Пространственные фильтры
Во многих приложениях, где используются лазерные технологии, неизбежными являются пространственные искажения лазерного пучка, которые оказывают непосредственное влияние на результат эксперимента. Во избежание подобных неточностей используют системы пространственной фильтрации – например, системы, с помощью которых можно получить чистый Гауссов пучок.
Рисунок 1. Система пространственной фильтрации
Входной Гауссов пучок обладает шумом с пространственной зависимостью. Когда пучок фокусируется асферической линзой, входной пучок преобразуется в центральное Гауссово пятно (на оптической оси) и боковые полосы, создающие шум (рис. 2). Круговое положение боковых полос пропорционально пространственной частоте шума.
Рисунок 2. Входной Гауссов пучок
При ориентировании отверстия на центральное Гауссово пятно, «чистый» сигнал проходит далее, шум при этом блокируется (рис. 3).
Рисунок 3. Чистый Гауссов пучок
Размер дифракционно-ограниченного пятна на 99% контура рассчитывается как:
где λ – длина волны, f – фокусное расстояние и r – радиус входного пучка на уровне интенсивности 1/e2.
Рекомендации по выбору оптики и отверстия к системам пространственной фильтрации
При выборе оптики и отверстия необходимо обратить внимание на входную длину волны, диаметр источника излучения и желаемый диаметр выходного пучка.
Например, если в эксперименте используется диодный лазер с длиной волны 650 нм, диаметр пучка 1.2 мм (1/е2), а после прохождения системы пространственной фильтрации выходной пучок должен обладать диаметром 4.4 мм, необходимо подобрать асферическую линзу, способную работать на указанной длине волны и обладающую чистой апертурой, достаточной для прохождения всего пучка.
Уравнение для расчета размера дифракционно-ограниченного пятна при вышеперечисленных параметрах для линзы с фокусным расстоянием f = 13.86 мм выглядит следующим образом:
Размер отверстия нужно подбирать, опираясь на размер дифракционно-ограниченного пятна D так, чтобы диаметр отверстия превышал диаметр пятна почти на 30 %. Если отверстие будет слишком маленьким, излучение сильно срежется, а если слишком большим, то помимо основного излучения пройдут сигналы других порядков. В данном примере диаметр отверстия в идеале должен быть равен 19.5 мкм. Параметры устройства можно изменять в соответствии с величиной перетяжки пучка. Не стоит забывать, что это приведет к необходимости регулировки диаметра входного пучка и фокусного расстояния линзы. Уменьшение диаметра входного пучка приведет к увеличению диаметра перетяжки пучка. Использование фокусирующего объектива с большим фокусным расстоянием также увеличит диаметр перетяжки пучка.
Наконец, необходимо подобрать правильные оптические компоненты в выходной части пространственного фильтра, чтобы коллимированное излучение отвечало требуемым величинам, то есть обладало диаметром 4.4 мм. Для определения правильного фокусного расстояния линзы, можно воспользоваться диаграммой, представленной рис. 4 (схема приведена не в масштабе). Из треугольника слева вычисляется угол, который для рассматриваемого примера равен 2.48o. Аналогично находится угол из правого треугольника, и затем вычисляется фокусное расстояние плоско-выпуклой линзы (в рассматриваемом примере – 50 мм).
Рисунок 4. Иллюстрация расширения пучка
Примечание: расширение пучка равно фокусному расстоянию выходной части, разделенному на фокусное расстояние входной части.
© Thorlabs Inc.
Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ
В статье приводится применение и основные параметры пикосекундных лазеров. Сравниваются лазеры Inngu Laser серии GXP с известными европейскими и американскими производителями.
г. Санкт-Петербург, улица Савушкина 83, корп. 3