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Perfilador de haz láser

Un perfilador de rayo láser.

Un perfilador de haz láser captura, muestra y registra el perfil de intensidad espacial de un haz láser en un plano particular transversal a la trayectoria de propagación del haz. Dado que existen muchos tipos de láseres ( ultravioleta , visible , infrarrojo , de onda continua , pulsado, de alta potencia, de baja potencia), existe una variedad de instrumentos para medir los perfiles de los rayos láser. Ningún perfilador de haz láser puede manejar todos los niveles de potencia, duración de pulso, frecuencia de repetición, longitud de onda y tamaño del haz.

Descripción general

Los instrumentos de perfilado por haz láser miden las siguientes cantidades:

Se desarrollaron instrumentos y técnicas para obtener las características del haz mencionadas anteriormente, entre las que se incluyen:

A partir de 2002 , los sistemas comerciales de medición de filo de cuchillo costaban entre 5.000 y 12.000 dólares estadounidenses y los perfiladores de haz CCD costaban entre 4.000 y 9.000 dólares estadounidenses. [1] El costo de los perfiladores de haz CCD ha disminuido en los últimos años, impulsado principalmente por los menores costos de los sensores CCD de silicio, y a partir de 2008 se pueden encontrar por menos de 1.000 dólares estadounidenses.

Aplicaciones

Las aplicaciones del perfilado por haz láser incluyen:

Medidas

Ancho del haz

El ancho del haz es la característica más importante de un perfil de haz láser. Se utilizan comúnmente al menos cinco definiciones de ancho de haz: D4σ, filo de cuchillo 10/90 o 20/80, 1/e 2 , FWHM y D86. El ancho de haz D4σ es la definición estándar ISO y la medición del parámetro de calidad del haz M 2 requiere la medición de los anchos D4σ. [2] [3] [4] Las otras definiciones proporcionan información complementaria al D4σ y se utilizan en diferentes circunstancias. La elección de la definición puede tener un gran efecto en el número de ancho de haz obtenido, y es importante utilizar el método correcto para cualquier aplicación dada. [5] Los anchos D4σ y filo de cuchillo son sensibles al ruido de fondo en el detector, mientras que los anchos 1/e 2 y FWHM no lo son. La fracción de la potencia total del haz abarcada por el ancho del haz depende de la definición que se utilice.

Calidad del haz

Parámetro de calidad del haz, M2

El parámetro M2 es una medida de la calidad del haz; un valor bajo de M2 ​​indica una buena calidad del haz y la capacidad de enfocarse en un punto estrecho. El valor M es igual a la relación entre el ángulo de divergencia del haz y el de un haz gaussiano con el mismo ancho de cintura D4σ . Dado que el haz gaussiano diverge más lentamente que cualquier otra forma de haz, el parámetro M2 siempre es mayor o igual a uno. En el pasado se han utilizado otras definiciones de calidad del haz, pero la que utiliza anchos de segundo momento es la más comúnmente aceptada. [6]

La calidad del haz es importante en muchas aplicaciones. En las comunicaciones por fibra óptica, se requieren haces con un M 2 cercano a 1 para acoplarse a la fibra óptica monomodo . Los talleres de máquinas láser se preocupan mucho por el parámetro M 2 de sus láseres porque los haces se enfocarán en un área que es M 4 veces más grande que la de un haz gaussiano con la misma longitud de onda y ancho de cintura D4σ antes de enfocar; en otras palabras, la fluencia se escala como 1/M 4 . La regla general es que M 2 aumenta a medida que aumenta la potencia del láser. Es difícil obtener una excelente calidad del haz y una alta potencia promedio (100 W a kWs) debido al efecto de lente térmica en el medio de ganancia del láser .

El parámetro M 2 se determina experimentalmente de la siguiente manera: [2]

  1. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales cerca de la cintura de la viga (la ubicación donde la viga es más angosta).
  2. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales al menos a una longitud de Rayleigh de la cintura.
  3. Ajuste los 10 puntos de datos medidos a , [7] donde es el segundo momento de la distribución en la dirección x o y (ver sección sobre el ancho de la viga D4σ), y es la ubicación de la cintura de la viga con un ancho de segundo momento de . Ajustando los 10 puntos de datos se obtiene M 2 , , y . Siegman demostró que todos los perfiles de viga (gaussianos, de parte superior plana , TEM XY o de cualquier forma) deben seguir la ecuación anterior siempre que el radio de la viga utilice la definición D4σ del ancho de la viga. El uso del filo de cuchillo 10/90, el D86 o los anchos FWHM no funcionan.

