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Aperçu
Instruments laser profilage faisceau de mesurer les quantités suivantes:
Largeur du faisceau: Il ya plus de cinq définitions de la largeur du faisceau.
Beam qualité: quantifiée par le paramètre de qualité du faisceau, M2.
La divergence du faisceau: Ceci est une mesure de la propagation du faisceau avec la distance.
Profil du faisceau: un profil de faisceau est l’intrigue d’intensité 2D d’une poutre à un endroit donné le long du trajet du faisceau. Un profil gaussien ou plat-dessus est souvent souhaitée. Le profil du faisceau indique nuisances d’ordre élevé modes spatiaux dans une cavité laser ainsi que les points chauds dans le faisceau.
Astigmatisme Largeur: La poutre est astigmate lorsque les parties verticales et horizontales de la focalisation du faisceau à différents endroits le long du trajet du faisceau.
Beam errer ou gigue: Le montant que la valeur centroïde ou pic du profil de faisceau se déplace avec le temps.
Instruments et techniques ont été développées afin d’obtenir les caractéristiques du faisceau énumérés ci-dessus. Il s’agit notamment de:
Techniques de caméra: il s’agit notamment de l’éclairage direct d’un capteur de la caméra. La taille maximale du spot qui sera placée sur un capteur CCD est de l’ordre de 10 mm. Alternativement, illuminant une surface plane diffuse avec le laser et l’imagerie de la lumière sur un capteur CCD avec une lentille permet le profilage de poutres de plus grand diamètre. Voir lasers sur les surfaces diffuses est excellente pour des largeurs de faisceau large, mais nécessite une surface diffuse qui a une réflectivité uniforme (variation <1%) sur la surface éclairée.
En lame de couteau technique: Une lame de filage ou à fente coupe le faisceau laser avant la détection par un wattmètre. Le wattmètre mesure l’intensité en fonction du temps. En prenant les profils d’intensité intégré dans un certain nombre de coupures, le profil du faisceau d’origine peuvent être reconstruites à l’aide des algorithmes développés pour la tomographie. Cela ne fonctionne généralement pas pour les lasers pulsés, et ne prévoit pas un profil de faisceau vraie 2D, mais il a une excellente résolution, dans certains cas, <1 m.
Techniques historiques: il s’agit notamment de l’utilisation de plaques et plaques photographiques brûler. Par exemple, des lasers de puissance de dioxyde de carbone ont été profilées en observant brûle lentement dans les blocs d’acrylate.
A partir de 2002 [update], les systèmes de mesure commerciaux couteau coûts 5000 $ 12 000 $ USD et CCD profileurs faisceau coûts 4,0009,000 $ US. Le coût de la CCD profileurs du faisceau est descendu dans les dernières années, principalement tirée par les coûts de silicium inférieure capteur CCD, et à partir de 2008 [update] ils peuvent être trouvés pour moins de $ 1000 USD.
Applications
Les applications de profilage faisceau laser comprennent:
La découpe au laser: un laser avec un profil de faisceau elliptique a une large coupé le long d’une direction que le long de l’autre. La largeur de la poutre influences les bords de la coupe. Une largeur plus étroite du faisceau rendements fluence élevée et ionise, plutôt que de fond, la pièce usinée. Ionisée bords sont plus propres et ont moins de moletage bords fondus.
Optique non linéaire: l’efficacité de conversion de fréquence en matériaux optiques non linéaires est proportionnelle au carré (parfois en cubes ou plus) de l’intensité lumineuse d’entrée. Par conséquent, pour obtenir la conversion de fréquence efficace, la taille du faisceau d’entrée doit être aussi petit que possible. Un profileur faisceau peut aider à minimiser la taille du faisceau dans le cristal non linéaire.
Alignement: profileurs Beam aligner les poutres avec des ordres de grandeur la précision meilleure angulaire que les iris.
Surveillance laser: Il est souvent nécessaire de surveiller la sortie du laser pour voir si les changements profil du faisceau après de longues heures de fonctionnement. Le maintien d’une forme de faisceau est particulièrement critique pour l’optique adaptative, l’optique non linéaire, et le laser à fibre de livraison. En outre, l’état du laser peut être mesurée par imagerie par les émetteurs d’un barreau laser de pompe à diode et en comptant le nombre d’émetteurs qui ont échoué ou en plaçant plusieurs profileurs du faisceau à différents points le long d’une chaîne d’amplification laser.
Laser et le développement amplificateur laser: la relaxation thermique dans impulsions pompé amplificateurs provoque des variations temporelles et spatiales dans le cristal de gain, de manière efficace faussant le profil du faisceau de la lumière amplifiée. Un profileur poutre placée à la sortie de l’amplificateur donne une foule de renseignements sur les effets transitoires thermiques dans le cristal. En ajustant le courant de la pompe à l’amplificateur et le réglage du niveau de puissance d’entrée, le profil du faisceau de sortie peut être optimisée en temps réel.
