Получение пучков с плоской вершиной

Введение

В различных областях промышленности, где активно применяется лазерная обработка, существует необходимость фокусировать лазерный луч до пятна определенных размеров с равномерным распределением интенсивности (плоской вершиной) в поперечном сечении. Равномерное пятно обеспечивает равномерную лазерную обработку рабочей поверхности. Кроме того, острые края пятна – или узкая переходная область - создают четкую границу между обработанными и необработанными зонами.

Лазерные пучки с равномерным распределением интенсивности применяют в лазерной абляции, сварке, сверлении, изготовлении лазерных дисплеев, а также в медицинских операциях.

В статье рассматриваются способы получения лазерных пучков с плоской вершиной с помощью дифракционного и преломляющего формирователя интенсивности Holo/Or.

Принципиальная схема

Элементарная установка для получения пучков с плоской вершиной приведена на рис. 1.

Рисунок 1. Принципиальная схема для получения пучков с плоской вершиной

Формирователь пучка на схеме - фазовый элемент, преобразующий входной гауссов пучок в однородное пятно с острыми краями на определенном рабочем расстоянии (WD).

Обратите внимание, что пятно с равномерным распределением находится НЕ в точке перетяжки пучка, но рядом с ним.

Каждый формирователь луча предназначен для конкретного приложения, и при его выборе следует отталкиваться от следующих параметров оптической системы:

1. Длина волны
2. Диаметр входного пучка (D_in)
3. Рабочее расстояние (WD)
4. Диаметр выходного пучка (D_out)

Изменение любого из параметров ухудшит эффективность формирователя пучка и может привести к повреждению фазового элемента.

Пример конструктивного решения

Чтобы обеспечить наилучший результат фильтрации, выходной лазерный пучок должен быть одномодовым (TEM00) со значением M² (фактор пучка) до 1,3. Если фактор пучка превышает это значение, следует вставить пространственный фильтр между лазером и формирователем распределения интенсивности.

Пространственный фильтр состоит из фокусирующей линзы, точечной апертуры(пинхола), расположенного в фокальной плоскости, коллимирующей линзы. Точечная диафрагма служит для уменьшения паразитных мод, присутствие которых в выходном пучке приводит к увеличению значения M², после чего распределение интенсивности в поперечном сечении пучка перестает быть равномерным. Для фильтрации рекомендуется использовать диаметр апертуры, не более чем в 2 раза меньший диаметра пучка в плоскости апертуры. Слишком малый размер апертуры приведет к возникновению паразитной интерференционной картины или структуры спеклов в выходном пятне формирователя луча. В сочетании с определенными фокусными расстояниями, пространственный фильтр также может служить в качестве расширителя пучка.

Рисунок 2. Типичная конфигурация

Широкий лазерный пучок с плоским распределением интенсивности имеет несколько важных преимуществ, ведь с увеличением диаметра снижается чувствительность выходного сигнала к аберрациям.

Как уже упоминалось, апертуры, расположенные по траектории пучка, должны быть по крайней мере в 2 раза больше размера луча (1/e²), падающего в плоскость апертуры (по опытам лаборатории Holo/Or оптимальное соотношение размеров составляет 2,5).

Конечно, для достижения лучших результатов преобразования распределения интенсивности, преломляющая оптика должна иметь низкий показатель неравномерности, чтобы избежать появления ошибки волнового фронта. Это касается плоскостности зеркал. Здесь также больший размер луча, падающего на зеркало, уменьшит его чувствительность к аберрациям.

Чтобы достичь нужного диаметра пятна с плоским распределением, важно учесть физические ограничения минимального размера пятна. Формула для расчета размера дифракционно-ограниченного пятна:

где L - рабочее расстояние, λ - длина волны, d - размер входного пучка, M² - фактор входного пучка.

Как правило, минимальный размер пятна, полученного на выходе формирователя распределения интенсивности, будет в 1,5-5 раз больше размера дифракционно ограниченного пятна , заданного приведенной выше формулой.

Рассмотрение размеров пятна с равномерным распределением интенсивности как ряда дифракционных пределов

Некоторые основные правила:

• Невозможно получить пятно размером меньше размера дифракционного ограниченного пятна
• Коэффициент между размером диафрагмы формирователя пучка и размером дифракционного ограниченного пятна определяет качество и эффективность формирователя пучка. Больший коэффициент позволит получить более острые края пятна.
• Область переноса формирователя луча не может быть меньше 0,5 дифракционных пределов  и обычно составляет 1.

Пример распределения интенсивности пятна в пучке с плоской вершиной с разным ограничением по дифракции:

Рисунок 3. Распределения интенсивности пятна в пучке с плоской вершиной с разным ограничением по дифракции

Подразумевается, что область переноса (13,5-90 %) должна быть как можно меньше, а профиль должен иметь максимальный относительный размер площади однородности. Параметр качества преобразования распределения Q_th может быть определен через отношение:

Чувствительность к смещениям элементов и отклонениям пучка

Проектировании установки, включающей дифракционный оптический элемент (ДОЭ), следует позаботиться о стабильности параметров системы, упомянутых в разделе «принципиальная схема». Многие из выходных характеристик пучка с плоской вершиной зависят от относительного смещения и/или отклонения диаметра входного пучка. Схему можно сделать менее чувствительной, расширив входной пучок.

Моделирование влияния смещений компонентов на профиль пучка с плоской вершиной

Конечно, наилучшие характеристики преобразования будут получены для идеально выровненной детали, расположенной точно в плоскости номинального рабочего расстояния. Чтобы проиллюстрировать чувствительность формирователя луча к различным параметрам допуска, Holo/Or приводят несколько графиков (рабочее расстояние 120 мм, длина волны 532 нм, диаметр входного пучка 10 мм).

Рисунок 4. Влияние смещения входного луча по оси x или оси y на профиль равномерного распределения интенсивности

Рисунок 5. Влияние расфокусировки пучка на профиль распределения интенсивности

Обратите внимание на различный вид профиля распределения интенсивности, когда он расположен слишком близко (красная кривая), слишком далеко (зеленая кривая). Однородность сменяется падением в обоих случаях, в то время как увеличенное рабочее расстояние приводит к появлению узких пиков на периферии пятна. Укороченное рабочее расстояние дает более плавный выход.

Рисунок 6. Влияние допуска размера входного луча на профиль распределения интенсивности

Интересно отметить схожесть с графиками на рисунке 5. Существует четкая параллель между большим размером луча и расфокусировкой. Эффект появления «собачьих ушей» прослеживается в обоих случаях.

Сравнение формирователя пучка и полихроматического формирователя пучка

Стандартный формирователь луча оптимизирован для определенной длины волны. Если в приложении используется полихроматический источник, то наиболее подходящим решением будет полихроматический формирователь интенсивности Holo/Or. В некоторых случаях это решение позволит сэкономить бюджет. Ниже приведена сводная таблица сравнения монохроматического и полихроматического формирователей пучка.

© Holo/Or

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holo/Or на территории РФ