Perfilado completo del haz del campo E

Los perfiladores de haz miden la intensidad, |campo E| 2 , del perfil del haz láser, pero no proporcionan información sobre la fase del campo E. Para caracterizar completamente el campo E en un plano determinado, se deben conocer tanto los perfiles de fase como de amplitud. Las partes reales e imaginarias del campo eléctrico se pueden caracterizar utilizando dos perfiladores de haz CCD que muestrean el haz en dos planos de propagación separados, con la aplicación de un algoritmo de recuperación de fase a los datos capturados. El beneficio de caracterizar completamente el campo E en un plano es que el perfil del campo E se puede calcular para cualquier otro plano con teoría de difracción.

Definición de calidad del haz según Strehl o potencia en el balde

El parámetro M 2 no es la historia completa para especificar la calidad del haz. Un M 2 bajo solo implica que el segundo momento del perfil del haz se expande lentamente. Sin embargo, dos haces con el mismo M 2 pueden no tener la misma fracción de potencia entregada en un área dada. La potencia en el cubo y la relación de Strehl son dos intentos de definir la calidad del haz como una función de cuánta potencia se entrega a un área dada. Desafortunadamente, no hay un tamaño de cubo estándar (ancho D86, ancho de haz gaussiano, nulos de disco de Airy, etc.) o forma de cubo (circular, rectangular, etc.) y no hay un haz estándar para comparar para la relación de Strehl. Por lo tanto, estas definiciones siempre deben especificarse antes de dar un número y presenta mucha dificultad cuando se intenta comparar láseres. Tampoco hay una conversión simple entre M 2 , potencia en el cubo y relación de Strehl. La relación de Strehl, por ejemplo, se ha definido como la relación de las intensidades focales pico en las funciones de dispersión de puntos aberrados e ideales . En otros casos, se ha definido como la relación entre la intensidad máxima de una imagen dividida por la intensidad máxima de una imagen limitada por difracción con el mismo flujo total . [8] [9] Dado que hay muchas formas en que se han definido la potencia en el balde y la relación de Strehl en la literatura, la recomendación es seguir con la definición M 2 del estándar ISO para el parámetro de calidad del haz y tener en cuenta que una relación de Strehl de 0,8, por ejemplo, no significa nada a menos que la relación de Strehl esté acompañada de una definición.

Divergencia del haz

La divergencia del haz de un haz láser es una medida de la velocidad a la que el haz se expande a partir de la cintura del haz. Normalmente se define como la derivada del radio del haz con respecto a la posición axial en el campo lejano, es decir, a una distancia desde la cintura del haz que es mucho mayor que la longitud de Rayleigh. Esta definición produce un semiángulo de divergencia. (A veces, en la literatura se utilizan ángulos completos; estos son el doble de grandes). Para un haz gaussiano limitado por difracción, la divergencia del haz es λ/(πw 0 ), donde λ es la longitud de onda (en el medio) y w 0 el radio del haz (radio con intensidad 1/e 2 ) en la cintura del haz. Una gran divergencia del haz para un radio de haz dado corresponde a una mala calidad del haz. Una baja divergencia del haz puede ser importante para aplicaciones como el apuntamiento o las comunicaciones ópticas en espacio libre . Los haces con una divergencia muy pequeña, es decir, con un radio del haz aproximadamente constante a lo largo de distancias de propagación significativas, se denominan haces colimados . Para medir la divergencia del haz, normalmente se mide el radio del haz en diferentes posiciones, utilizando, por ejemplo, un perfilador de haz. También es posible derivar la divergencia del haz a partir del perfil de amplitud complejo del haz en un solo plano: las transformadas espaciales de Fourier proporcionan la distribución de frecuencias espaciales transversales , que están directamente relacionadas con los ángulos de propagación. Consulte la nota de aplicación del Cuerpo de Láser de los EE. UU. [10] para obtener un tutorial sobre cómo medir la divergencia del haz láser con una lente y una cámara CCD.