Loin du champ de mesure: Il est important de connaître le profil du faisceau d’un laser pour les radars laser ou l’espace libre des communications optiques à longue distance, le soi-disant ar-terrain. La largeur de la poutre dans son champ lointain détermine la quantité d’énergie captée par un récepteur de communication et de la quantité d’énergie incidente sur la cible ladar. Mesure du profil du faisceau en champ lointain est directement souvent impossible dans un laboratoire en raison de la longueur du chemin long requis. Une lentille, d’autre part, transforme le faisceau de telle sorte que le champ lointain se produit à proximité de son foyer. Un profileur poutre placée à proximité du point de l’objectif des mesures du profil du faisceau en champ lointain dans l’espace de paillasse nettement moins.
Éducation: les profileurs Beam peut être utilisé pour les laboratoires des étudiants afin de vérifier les théories de diffraction et de tester le Fraunhofer ou approximations diffraction de Fresnel intégrante. Autres idées de laboratoire aux étudiants comprennent l’aide d’un profileur de faisceau pour mesurer spot de Poisson d’un disque opaque, et de tracer le schéma de diffraction disque d’Airy d’un disque clair.
Mesures
Largeur du faisceau
Article détaillé: diamètre du faisceau
La largeur du faisceau est la caractéristique la plus importante d’un profil de faisceau laser. Au moins cinq définitions de la largeur du faisceau sont d’usage courant: D4, 10/90 ou 20/80 couteau, 1/e2, FWHM, et D86. La largeur du faisceau D4 est la définition la norme ISO et la mesure du paramètre de qualité du faisceau M nécessite la mesure de la largeur de D4. Les autres définitions de fournir des informations complémentaires à la D4 et sont utilisés dans différentes circonstances. Le choix de la définition peut avoir un effet important sur le nombre largeur du faisceau obtenu, et il est important d’utiliser la bonne méthode pour une application donnée. Le D4 et couteau largeurs sont sensibles au bruit de fond sur le détecteur, tandis que les largeurs et les 1/e2 FWHM sont pas. La fraction de la puissance du faisceau totale couverte par la largeur du faisceau dépend de la définition utilisée.
D4 ou la largeur second moment
D4 est un raccourci pour le diamètre qui est 4 fois, où est la déviation standard de la distribution horizontale ou verticale marginale. Mathématiquement, la largeur du faisceau dans le D4 x-dimension pour le profil de poutre en I (x, y) est exprimée en
,
où
est le barycentre du profil du faisceau dans la direction x. Les ailes du profil du faisceau influencer la valeur D4 plus que le centre du profil du faisceau depuis les ailes de la distribution marginale sont pondérées par le carré de sa distance, x2, du centre de la poutre. Si le faisceau ne pas remplir plus d’un tiers de la superficie du faisceau du capteur profileur, alors il y aura un nombre important de pixels sur les bords du capteur qui enregistrent une valeur de base de petite taille (la valeur de fond). Si la valeur de base est grande ou si elle n’est pas soustraite de l’image, alors la valeur calculée D4 sera plus grande que la valeur réelle parce que la valeur de base près des bords du capteur sont pondérées dans l’intégrale D4 par x2. Par conséquent, la soustraction de base est nécessaire pour des mesures précises D4. Le scénario de référence est facilement mesurée en enregistrant la valeur moyenne pour chaque pixel lorsque le capteur n’est pas allumé. La largeur D4, contrairement à la largeur FWHM et 1/e2, est significatif pour multimodales distributions marginales qui est, profils de faisceau avec des pics multiples mais requiert attention soustraction de la ligne de base pour des résultats précis. Le D4 est la norme internationale ISO définition de la largeur du faisceau.
Largeur lame de couteau
Avant l’avènement de la CCD profileur poutre, la largeur du faisceau a été estimée en utilisant la technique du couteau. La technique est la suivante: couper un faisceau laser avec un rasoir et de mesurer la puissance du faisceau coupés en fonction de la position de rasoir. La courbe mesurée est l’intégrale de la distribution marginale, et commence à la puissance du faisceau total et décroît à zéro énergie. La largeur du faisceau est définie comme étant soit la distance entre les points de la courbe mesurée qui sont 10% et 90% (ou 20% et 80%) de la valeur maximale. Si la valeur de base est faible ou soustraite, la largeur du faisceau couteau correspond toujours à 60%, dans le cas de 20/80, ou 80%, dans le cas de 10/90, de la puissance du faisceau totale quelle que soit le profil du faisceau. D’autre part, le D4, 1/e2, et les largeurs FWHM englobent des fractions de puissance qui sont la forme du faisceau-dépendante. Par conséquent, le 10/90 ou 20/80 couteau largeur est une mesure utile lorsque l’utilisateur veut être sûr que la largeur englobe une fraction fixe de la puissance du faisceau total. La plupart des CCD faisceau profileur peut calculer la largeur couteau numériquement.
