Kuvio 1: Kokeellisesti mitattujen Gaussin säteiden (vasen) ja ylähattupalkkien (oikea) voimakkuusjakauma.
Useimmissa lasersäteissä on Gaussin intensiteettijakaumat; Joissakin sovelluksissa voi kuitenkin olla hyödyllisempää käyttää muita kuin Gaussin palkkeja. Gaussin säteellä on intensiteetin jakautumisen poikkileikkaus, joka pienenee symmetrisesti kasvaessa etäisyydestä keskustasta. Sitä vastoin yläsauha ylläpitää vakiointensiteetin jakautumista poikkileikkauksen ajan, mikä mahdollistaa kohteen jatkuvan säteilytyksen voimakkuuden käsittelyn aikana (katso kuva 1). Seurauksena voidaan saavuttaa tarkempia ja ennustettavissa olevia tuloksia, kuten puolijohdekiekkojen käsittely, muiden materiaalien käsittely ja epälineaarisen taajuuden muuntaminen suuritehoisille lasereille.
Ylähattupalkit tuottavat puhtaampia leikkauksia ja terävämpiä reunoja kuin Gaussin palkit, mutta ylimmän hattupalkkien tuottaminen lisää järjestelmän lisäkustannuksia ja monimutkaisuutta. Ylähattupalkkien ja niiden luomismenetelmien ymmärtäminen voi auttaa laserjärjestelmän integraattoreita valitsemaan oikean tyyppisen lasersäteen niiden tyyppiin.
Gaussin palkkien ominaisuudet
Gaussin laserit ovat yleisempiä ja kustannustehokkaampia kuin muut laserlähteiden säteen tyypit. Useimmat korkealaatuiset, yksimoodiset laserit säteilevät säteen, joka seuraa matalan asteen Gaussin säteilyprofiilia, joka tunnetaan myös nimellä TEM 00 -tila. Pienemmissä laatulähteissä on myös jonkin verran muita läsnä olevia lasermuotoja, mutta yleensä oletetaan, että laserilla on toivottu Gaussin profiili järjestelmän mallinnuksen yksinkertaistamiseksi.
Jos Gaussin palkkilla on sama keskimääräinen optinen voima kuin ylimmän hattupalkin, Gaussin säteen huippuhejaus on kaksi kertaa ylimmän hattupalkin. Kun Gaussin säde etenee optisen järjestelmän kautta, se ylläpitää Gaussin säteilyprofiilin jakautumista, vaikka huipun voimakkuus tai säteen koko muuttuu. Tämä tarkoittaa, että Gaussin säde pysyy vakiona, kun se etenee.
Mitkä ovat Gaussin palkkien ongelmat?
Gaussin palkeilla on haittoja. Sovelluksissa, joissa käytetään säteen voimakasta osaa keskustassa, palkin matalan voimakkuuden osa molemmin puolin (ns. "Siipi") hukkaan usein, koska laserintensiteetti on korkeampi kuin sovellukseen tarvittava kynnysarvo riippumatta siitä, onko kyse materiaalinkäsittelystä, laserleikkauksesta tai muista sovelluksista.
Lisäksi Gaussin säteen siivet voivat myös vahingoittaa alueita kohdevyöhykkeen ulkopuolella, laajentaen siten lämmönvaikutteinen vyöhyke. Tämä on haitallista sovelluksille, kuten laserleikkaus ja tarkkuusmateriaalin käsittely, joissa priorisoidaan korkea tarkkuus ja minimaaliset lämpöä koskevat vyöhykkeet. Seurauksena on, että Gaussin palkeilla jalostetuilla materiaaleilla ei ole erityisen sileitä reunoja, mikä vähentää järjestelmän tarkkuutta.
Miksi käyttää ylimmän hattupalkkeja?
Gaussin säteisiin verrattuna ylimmän hatun säteilyprofiileilla ei ole siivekäs leikkeitä, ja niissä on jyrkempiä reunansiirtymiä, mikä johtaa tehokkaampaan intensiteetin siirtoon ja pienempiin lämmön vaikuttaviin vyöhykkeisiin. [2] Etsaus, hitsaus tai leikkaaminen yläreunan säteen kanssa on tarkempi ja vähemmän vahingollisia ympäröivälle alueelle.
Kuva.
Tämä ylimmän hattupalkkien etu tekee niistä sopivia moniin erilaisiin tilanteisiin. Laserin aiheuttamassa vauriokynnys- (LIDT) testauksessa ja muissa metrologiajärjestelmissä ylimmän hattusäteiden tasainen intensiteetin jakautuminen minimoi mittaus epävarmuuden ja tilastollisen varianssin. Huipputason palkit ovat edullisia myös fluoresenssimikroskopia-, holografia- ja interferometriajärjestelmissä.
Yksi tapa arvioida, onko todellinen lasersäde lähellä täydellistä ylimmän hatun säteen, on analysoida sen tasaisuuskerroin (Fη), joka lasketaan jakamalla keskimääräinen säteilyarvo palkin maksimaalisen säteilyarvolla, kuten ISO 13694 -standardissa on kuvattu.
Mitkä ovat hattupalkkien haitat?
Ylähattupalkki ei sovellu kaikkiin sovelluksiin. Se ei ole yhtä kustannustehokas kuin Gaussin palkki, koska Gaussin säteen muotoiluun ylähattupalkkiin tarvitaan ylimääräinen säteen muotoilukomponentti. Tämä komponentti voidaan joko rakentaa suoraan laserlähteeseen tai käyttää laserin ulkopuolella olevassa järjestelmässä. Nämä säteen muotoilukomponentit riippuvat syöttöpalkin koosta ja ovat herkkiä XY -tason kohdistamiselle. Lisäksi, toisin kuin Gaussin palkit, ylimmän hattupalkit eivät pysy vakiona etenemisen aikana. Tämä tarkoittaa, että tapahtuva hattupalkki ei säilytä ylimmän hattumuodonsa, kun se kulkee järjestelmän läpi, ja lopulta kehittyy muistuttamaan ilmavaa spot -jakautumista.