Astigmatismo de haz

El astigmatismo en un rayo láser se produce cuando las secciones transversales horizontales y verticales del rayo se enfocan en diferentes lugares a lo largo de la trayectoria del rayo. El astigmatismo se puede corregir con un par de lentes cilíndricas . La métrica del astigmatismo es la potencia de la lente cilíndrica necesaria para unir los focos de las secciones transversales horizontales y verticales. El astigmatismo es causado por:

El astigmatismo se puede caracterizar fácilmente mediante un perfilador de haz CCD observando dónde se producen los desvíos del haz x e y a medida que el perfilador se traslada a lo largo de la trayectoria del haz.

Desplazamiento o fluctuación del haz

Cada rayo láser se desplaza y vibra, aunque sea en pequeña medida. El típico montaje cinemático de inclinación y desvío se desplaza alrededor de 100 μrad por día en un entorno de laboratorio ( aislamiento de vibraciones mediante una mesa óptica , temperatura y presión constantes y sin luz solar que provoque que las piezas se calienten). Un rayo láser que incida sobre este espejo se trasladará 100 m a una distancia de 1000 km. Esto podría marcar la diferencia entre impactar o no a un satélite de comunicaciones desde la Tierra. Por lo tanto, existe un gran interés en caracterizar el desplazamiento (escala de tiempo lenta) o el jitter (escala de tiempo rápida) del rayo láser. El desplazamiento y el jitter del rayo se pueden medir rastreando el centroide o el pico del rayo en un perfilador de rayos CCD. La velocidad de cuadros del CCD es típicamente de 30 cuadros por segundo y, por lo tanto, puede capturar el jitter del rayo que es más lento que 30 Hz; no puede ver vibraciones rápidas debido a la voz de una persona, el zumbido del motor del ventilador de 60 Hz u otras fuentes de vibraciones rápidas. Afortunadamente, esto no suele ser una gran preocupación para la mayoría de los sistemas láser de laboratorio y las velocidades de cuadro de los CCD son lo suficientemente rápidas como para capturar la desviación del haz en el ancho de banda que contiene la mayor potencia de ruido. Una medición típica de la desviación del haz implica el seguimiento del centroide del haz durante varios minutos. La desviación cuadrática media de los datos del centroide proporciona una imagen clara de la estabilidad de la orientación del haz láser. El tiempo de integración de la medición de la fluctuación del haz siempre debe acompañar al valor cuadrático medio calculado. Aunque la resolución de píxeles de una cámara puede ser de varios micrómetros, se alcanza una resolución de centroide de subpíxeles (posiblemente de decenas de nanómetros) cuando la relación señal-ruido es buena y el haz llena la mayor parte del área activa del CCD. [11]

La desviación del haz es causada por:

Representación errónea de las mediciones del perfilador de haz para sistemas láser

A la mayoría de los fabricantes de láser les conviene presentar las especificaciones de forma que muestren su producto de la mejor manera, incluso si esto implica engañar al cliente. Las especificaciones de rendimiento del láser se pueden aclarar planteando preguntas como las siguientes:

Técnicas

Los perfiladores de haz generalmente se dividen en dos clases: la primera utiliza un fotodetector simple detrás de una abertura que se escanea sobre el haz. La segunda clase utiliza una cámara para obtener imágenes del haz. [12]

Técnicas de escaneo de apertura

Las técnicas de apertura de escaneo más comunes son la técnica de filo de cuchilla y el perfilador de ranura de escaneo. La primera corta el haz con una cuchilla y mide la potencia transmitida a medida que la cuchilla corta a través del haz. La intensidad medida en función de la posición de la cuchilla produce una curva que es la intensidad del haz integrada en una dirección. Al medir la curva de intensidad en varias direcciones, el perfil del haz original se puede reconstruir utilizando algoritmos desarrollados para tomografía de rayos X. El instrumento de medición se basa en múltiples filos de cuchilla de alta precisión, cada uno de ellos desplegado en un tambor giratorio y con un ángulo diferente con respecto a la orientación del haz. El haz escaneado se reconstruye luego utilizando algoritmos tomográficos y proporciona gráficos de distribución de energía de alta resolución en 2D o 3D. Debido a la técnica de escaneo especial, el sistema se acerca automáticamente al tamaño del haz actual, lo que permite mediciones de alta resolución de haces submicrónicos, así como haces relativamente grandes de 10 o más milímetros. Para obtener mediciones de varias longitudes de onda, se utilizan diferentes detectores para permitir mediciones de haz láser desde UV profundo hasta IR lejano. A diferencia de otros sistemas basados ​​en cámaras, esta tecnología también proporciona una medición precisa de la potencia en tiempo real. Los perfiladores de ranura de escaneo utilizan una ranura estrecha en lugar de un solo borde de cuchilla. En este caso, la intensidad se integra sobre el ancho de la ranura. La medición resultante es equivalente a la sección transversal original convolucionada con el perfil de la ranura.