Largeur 1/e2
La largeur 1/e2 est égale à la distance entre les deux points sur la distribution marginale qui sont 1/e2 = 0,135 fois la valeur maximale. S’il ya plus de 2 points qui sont reprises 1/e2 la valeur maximale, alors les deux points les plus proches au maximum sont choisis. La largeur 1/e2 ne dépend que de 3 points sur la distribution marginale, contrairement à D4 et couteau largeurs qui dépendent de l’intégrale de la distribution marginale. Mesures de largeur 1/e2 sont plus bruyants que des mesures de largeur D4 pour chaque image recueillie CCD. Pour multimodales distributions marginales (un profil de faisceau avec des pics multiples), la largeur 1/e2 n’est généralement pas d’obtenir une valeur significative et peut sous-estiment grossièrement de la largeur intrinsèque de la poutre. Pour les distributions multimodales, une largeur D4 serait un meilleur choix.
L’American National Standard Z136.1-2007 pour l’utilisation sécuritaire des lasers (p.6) définit le diamètre du faisceau à la distance entre les points diamétralement opposés dans cette section d’une poutre, où la puissance par unité de surface est de 1 / e (0,368 ) fois celle de la puissance de crête par unité de surface. C’est la définition diamètre du faisceau qui est utilisé pour le calcul de l’exposition maximale admissible à un faisceau laser. En outre, la Federal Aviation Administration utilise également la définition 1 / e pour les calculs de sécurité laser pour la FAA 7400.2F, “Procédures pour traiter les questions l’espace aérien”, Février 16, 2006, p. 29-1-2.
D86 largeur
La largeur D86 est défini comme le diamètre du cercle qui est centré sur le centroïde du profil du faisceau et contient 86% de la puissance du faisceau. La solution pour les D86 est trouvé par le calcul de la superficie de milieux de plus en plus autour du barycentre jusqu’à ce que la zone contient 0,86 de la puissance totale. Contrairement aux définitions précédentes largeur du faisceau, la largeur D86 n’est pas dérivées de distributions marginales. Le pourcentage étranges de 86 ans, plutôt que 50, 80 ou 90, est choisi en raison d’un profil faisceau circulaire gaussien intégrées jusqu’à 1/e2 de sa valeur maximale contient 86% de sa puissance totale. La largeur D86 est souvent utilisé dans les applications qui sont concernés par savoir exactement combien d’énergie est dans une zone donnée. Par exemple, les armes laser de haute énergie et ladars sont deux applications qui nécessitent une connaissance précise de la quantité d’énergie transmise illumine réellement la cible.
Qualité de faisceau
Paramètre de qualité du faisceau, M2
Article détaillé: produit des paramètres du faisceau
Le paramètre M2 est une mesure de la qualité du faisceau; une faible valeur indique la qualité du faisceau M2 bonne et sa capacité à se concentrer à un endroit serré. La valeur M est égal au rapport de l’angle de divergence du faisceau à celle d’un faisceau gaussien avec la largeur D4 ceinture mêmes. Puisque le faisceau gaussien diverge plus lentement que toute forme de faisceau d’autres, le paramètre M2 est toujours supérieur ou égal à un. D’autres définitions de la qualité de faisceau ont été utilisés dans le passé, mais l’une utilisant des largeurs deuxième moment est la plus communément acceptée.
La qualité du faisceau est important dans de nombreuses applications. Dans les poutres de communication à fibre optique avec un proche M2 à 1 sont nécessaires pour le couplage à un seul mode de fibre optique. Ateliers d’usinage laser se préoccupent beaucoup le paramètre M2 de leurs lasers, car les poutres se concentrera d’une zone qui est parfois plus importante que celle M2 d’un faisceau gaussien avec la même longueur d’onde et la largeur ceinture D4; en d’autres termes, les échelles de la fluence comme une / M2. La règle générale est que l’augmentation M2 avec l’augmentation de puissance du laser. Il est difficile d’obtenir excellente qualité de faisceau et de haute puissance moyenne (100 W pour KWS) à cause de lentille thermique dans le milieu à gain laser.
Le paramètre M2 est déterminée expérimentalement comme suit:
Mesurez la largeur de D4 à 5 positions axiales près de la taille du faisceau (l’endroit où le faisceau est le plus étroit).
Mesurez la largeur de D4 à 5 positions axiales au moins une longueur de Rayleigh loin de la taille.
Monter le 10 mesurée points de données pour, où 2 (z) est le second moment de la distribution dans la direction x ou y (voir la section sur D4 largeur du faisceau), et z0 est l’emplacement de la taille du faisceau avec une largeur de 20 second moment . Montage du 10 points de données rendements M2, z0, et 0. Siegman a montré que tous les profils du faisceau gaussien, sommet plat, TEMXY, ou toute autre forme doit suivre l’équation ci-dessus à condition que le rayon du faisceau utilise la définition D4 de la largeur du faisceau. Utilisation du 10/90 couteau, la D86, ou les largeurs FWHM ne fonctionne pas.
