente longos. Ler o array em tempo real é essencial para qualquer ajuste ou otimização do perfil do laser.

Perfilador de feixe de campo distante

Um perfilador de feixe de campo distante nada mais é do que traçar o perfil do feixe no foco de uma lente. Este plano é às vezes chamado de plano de Fourier e é o perfil que se veria se o feixe se propagasse para muito longe. O feixe no plano de Fourier é a transformada de Fourier do campo de entrada. Deve-se tomar cuidado ao configurar uma medição de campo distante. O tamanho do ponto focalizado deve ser grande o suficiente para abranger vários pixels. O tamanho do ponto é aproximadamente f λ / D , onde f é o comprimento focal da lente, λ é o comprimento de onda da luz e D é o diâmetro do feixe colimado incidente sobre a lente. Por exemplo, um laser de hélio-neon (633 nm) com feixe de 1 mm de diâmetro focalizaria um ponto de 317 μm com uma lente de 500 mm. Um perfilador de feixe de laser com um tamanho de pixel de 5,6 μm amostraria adequadamente o ponto em 56 locais.

Aplicações especiais

Os custos proibitivos de perfiladores de feixe de laser CCD no passado deram lugar a perfiladores de feixe de baixo custo. Perfiladores de feixe de baixo custo abriram uma série de novas aplicações: substituição de íris para alinhamento superpreciso e monitoramento simultâneo de múltiplas portas de sistemas a laser.

Substituição da íris com precisão de alinhamento microrradiano

No passado, o alinhamento dos feixes de laser era feito com íris. Duas íris definiram exclusivamente um caminho de feixe; quanto mais distantes as íris e quanto menores os orifícios da íris, melhor o caminho foi definido. A menor abertura que uma íris pode definir é de cerca de 0,8 mm. Em comparação, o centróide de um feixe de laser pode ser determinado com uma precisão submicrométrica com um perfilador de feixe de laser. O tamanho efetivo da abertura do perfilador de feixe de laser é três ordens de magnitude menor do que o de uma íris. Consequentemente, a capacidade de definir um caminho óptico é 1000 vezes melhor ao usar perfis de feixe sobre íris. As aplicações que precisam de precisão de alinhamento microrradiano incluem comunicações terra-espaço, ladar terra-espaço, oscilador mestre para alinhamento de oscilador de energia e amplificadores multipass .

Monitoramento simultâneo de múltiplas portas do sistema a laser

Os sistemas de laser experimentais se beneficiam do uso de vários perfis de feixe de laser para caracterizar o feixe de bomba , o feixe de saída e a forma do feixe em locais intermediários no sistema de laser, por exemplo, após um modelador de lente Kerr . Mudanças no perfil do feixe de laser da bomba indicam a integridade do laser da bomba, quais modos de laser são estimulados no cristal de ganho e também determinam se o laser é aquecido localizando o centróide do feixe em relação à placa de ensaio . O perfil do feixe de saída é frequentemente uma função forte da potência da bomba devido aos efeitos termo-ópticos no meio de ganho.

Veja também

• Qualidade do feixe de laser

Referências

• Medição de perfil de feixe de laser