Esta fusión entre la tecnología de vanguardia y los algoritmos tomográficos crea un nuevo campo de creación de perfiles de haz: la CKET (tomografía computarizada de vanguardia). Esto crea la capacidad de realizar mediciones precisas desde un micrón hasta más de 10 milímetros con una resolución adaptable en un amplio rango de espectro; prácticamente, si existe un detector de superficie única para una determinada región de longitud de onda, entonces, utilizando esta tecnología, se podría derivar un perfil similar a una imagen. [13]

Estas técnicas pueden medir tamaños de puntos muy pequeños, de hasta 1 μm, y pueden utilizarse para medir directamente haces de alta potencia. No ofrecen una lectura continua, aunque se pueden lograr tasas de repetición de hasta veinte hercios. Además, los perfiles dan intensidades integradas en las direcciones x e y y no el perfil espacial 2D real (las intensidades de integración pueden ser difíciles de interpretar para perfiles de haz complicados). Por lo general, no funcionan para fuentes láser pulsadas, debido a la complejidad adicional de sincronizar el movimiento de la apertura y los pulsos láser. [14]

Técnica de cámara CCD

La técnica de la cámara CCD es sencilla: se atenúa y se proyecta un láser sobre un CCD y se mide el perfil del haz directamente. Por este motivo, la técnica de la cámara es el método más popular para el perfilado del haz láser. Las cámaras más populares que se utilizan son las CCD de silicio, que tienen diámetros de sensor que varían hasta 25 mm (1 pulgada) y tamaños de píxel de hasta unos pocos micrómetros. Estas cámaras también son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda, desde el ultravioleta profundo , 200 nm, hasta el infrarrojo cercano , 1100 nm; este rango de longitudes de onda abarca una amplia gama de medios de ganancia láser. Las ventajas de la técnica de la cámara CCD son:

Las desventajas de la técnica de la cámara CCD son:

Resta de línea base para mediciones de ancho D4σ

El ancho D4σ es sensible a la energía del haz o al ruido en la cola del pulso porque los píxeles que están lejos del centroide del haz contribuyen al ancho D4σ como la distancia al cuadrado. Para reducir el error en la estimación del ancho D4σ, los valores de los píxeles de referencia se restan de la señal medida. Los valores de referencia para los píxeles se miden registrando los valores de los píxeles CCD sin luz incidente. El valor finito se debe a la corriente oscura , el ruido de lectura y otras fuentes de ruido. Para las fuentes de ruido limitadas por ruido de disparo , la resta de la línea base mejora la estimación del ancho D4σ como , donde es el número de píxeles en las alas. Sin la resta de la línea base, el ancho D4σ se sobreestima.

Promedio para obtener mejores mediciones

El promedio de imágenes CCD consecutivas produce un perfil más limpio y elimina tanto el ruido del sensor CCD como las fluctuaciones de intensidad del haz láser. La relación señal-ruido (SNR) de un píxel para un perfil de haz se define como el valor medio del píxel dividido por su valor cuadrático medio (RMS). La SNR mejora como la raíz cuadrada del número de fotogramas capturados para los procesos de ruido de disparo: ruido de corriente oscura, ruido de lectura y ruido de detección de Poisson . Por lo tanto, por ejemplo, aumentar el número de promedios por un factor de 100 suaviza el perfil del haz por un factor de 10.

Técnicas de atenuación

Dado que los sensores CCD son muy sensibles, casi siempre se necesita atenuación para crear un perfil de haz adecuado. Por ejemplo, una atenuación de 40 dB ( ND 4 o 10 −4 ) es típica para un láser HeNe de milivatios . La atenuación adecuada tiene las siguientes propiedades:

Para el perfilado del haz láser con sensores CCD, normalmente se utilizan dos tipos de atenuadores: filtros de densidad neutra y cuñas o planos ópticos gruesos.