Remplissez profilage faisceau champ E
Profileurs mesurer l’intensité du faisceau, | E-terrain | 2, du profil de faisceau laser, mais ne donnent pas toute l’information sur la phase du champ E. Pour caractériser complètement le champ E à un plan donné, la phase et l’amplitude des profils doivent être connus. Les parties réelles et imaginaires du champ électrique peut être caractérisée par deux profilers du faisceau CCD cet échantillon le faisceau à deux plans de propagation distincts, avec l’application d’un algorithme de récupération de phase pour les données capturées. L’avantage de caractériser complètement le champ E dans un plan est que le profil du champ électrique peut être calculé pour n’importe quel autre avion avec la théorie de la diffraction.
Puissance-dans-le seau ou la définition de Strehl de qualité de faisceau
Le paramètre M2 n’est pas toute l’histoire en précisant la qualité du faisceau. Un peu M2 implique seulement que le second moment du profil du faisceau se dilate progressivement. Néanmoins, deux faisceaux avec le même M2 peuvent ne pas avoir la même fraction de la puissance délivrée dans une zone donnée. Puissance-dans-le seau et la rapport de Strehl sont deux tentatives de définir la qualité du faisceau en fonction de combien de puissance est livrée à une zone donnée. Malheureusement, il n’existe pas de taille godet standard (D86 largeur, la largeur du faisceau gaussien, nulls disque d’Airy, etc) ou un seau de forme (circulaire, rectangulaire, etc) et il n’ya pas de faisceau standard pour comparer pour le rapport de Strehl. Par conséquent, ces définitions doivent toujours être spécifié avant un certain nombre est donné et il présente beaucoup de difficultés en essayant de comparer les lasers. Il ya aussi pas simple conversion entre M2, puissance-dans-le-seau, et rapport de Strehl. Le rapport de Strehl, par exemple, a été défini comme le rapport des intensités de pointe focaux dans les fonctions aberrés et idéal écart de points. Dans d’autres cas, il a été défini comme le rapport entre le pic d’intensité d’une image divisée par l’intensité du pic d’une image à diffraction limitée avec le même flux total. Comme il ya de nombreuses façons de puissance-dans-le seau et la rapport de Strehl ont été définis dans la littérature, la recommandation est de s’en tenir à la définition standard ISO M2 pour le paramètre de qualité de faisceau et être conscients que le rapport de Strehl de 0,8 pour Par exemple, ne signifie rien moins que le rapport de Strehl est accompagné par une définition.
La divergence du faisceau
Article détaillé: La divergence du faisceau
La divergence du faisceau d’un faisceau laser est une mesure de la vitesse à laquelle le faisceau élargit loin de la taille du faisceau. Il est généralement définie comme la dérivée du rayon du faisceau à l’égard de la position axiale dans le champ lointain, c’est à dire à une distance de la taille du faisceau qui est beaucoup plus grande que la longueur de Rayleigh. Cette définition donne une demi-angle de divergence. (Parfois, les angles sont pleinement utilisés dans la littérature, ce sont deux fois plus grand.) Pour une poutre limitée par la diffraction de Gauss, la divergence du faisceau est / (w0), où est la longueur d’onde (dans le milieu) et w0 rayon du faisceau ( avec une intensité de rayon 1/e2) à la taille du faisceau. Une divergence du faisceau large pour un rayon du faisceau donnée correspond à la qualité du faisceau pauvres. Une divergence de croisement peut être important pour des applications telles que pointage ou l’espace libre des communications optiques. Poutres de la divergence très faible, c’est à dire, avec le rayon du faisceau à peu près constante sur de longues distances de propagation significatifs, sont appelés faisceaux collimatés. Pour la mesure de la divergence du faisceau, on mesure habituellement le rayon du faisceau à différentes positions, en utilisant par exemple un profileur de faisceau. Il est également possible de dériver la divergence du faisceau du profil amplitude complexe du faisceau dans un seul plan: Fourier spatiale transforme livrer la distribution des fréquences spatiales transverses, qui sont directement liés aux angles de propagation. Voir US Laser note d’application du Corps pour un tutoriel sur la façon de mesurer la divergence du faisceau laser avec une lentille et une caméra CCD.
Astigmatisme du faisceau
Voir aussi: Astigmatisme
L’astigmatisme dans un faisceau laser se produit lorsque les sections horizontales et verticales croisées de la focalisation du faisceau à différents endroits le long du trajet du faisceau. L’astigmatisme peut être corrigé avec une paire de lentilles cylindriques. La métrique de l’astigmatisme est la puissance de lentille cylindrique nécessaires pour amener le concentre des sections horizontales et verticales croisées ensemble. L’astigmatisme est causé par:
Lentille thermique dans Nd: YAG amplificateurs dalle. Une dalle qui est pris en sandwich entre deux dissipateurs métalliques aura un gradient de température entre les dissipateurs de chaleur. Le gradient thermique provoque un indice de réfraction qui gradient est très similaire à une lentille cylindrique. La lentille cylindrique causés par l’amplificateur fera le faisceau astigmate.