Kuinka ylähattupalkki toteutetaan?
Jos ylhäällä olevaa hattupalkkia toivotaan, mutta järjestelmän kustannukset ovat hyvin rajalliset ja suorituskyvyn ei tarvitse olla kovin korkeaa, Gaussin säde voidaan fyysisesti katkaista pienellä aukolla pseudo-top-hattuprofiilin luomiseksi. Tämä menetelmä katkaisee ja tuhlaa energiaa Gaussin säteen molemmista siipistä eikä edes katoa voimakkuuden jakautumisesta säteen keskellä. Tämä menetelmä voi olla hyödyllinen, jos alhaisten kustannusten ylläpitäminen on tärkeä tekijä.
Suorituskykyisissä järjestelmissä, jotka vaativat laserenergian tehokasta käyttöä, säteen muotoilukomponentteja voidaan käyttää Gaussin säteen muotoiluun yläreunaan. Säteen muotoilukomponentteja on useita erityyppisiä, mukaan lukien taite-, heijastavat, holografiset ja diffraktiiviset laitteet. Taitepalkin muotoilulaitteet käyttävät kenttäkarkotettuja asfäärisiä tai vapaamuotoisia linssejä ja muita taitekomponentteja säteen vaiheen moduloimiseksi (katso kuva 2). Etu on tasainen voimakkuusjakauma ja tasaisen vaiheen etuosa. Tulevaisuuden säteen amplitudi ja vaihe moduloivat optiset elementit Galilean tai Keplerian linssikokoonpanossa. Tämä prosessi on tyypillisesti erittäin tehokas (yli 96%) ja aallonpituuden riippumaton laitesuunnittelualueella. Taitepalkin muotoiset tuottavat kollimoidut, ylimmän vihanpalkit, jotka soveltuvat erityisen hyvin sovelluksiin, jotka toimivat pitkillä etäisyyksillä, kuten holografinen kuvantamis- ja mikroskopiajärjestelmät.
Kuva 2: Gaussin säteen muotoileminen ylähattupalkkiin käyttämällä Adloptica πshaperin hattupalkin muotoilua Edmund -optiikan adlopticsista, joka perustuu toimintaperiaatteisiin, kuten aaltofrontin poikkeavuuksiin ja energiansäästöolosuhteisiin.
Muun tyyppiset taitepalkin muotoiset muotoilut, jotka muotoilevat Gaussin palkin lähes suoraa ilmavaa pistettä. Tämän etuna on, että ilmava piste, kun se on keskittynyt diffraktiorajalla olevaan linssijoukkoon, muodostaa tarkennuspisteen ylimmän hattuprofiilin kanssa. Monissa sovelluksissa, kuten mikromakkeella, litografialla ja mikroladolla, tarkennuspiste vaatii ylimmän hattuprofiilin.
Toisaalta diffraktiiviset säteen muotoilut hyödyntävät diffraktiota tai taittuen sijasta muuttamaan tulevan lasersäteen intensiteetin jakautumista. Erityiset mikro- ja nanorakenteet valmistetaan substraatilla etsausprosessin avulla diffraktiivisten elementtien muodostamiseksi. Diffraktiivisen elementin vaikutus ja aallonpituusalue riippuu yleensä rakenteen korkeudesta ja alueen etäisyydestä. Siksi diffraktiivisia optisia elementtejä on käytettävä suunniteltuun aallonpituusalueella suorituskykyvirheiden välttämiseksi.
Diffraktiiviset säteen muotoiset ovat herkempiä divergenssikulmalle, kohdistamiselle ja säteen sijainnille kuin taitepalkin muotoilut. Diffraktiivisilla säteen muotoilla on kuitenkin tietty etu avaruusrajoitetuissa laserjärjestelmissä, koska ne koostuvat yleensä yhdestä diffraktiivisesta elementistä useiden taitekerrointen sijasta ja voivat muodostaa sekä ylimmän hattupalkkien että ilmavien pisteiden.
Lasersäteen integraattorit tai homogenisaattorit ovat toisen tyyppisiä säteen muotoilukomponentteja. Ne koostuvat joukosta pieniä linssejä, jotka erottavat tulevan valon pienempiin palkeihin. Fokusoiva linssi asettaa sitten pienemmät palkit kohdetasolle. Lopullinen lähtöpalkki on jokaisen pienen linssin tuottamien diffraktiokuvioiden summa taulukossa. Ne voivat muotoilla tapahtuvan Gaussin palkin tasaiseksi ylähattuprofiiliksi. Nämä järjestelmät kohtaavat kuitenkin usein satunnaisia säteilytysvaihteluita, mikä johtaa lähtöpalkkiprofiiliin, joka ei ole täysin intensiteetti tasainen. Taulukossa 1 verrataan erilaisia säteen muotoisia.
Huipputason palkit sopivat monille laserjärjestelmille, joissa tarkkuus ja tehokkuus ovat tärkeämpiä kuin kustannukset. Laser -järjestelmän integraattoreilla on tällä hetkellä markkinoilla olevilla taite-, diffraktiivisilla ja muun tyyppisillä palkkimuotoilla, jotka ovat valinnut erilaisia valintoja, kun valitaan säteen muotoilua.