Filtros de densidad neutra

Los filtros de densidad neutra (ND) vienen en dos tipos: absorbentes y reflectantes.

Los filtros absorbentes suelen estar hechos de vidrio tintado. Son útiles para aplicaciones de menor potencia que involucran hasta aproximadamente 100 mW de potencia promedio. Por encima de esos niveles de potencia, puede producirse un efecto de lente térmica, que provoca un cambio en el tamaño del haz o una deformación, debido a la baja conductividad térmica del sustrato (normalmente un vidrio). Una potencia mayor puede provocar la fusión o el agrietamiento. Los valores de atenuación de los filtros absorbentes suelen ser válidos para el espectro visible (500–800 nm) y no son válidos fuera de esa región espectral. Algunos filtros se pueden pedir y calibrar para longitudes de onda de infrarrojo cercano, hasta el borde de absorción de longitud de onda larga del sustrato (alrededor de 2,2 μm para vidrios). Por lo general, se puede esperar una variación de aproximadamente el 5-10% de la atenuación en un filtro ND de 2 pulgadas (51 mm), a menos que se especifique lo contrario al fabricante. Los valores de atenuación de los filtros ND se especifican de forma logarítmica. Un filtro ND 3 transmite 10 −3 de la potencia del haz incidente. Colocar el atenuador más grande al final, antes del sensor CCD, dará como resultado el mejor rechazo de imágenes fantasma debido a múltiples reflejos.

Los filtros reflectantes están hechos con un revestimiento metálico fino y, por lo tanto, funcionan en un ancho de banda mayor. Un filtro metálico ND 3 será bueno en 200–2000 nm. La atenuación aumentará rápidamente fuera de esta región espectral debido a la absorción en el sustrato de vidrio. Estos filtros reflejan en lugar de absorber la potencia incidente y, por lo tanto, pueden manejar potencias promedio de entrada más altas. Sin embargo, son menos adecuados para las altas potencias de pico de los láseres pulsados. Estos filtros funcionan bien con una potencia promedio de aproximadamente 5 W (sobre un área de iluminación de aproximadamente 1 cm2 ) antes de que el calentamiento haga que se agrieten. Dado que estos filtros reflejan la luz, se debe tener cuidado al apilar varios filtros ND, ya que múltiples reflexiones entre los filtros causarán una imagen fantasma que interfiera con el perfil del haz original. Una forma de mitigar este problema es inclinando la pila de filtros ND. Suponiendo que la absorción del filtro ND metálico es insignificante, el orden de la pila de filtros ND no importa, como lo hace para los filtros absorbentes.

Muestreador de haz difractivo

Los muestreadores de haz difractivo se utilizan para monitorear láseres de alta potencia donde las pérdidas ópticas y las distorsiones del frente de onda del haz transmitido deben mantenerse al mínimo. En la mayoría de las aplicaciones, la mayor parte de la luz incidente debe continuar hacia adelante, "sin afectar", en el "orden difractado de orden cero", mientras que una pequeña cantidad del haz se difracta en un orden difractivo superior, lo que proporciona una "muestra" del haz. Al dirigir la luz muestreada en el orden o los órdenes superiores hacia un detector, es posible monitorear, en tiempo real, no solo los niveles de potencia de un haz láser, sino también su perfil y otras características del láser.