Inégalées lentilles cylindriques ou erreur dans le placement de ces optiques.
Propagation à travers un cristal non linéaire uniaxial (commune de cristaux non linéaires optiques). Le x-et y-polarisée E-champs d’expérience des indices de réfraction différents.
Non propager à travers le centre d’une lentille sphérique ou un miroir.
L’astigmatisme peut facilement être caractérisée par un profileur de faisceau CCD en observant où les x et y produire tailles faisceau que le profileur est traduit le long du trajet du faisceau.
Beam errer ou gigue
Chaque faisceau laser et de la nervosité erre bien une petite quantité. La cinématique typique des dérives montage tip-tilt d’environ 100 rad par jour dans un environnement de laboratoire (isolement des vibrations via la table optique, température et pression constantes, et aucune lumière du soleil qui provoque des pièces à chauffer). Un incident du faisceau laser sur ce miroir sera traduit par 100 m à une distance de 1000 km. Cela pourrait faire la différence entre frapper ou ne pas frapper un satellite de communications de la Terre. Ainsi, il ya beaucoup d’intérêt dans la caractérisation des errent faisceau (échelle de temps lente) ou de gigue (échelle de temps rapide) d’un faisceau laser. Le faisceau se promener et de gigue peut être mesurée par le suivi du centroïde ou crête du faisceau sur un profileur de faisceau CCD. Le taux de trame CCD est généralement de 30 images par seconde et par conséquent peut capturer gigue poutre qui est plus lent que 30 Hz, il peut voir des vibrations rapide grâce à une seule voix, 60 Hz hum moteur du ventilateur, ou d’autres sources de vibrations rapides. Heureusement, ce n’est généralement pas une grande préoccupation pour la plupart des systèmes laser de laboratoire et le taux de trame de la CCD sont suffisamment rapides pour capturer le faisceau errer sur la bande passante qui contient la plus grande puissance du bruit. Un faisceau typiques errent mesure implique le suivi du centre de gravité de la poutre sur plusieurs minutes. L’écart-type des données centroïde donne une image claire de la stabilité du faisceau laser de pointage. Le temps d’intégration de la mesure de gigue faisceau doit toujours accompagner la valeur calculée rms. Même si la résolution en pixels d’une caméra peut être de plusieurs micromètres, les sous-pixels centroïde (éventuellement plusieurs dizaines de résolution nanométrique) est atteint lorsque le rapport signal sur bruit est bonne et le faisceau remplit la plupart des CCD zone active.
Beam errent est causée par:
Thermalisation lent du laser. Fabricants de lasers ont généralement une spécification warm-up pour permettre au laser à la dérive à un équilibre après le démarrage.
Tip-tilt et la dérive de montage optiques causées par les gradients thermiques, la pression et le relâchement des ressorts.
Non-monté de façon rigide par accident l’optique bien sûr!
Vibrations dues aux ventilateurs, les gens marchant / éternuer / respiration, pompes à eau, et le mouvement des véhicules en dehors du laboratoire.
Fausse déclaration de mesures profileur de faisceau pour les systèmes laser
Il est avantageux pour la plupart des fabricants de lasers »pour présenter les spécifications d’une manière qui montre leur produit dans la meilleure lumière, même si cela implique de tromper le client. Spécifications de performance au laser peut être clarifiée en posant des questions telles que:
Est-ce que la spécification de performance typique ou pire?
Quelle définition la largeur du faisceau a été utilisé?
Est le paramètre M2 pour la fois verticale et horizontale des sections, ou juste pour la section de mieux traverser?
Etait-M2 mesurée en utilisant la technique standard ISO, par exemple ou certains autre manière pouvoir dans le seau.
Pendant combien de temps a été la prise de données à venir avec la gigue rms du faisceau spécifié. (Gigue RMS faisceau s’aggrave avec l’augmentation de l’intervalle de mesure.) Quel a été l’environnement au laser (table optique, etc)?
Quel est le temps de préchauffage nécessaire pour atteindre les spécifiée M2, la largeur du faisceau, divergence, l’astigmatisme et la gigue?
Techniques
Profileurs Beam répartissent généralement en deux classes: la première utilise un photodétecteur simple derrière une ouverture qui est balayée sur la poutre. La seconde catégorie utilise une caméra à l’image de la poutre.
Balayage-ouverture techniques
Les techniques les plus courantes d’ouverture de numérisation sont la technique de couteau et de le profiler à balayage de fente. Les côtelettes de l’ancien faisceau avec un couteau et les mesures de la puissance transmise que la lame coupe le faisceau. L’intensité mesurée en fonction de la position couteau pour donner une courbe qui est l’intensité du faisceau intégré dans une seule direction. En mesurant la courbe d’intensité pour plusieurs directions, le profil du faisceau d’origine peuvent être reconstruites à l’aide des algorithmes développés pour tomographie par rayons X.