Cuñas ópticas

Las cuñas ópticas y los reflejos de superficies de vidrio óptico sin revestimiento se utilizan para atenuar los rayos láser de alta potencia. Alrededor del 4 % se refleja desde la interfaz aire/vidrio y se pueden utilizar varias cuñas para atenuar en gran medida el rayo a niveles que se pueden atenuar con filtros ND. El ángulo de la cuña se selecciona normalmente de modo que el segundo reflejo de la superficie no golpee el área activa del CCD y que no se vean franjas de interferencia. Cuanto más lejos esté el CCD de la cuña, menor será el ángulo necesario. Las cuñas tienen la desventaja de trasladar y doblar la dirección del rayo: las trayectorias ya no se encontrarán en coordenadas rectangulares convenientes. En lugar de utilizar una cuña, también puede funcionar una placa de vidrio grueso de calidad óptica inclinada hacia el rayo; de hecho, esto es lo mismo que una cuña con un ángulo de 0°. El vidrio grueso trasladará el rayo, pero no cambiará el ángulo del rayo de salida. El vidrio debe ser lo suficientemente grueso para que el haz no se superponga consigo mismo y produzca franjas de interferencia y, si es posible, que la reflexión secundaria no ilumine el área activa del CCD. La reflexión de Fresnel de un haz desde una placa de vidrio es diferente para las polarizaciones s y p (s es paralela a la superficie del vidrio y p es perpendicular a s) y cambia en función del ángulo de incidencia; tenga esto en cuenta si espera que las dos polarizaciones tengan diferentes perfiles de haz. Para evitar la distorsión del perfil del haz, el vidrio debe ser de calidad óptica: planitud de la superficie de λ/10 (λ=633 nm) y rayado de 40-20 o mejor. Una placa de media onda seguida de un divisor de haz polarizador forma un atenuador variable y esta combinación se utiliza a menudo en sistemas ópticos. El atenuador variable fabricado de esta manera no se recomienda para la atenuación en aplicaciones de perfilado de haz porque: (1) el perfil del haz en las dos polarizaciones ortogonales puede ser diferente, (2) el cubo del haz de polarización puede tener un valor de umbral de daño óptico bajo y (3) el haz puede distorsionarse en polarizadores cúbicos con una atenuación muy alta. Los polarizadores cúbicos económicos se forman pegando dos prismas en ángulo recto. El pegamento no resiste bien a altas potencias; la intensidad debe mantenerse por debajo de los 500 mW/mm2 . Se recomiendan polarizadores de un solo elemento para altas potencias.

Tamaño óptimo del haz en el detector CCD

Existen dos requisitos en competencia que determinan el tamaño óptimo del haz en el detector CCD. Uno de ellos es que toda la energía (o la mayor parte posible) del haz láser incida sobre el sensor CCD. Esto implicaría que deberíamos concentrar toda la energía en el centro de la región activa en un punto tan pequeño como sea posible utilizando solo unos pocos de los píxeles centrales para asegurar que las colas del haz sean capturadas por los píxeles exteriores. Este es un extremo. El segundo requisito es que necesitamos muestrear adecuadamente la forma del perfil del haz. Como regla general, queremos al menos 10 píxeles en el área que abarca la mayor parte, digamos el 80%, de la energía en el haz. Por lo tanto, no hay una regla estricta para seleccionar el tamaño óptimo del haz. Siempre que el sensor CCD capture más del 90% de la energía del haz y tenga al menos 10 píxeles en su ancho, las mediciones del ancho del haz tendrán cierta precisión.

Tamaño de píxel y número de píxeles

Cuanto mayor sea el sensor CCD, mayor será el tamaño del haz que se puede perfilar. A veces, esto se produce a costa de tamaños de píxeles mayores. Se desean tamaños de píxeles pequeños para observar haces enfocados. Un CCD con muchos megapíxeles no siempre es mejor que una matriz más pequeña, ya que los tiempos de lectura en la computadora pueden ser incómodamente largos. La lectura de la matriz en tiempo real es esencial para cualquier ajuste u optimización del perfil del láser.

Perfilador de haz de campo lejano

Un perfilador de haz de campo lejano no es más que el perfilado del haz en el foco de una lente. Este plano a veces se denomina plano de Fourier y es el perfil que se vería si el haz se propagara muy lejos. El haz en el plano de Fourier es la transformada de Fourier del campo de entrada. Se debe tener cuidado al configurar una medición de campo lejano. El tamaño del punto enfocado debe ser lo suficientemente grande como para abarcar varios píxeles. El tamaño del punto es aproximadamente f λ/ D , donde f es la longitud focal de la lente, λ es la longitud de onda de la luz y D es el diámetro del haz colimado que incide sobre la lente. Por ejemplo, un láser de helio-neón (633 nm) con un diámetro de haz de 1 mm se enfocaría en un punto de 317 μm con una lente de 500 mm. Un perfilador de haz láser con un tamaño de píxel de 5,6 μm muestrearía adecuadamente el punto en 56 ubicaciones.

Aplicaciones especiales

Los costos prohibitivos de los perfiladores de haz láser CCD del pasado han dado paso a perfiladores de haz de bajo costo. Los perfiladores de haz de bajo costo han abierto una serie de nuevas aplicaciones: reemplazo de iris para una alineación superprecisa y monitoreo simultáneo de múltiples puertos de sistemas láser.