Balayage-fente profileurs utiliser une fente étroite au lieu d’un simple couteau. Dans ce cas, l’intensité est intégrée sur la largeur de la fente. La mesure obtenue est équivalente à la section originale convoluée avec le profil de la fente.
Ces techniques peuvent mesurer de très petits spots à 1 m, et peut être utilisé pour mesurer directement les poutres de forte puissance. Ils ne proposent pas une lecture continue, bien que les taux de redoublement plus élevé que dix Hertz peut être atteint. En outre, les profils donnent des intensités intégrées dans les directions X et Y et non pas le réel profil 2D spatiale (intégrant les intensités peuvent être difficiles à interpréter pour les profils de faisceau compliqué). Ils ne travaillent généralement pour des sources laser pulsé, en raison de la complexité supplémentaire de la synchronisation du mouvement de l’ouverture et les impulsions laser. [Citation nécessaire]
Technique de la caméra CCD
La technique de caméra CCD est simple: atténuer et de la brillance d’un laser sur un capteur CCD et de mesurer le profil du faisceau direct. C’est pour cette raison que la technique de la caméra est la méthode la plus populaire pour le profilage de faisceau laser. Les caméras les plus populaires utilisés sont CCD silicium qui ont des diamètres de capteurs qui vont jusqu’à 25 mm (1 pouce) et le pixel tailles jusqu’à quelques micromètres. Ces caméras sont également sensibles à une large gamme de longueurs d’onde, de l’UV profond, 200 nm, à l’infrarouge proche, à 1100 nm; cette gamme de longueurs d’onde englobent un large éventail de médias gain laser. Les avantages de la technique de caméra CCD sont:
Il capte le profil du faisceau en 2D en temps réel
Logiciel affiche généralement métriques faisceau critiques, telles que la largeur D4, en temps réel
Sensible détecteurs CCD peut capturer les profils de faisceau de lasers faibles
Résolution jusqu’à environ 5 m
Caméras CCD avec des entrées de déclenchement peut être utilisé pour capturer les profils faisceau de faible rapport cyclique lasers pulsés
CCD ont des sensibilités longueurs d’onde de 200 à 1100 nm
Les inconvénients de la technique de caméra CCD sont que l’atténuation est nécessaire pour les lasers de forte puissance, et la taille du capteur CCD limitée à environ 1 pouce.
Base de soustraction pour des mesures de largeur D4
La largeur D4 est sensible à l’énergie du faisceau ou du bruit dans la queue de l’impulsion, car les pixels qui sont loin d’être le centroïde du faisceau de contribuer à la largeur D4 que la distance au carré. Pour réduire l’erreur dans l’estimation de la largeur D4, les valeurs des pixels de référence sont soustraites du signal mesuré. Les valeurs de référence pour les pixels sont mesurés en enregistrant les valeurs des pixels CCD avec aucune lumière incidente. La valeur finie est due à courant d’obscurité, bruit de lecture, et autres sources de bruit. Pour tir-limité par le bruit des sources de bruit, la soustraction de base améliore l’estimation largeur de D4 que, où N est le nombre de pixels dans les ailes. Sans base de soustraction, de la largeur D4 est surestimée.
Moyenne pour obtenir de meilleures mesures
Moyenne consécutifs images CCD fournit un nettoyant profil et supprime à la fois capteur CCD de bruit et des fluctuations de l’intensité du faisceau laser. Le rapport signal-bruit (SNR) d’un pixel pour un profil de faisceau est définie comme la valeur moyenne des pixels divisé par la racine carrée moyenne (RMS) de valeur. Le SNR s’améliore à mesure que la racine carrée du nombre d’images capturées par le bruit de grenaille processus sombres courant de bruit, bruit de lecture, et le bruit de détection Poissonien. Ainsi, par exemple, en augmentant le nombre de moyennes par un facteur 100 de lisser le profil du faisceau par un facteur de 10.
Techniques d’atténuation
Depuis capteurs CCD sont très sensibles, l’atténuation est presque toujours nécessaire pour le profilage du faisceau approprié. Par exemple, 40 dB (ND 4 ou 10-4) de l’atténuation est typique pour un laser HeNe milliwatt. D’atténuation appropriée a les propriétés suivantes:
Elle ne résulte pas de réflexions multiples laissant une image fantôme sur le capteur CCD
Il ne faussent pas le front d’onde et sera un élément optique avec la planéité optique suffisante (moins d’un dixième de longueur d’onde)
Il peut gérer la puissance optique nécessaire
Pour le profilage faisceau laser avec des capteurs CCD, généralement deux types d’atténuateurs sont utilisés: les filtres de densité neutre, et des coins ou épais pavillons optique.
Filtres à densité neutre
Article détaillé: filtre à densité neutre
Neutre densité (ND) filtres sont de deux types: d’absorption et de réflexion. Filtres absorbants (par exemple en 1234 Schott verre) sont pour la plus faible puissance des applications qui impliquent jusqu’à environ 100 mW de puissance moyenne. Au-dessus de ces niveaux de puissance, on risque de faire fondre le filtre. Les valeurs d’absorption atténuation du filtre sont valables pour le spectre visible (500 700 nm) et ne sont pas valables en dehors de cette région spectrale. Typiquement, on peut s’attendre à des variations d’environ 10% de l’atténuation à travers un de 2 pouces (51 mm) filtre ND. Les valeurs d’atténuation des filtres ND sont spécifiées logarithmique. Un filtre 3 ND transmet 10-3 de la puissance du faisceau incident. Placer le plus grand atténuateur dernière avant le capteur CCD se traduira dans le meilleur rejet des images fantômes dues aux réflexions multiples. Filtres réfléchissants sont faits avec un revêtement métallique mince et donc fonctionner sur une bande passante plus large. Un filtre ND métalliques 3 sera bien sur 2002000 nm. L’atténuation augmentera rapidement en dehors de cette région spectrale. Ces filtres réfléchir plutôt que d’absorber la puissance incidente, et peut donc gérer les puissances d’entrée plus élevés. Ces filtres fonctionnent bien à environ 5 W de puissance moyenne (sur environ 1 cm2 de surface d’éclairage) avant de chauffer les amène à se fissurer. Comme ces filtres reflètent la lumière, il faut être prudent lors de l’empilage de plusieurs filtres ND, puisque les réflexions multiples entre les filtres causera une image fantôme d’interférer avec le profil du faisceau d’origine. Une façon d’atténuer ce problème est en inclinant la ND pile de filtres. En supposant que l’absorption de l’métalliques filtre ND est négligeable, l’ordre de la matière pile filtre ND doesn, comme il le fait pour les filtres d’absorption.
Cales optique
Cales optique et les reflets des surfaces non couchés en verre optique sont utilisés pour atténuer les rayons laser de haute puissance. Environ 4% est réfléchi par l’interface air / verre et de cales de plusieurs peuvent être utilisés pour atténuer fortement le faisceau à des niveaux qui peuvent être atténuées avec des filtres ND. L’angle de la cale est généralement choisie de sorte que la seconde réflexion de la surface n’a pas frappé la zone active de la CCD. Plus le capteur CCD est de la cale, plus l’angle requis. Cales ont l’inconvénient de la traduction et à la fois la flexion de la direction du faisceau chemins ne seront plus commodes se trouvent sur des coordonnées rectangulaires. Plutôt que d’utiliser un coin, une plaque de qualité optique en verre épais incliné vers le faisceau peut également travailler réellement, c’est le même comme un coin avec un angle de 0. Le verre épais se traduira par la poutre, mais elle ne sera pas changer l’angle du faisceau de sortie. Le verre doit être assez épais pour que la réflexion secondaire n’a pas éclairer la zone active de la CCD. La réflexion de Fresnel d’un faisceau d’une plaque de verre est différente pour les s-et p-polarisations (s est parallèle à la surface du verre, et p est perpendiculaire à s) et des changements en fonction de l’angle d’incidence garder cela à l’esprit si vous vous attendez que les deux polarisations ont des profils différents faisceaux. Afin d’éviter une distorsion du profil du faisceau, le verre doit être de planéité de surface optique de / 10 (= 633 nm) et anti-rayures creusent des 40-20 ou mieux. Une lame demi-onde suivie d’un séparateur de faisceau polarisant former un atténuateur variable et cette combinaison est souvent utilisée dans les systèmes optiques. L’atténuateur variable faite de cette façon n’est pas recommandé pour l’atténuation du faisceau pour les applications de profilage, car: (1) le profil du faisceau dans les deux polarisations orthogonales peuvent être différentes, et (2) le cube faisceau de polarisation peut avoir une faible valeur seuil de dommage optique. Polariseurs cube bon marché sont formées par cimentation deux prismes à angle droit ensemble. La colle ne résiste pas bien à des puissances élevées de l’intensité devraient être gardés sous 500 mW/mm2. Seul élément polariseurs sont recommandés pour des puissances élevées.
La taille du faisceau optimal sur le détecteur CCD
Il ya deux exigences contradictoires qui déterminent la taille du faisceau optimal sur le détecteur CCD. Une exigence est que toute l’énergie ou autant de lui comme possible du faisceau laser est incidente sur le capteur CCD. Cela impliquerait que nous devrions nous concentrer toute l’énergie dans le centre de la région active dans le plus petit une place possible en utilisant seulement quelques-uns des pixels centraux pour s’assurer que les queues de la poutre sont capturés par les pixels extérieurs. C’est un extrême. La deuxième exigence est que nous avons besoin de suffisamment d’échantillon de la forme du profil du faisceau. En règle générale, nous voulons au moins 10 pixels sur la zone qui englobe la plupart, disons 80%, de l’énergie dans le faisceau. Par conséquent, il n’existe aucune règle dure et rapide pour sélectionner la taille du faisceau optimale. Aussi longtemps que le capteur CCD capte plus de 90% de l’énergie du faisceau et a au moins 10 pixels à travers elle, les mesures de largeur du faisceau aura une certaine précision.