Reemplazo de iris con precisión de alineación de microradianes

En el pasado, la alineación de los rayos láser se hacía con iris. Dos iris definían de forma única una trayectoria del rayo; cuanto más separados estuvieran los iris y más pequeños los agujeros del iris, mejor se definía la trayectoria. La apertura más pequeña que puede definir un iris es de unos 0,8 mm. En comparación, el centroide de un rayo láser se puede determinar con una precisión submicrométrica con un perfilador de rayos láser. El tamaño de apertura efectiva del perfilador de rayos láser es tres órdenes de magnitud menor que el de un iris. En consecuencia, la capacidad de definir una trayectoria óptica es 1000 veces mejor cuando se utilizan perfiladores de rayos en lugar de iris. Las aplicaciones que necesitan precisiones de alineación de microradianes incluyen comunicaciones tierra-espacio, ladar tierra-espacio, alineación de oscilador maestro a oscilador de potencia y amplificadores de múltiples pasadas .

Monitoreo simultáneo de múltiples puertos del sistema láser

Los sistemas láser experimentales se benefician del uso de múltiples perfiladores de haz láser para caracterizar el haz de bombeo , el haz de salida y la forma del haz en ubicaciones intermedias en el sistema láser, por ejemplo, después de un modelocker de lente Kerr. Los cambios en el perfil del haz del láser de bombeo indican el estado del láser de bombeo, qué modos láser se excitan en el cristal de ganancia y también determinan si el láser se calienta al ubicar el centroide del haz en relación con la placa de pruebas . El perfil del haz de salida a menudo es una función importante de la potencia de bombeo debido a los efectos termoópticos en el medio de ganancia.

Véase también

Referencias

  1. ^ R. Bolton, "Revise su rayo láser", Photonics Spectra , junio de 2002. Tabla 1.
  2. ^ ab ISO 11146-1:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con el láser. Métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz. Parte 1: Haces estigmáticos y astigmáticos simples".
  3. ^ ISO 11146-2:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con el láser. Métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz. Parte 2: Haces astigmáticos generales".
  4. ^ ISO 11146-1:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con el láser. Métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz. Parte 3: Clasificación intrínseca y geométrica del haz láser, propagación y detalles de los métodos de ensayo".
  5. ^ Ankron. "Definición estándar del ancho de haz", Nota técnica, 13 de septiembre de 2008,
  6. ^ AE Siegman, "Cómo (tal vez) medir la calidad del rayo láser", presentación tutorial en la Reunión Anual de la Sociedad Óptica de América, Long Beach, California, octubre de 1997.
  7. ^ AE Siegman, "Cómo (tal vez) medir la calidad del rayo láser", presentación tutorial en la Reunión Anual de la Sociedad Óptica de América, Long Beach, California, octubre de 1997, pág. 9.
  8. ^ M. Born y E. Wolf, Principios de óptica : teoría electromagnética de la propagación, interferencia y difracción de la luz , 6.ª edición, Cambridge University Press, 1997.
  9. ^ Medidor Strehl Observatorio WM Keck.
  10. ^ Nota de aplicación del Cuerpo de Láser de EE. UU. sobre medición de la divergencia del haz láser
  11. ^ Ankron. "Nota técnica 5: Cómo medir la vibración del haz con precisión nanométrica utilizando un sensor CCD con un tamaño de píxel de 5,6 μm".
  12. ^ Aharon. "Perfilado y medición de rayos láser"
  13. ^ Aharon, Oren (diciembre de 2021). "La tomografía y los láseres se encuentran en el filo de la navaja: los perfiladores de haz tomográficos impulsan las mediciones láser industriales con una precisión revolucionaria en un amplio espectro de láseres". PhotonicsViews . 18 (6): 50–53. doi :10.1002/phvs.202100064. ISSN  2626-1294. S2CID  243464490.
  14. ^ Aharon. "Análisis de rayos de alta potencia"
  15. ^ ab G. Langer et al., "Una cámara web en modo Bayer como perfilador de haz de luz para el infrarrojo cercano", Óptica y láseres en ingeniería , 51 (2013) 571–575.
  16. ^ Aharon. "Análisis de haz de banda espectral amplia"
  17. ^ Aharon. "Sistema de metrología para la inter-alineación de láseres, telescopios y puntos de referencia mecánicos"