La taille du pixel et le nombre de pixels
Plus le capteur CCD, plus la taille du faisceau qui peut être profilée. Parfois, cela se fait au prix de tailles de pixels plus grands. Petites tailles pixels sont souhaitées pour l’observation de faisceaux focalisés. Un CCD avec plusieurs mégapixels n’est pas toujours mieux qu’un petit éventail, depuis les temps de lecture sur l’ordinateur peuvent être désagréablement longue. Lecture du tableau en temps réel est essentiel pour tout peaufiner ou l’optimisation du profil laser.
Loin du champ du faisceau profileur
Un champ lointain du faisceau profileur n’est rien de plus que le profilage de la poutre à la mise au point d’une lentille. Ce plan est parfois appelé le plan de Fourier et est le profil que l’on pourrait voir si le faisceau propagé très loin. Le faisceau dans le plan de Fourier est la transformée de Fourier du champ de saisie. Des précautions doivent être prises dans la mise en place d’une mesure en champ lointain. La taille du spot ciblé doit être assez large pour s’étendre sur plusieurs pixels. La taille du spot est d’environ f / D, où f est la longueur focale de la lentille, est la longueur d’onde de la lumière, et D est le diamètre du faisceau incident collimaté sur la lentille. Par exemple, un laser hélium-néon (633 nm) avec un diamètre de 1 mm du faisceau se concentrerait à un endroit 317 m avec un objectif de 500 mm. Un profileur faisceau laser avec une taille de 5,6 m de pixels de façon adéquate l’endroit de l’échantillon à 56 emplacements.
Les applications spéciales
Le coût prohibitif des profileurs CCD faisceau laser dans le passé ont cédé la place à des profileurs du faisceau à faible coût. Profileurs du faisceau à faible coût ont ouvert un certain nombre de nouvelles applications: le remplacement de l’iris pour les super-précise l’alignement et la surveillance des ports multiples simultanément des systèmes laser.
Remplacement des Iris avec une précision d’alignement microradian
Dans le passé, l’alignement des faisceaux laser a été fait avec les iris. Deux iris définie de façon unique une trajectoire du faisceau, le plus éloignés de l’iris et le plus petit des trous de l’iris, le mieux le chemin a été défini qui est, seul un peu de lumière rayons pourraient être tirées à travers les deux iris. La plus petite ouverture qui permet de définir un iris est d’environ 0,8 mm. En comparaison, le centroïde d’un faisceau laser peut être déterminé à sous-micromètre de précision avec un profileur de faisceau laser. La taille du faisceau laser profileur ouverture effective est de trois ordres de grandeur plus petite que celle d’un iris. Par conséquent, la possibilité de définir un chemin optique est 1000 fois mieux quand l’aide de profileurs faisceau sur l’iris. Les applications qui ont besoin des précisions d’alignement microradian comprennent Terre-espace de communication, de la terre-espace ladar, oscillateur maître à l’alignement oscillateur de puissance, et multi-pass amplificateurs.
Simultanée surveillance des ports multiples de système laser
Expérimentale de systèmes laser bénéficier de l’utilisation de plusieurs profileurs faisceau laser pour caractériser le faisceau pompe, le faisceau de sortie, et la forme du faisceau en des points intermédiaires dans le système de laser, par exemple, après une modelocker Kerr-lentille. Les changements dans le profil du faisceau laser de pompe indiquent l’état de santé du laser de pompe, qui sont excités modes laser dans le cristal de gain, et aussi de déterminer si le laser est réchauffé par localiser le barycentre de la relative du faisceau de la planche à pain. Le profil du faisceau de sortie est souvent une forte fonction de la puissance de la pompe due à des effets thermo-optique dans le milieu à gain.
Références
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ISO 11146-1:2005 ab ^ (E), «Lasers et équipements liés Méthodes d’essai pour des largeurs de faisceau laser, les angles de divergence et de propagation du faisceau ratios Partie 1:. Stigmatic et simple des poutres astigmate”
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^ ISO 11146-1:2005 (E), «Lasers et équipements liés Méthodes d’essai pour des largeurs de faisceau laser, les angles de divergence et de propagation du faisceau ratios Partie 3:. Intrinsèque et géométrique classement faisceau laser, propagation et détails des méthodes d’essai”
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^ Ankron. «Note technique 5: Comment mesurer la gigue du faisceau avec une précision nanométrique en utilisant un capteur CCD avec taille pixel de 5,6 m”.
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