Зачем использовать лазерный луч с плоской вершиной?
2026-04-09
Большинство лазерных лучей имеют гауссову форму, хотя в некоторых случаях полезно иметь негауссовый профиль интенсивности излучения. Симметричный профиль интенсивности излучения гауссова пучка уменьшается по мере увеличения расстояния от центра поперечного сечения лазерного пучка. Луч с направленной формой «шляпки» имеет постоянный профиль интенсивности излучения по всему поперечному сечению лазерного луча (рис. 1). В некоторых областях применения постоянная интенсивность на заданной площади является преимуществом, в том числе при обработке полупроводниковых пластин, нелинейном преобразовании частоты на высоких уровнях мощности и обработке материалов. Лучи с прямоугольной формой, как правило, обеспечивают более точные и предсказуемые результаты, такие как более чистые разрезы и более острые кромки, чем лучи с гауссовой формой, но они также усложняют систему и увеличивают стоимость.
Гауссовый пучок
Высококачественные одномодовые лазеры создают низкопорядковое гауссово распределение излучения, моду TEM00. Гауссовый лазерный луч с той же средней оптической мощностью, что и луч с плоской вершиной, имеет вдвое больший пиковый поток (рис. 2). Гауссовы лучи остаются инвариантными при преобразованиях; поэтому, по мере распространения луча через систему, профиль луча остается гауссовым, даже если размер луча изменяется. Это происходит потому, что преобразование Фурье гауссовой функции представляет собой другую гауссову функцию. Свет подвергается преобразованию Фурье при распространении в бесконечность или при фокусировке через идеальную линзу.
Гауссовы лазеры более распространены и экономичны, чем другие лазеры, но у них есть ряд недостатков, таких как «крылья» или области низкой интенсивности, простирающиеся от рабочей центральной части луча. Если интенсивность «крыльев» гауссова луча ниже порогового значения, необходимого для применения, это часто приводит к потерям энергии (рис. 1). Они также могут вызывать повреждения окружающих областей и расширять зону термического воздействия, что вредно в таких областях применения, как лазерная хирургия и прецизионная обработка материалов. Из-за расширенной зоны термического воздействия гауссова луча точность резки или придания формы мелким элементам с помощью гауссова луча будет ниже, чем с помощью луча с плоской вершиной, что делает луч с плоской вершиной лучшим выбором для таких применений.
Балка с плоской вершиной
Один из способов оценить, насколько реальный луч близок к идеальному лучу с плоской вершиной, — это коэффициент плоскостности (Fη). Он определяется путем деления среднего значения освещенности на максимальное значение освещенности, указанное в стандарте ISO 13694.
Отсутствие боковых граней и более крутых переходов на краях плоского пучка обеспечивает более эффективную передачу энергии и создает меньшую зону термического воздействия. Это выгодно в широком спектре применений, где приоритетными являются высокая точность и минимизация повреждений окружающих областей. В метрологических приложениях, таких как тестирование порога лазерного повреждения (LIDT), равномерный и четко определенный профиль плоского пучка снижает неопределенность измерений и статистическую дисперсию. Равномерное освещение, обеспечиваемое плоским пучком, также полезно в широком спектре применений, таких как флуоресцентная микроскопия, голография и интерферометрия.
Пучки с плоской вершиной менее экономичны, чем гауссовы пучки, поскольку для преобразования выходного сигнала лазера в пучок с плоской вершиной требуются дополнительные компоненты формирования пучка (рис. 3). Этот компонент формирования пучка может быть встроен в источник лазерного излучения или размещен вне лазера. Эти дополнительные компоненты формирования пучка чувствительны к выравниванию по осям xy и зависят от диаметра входного пучка. Кроме того, лазерные пучки с плоской вершиной не остаются постоянными при преобразованиях; следовательно, профиль падающего пучка с плоской вершиной не сохраняется естественным образом по мере распространения пучка. Преобразование Фурье функции плоской вершины представляет собой функцию диска Эйри, что означает, что пучок с плоской вершиной в конечном итоге превратится в диск Эйри.
Как добиться плоской верхней грани балки
В некоторых недорогих и малопроизводительных системах гауссовы пучки физически усекаются с помощью апертуры для создания псевдоплоской вершины. Это приводит к потере энергии на гауссовых флангах, но может быть эффективным, когда стоимость является определяющим фактором. Для приложений, требующих более высокой производительности и эффективного использования дорогостоящей лазерной энергии, используется оптика формирования пучка для преобразования гауссова профиля в профиль с плоской вершиной. Рефракционные формирователи пучка обеспечивают равномерное распределение интенсивности и плоский фазовый фронт. Рефракционные формирователи пучка с плоской вершиной создают коллимированные пучки с плоской вершиной с эффективностью почти 100% и без внутренней фокусировки, что позволяет получать мощные входные пучки (рисунки 4 и 5). Их оптическая конструкция делает их подходящими для голографии, микроскопии и системной интеграции, особенно на больших расстояниях.
Другой тип формирователя пучка преобразует входной гауссовый пучок в коллимированный профиль диска Эйри. После фокусировки через линзу с дифракционным пределом образуется плоское фокусное пятно (рис. 6). Компактная конструкция и резьба этих компонентов позволяют легко интегрировать их в различные системы. Кроме того, они обладают КПД, близким к 100%, что делает их подходящими для применений, требующих плоского профиля в фокусе, таких как литография, микрообработка и микросварка.
Помимо преломляющих формирователей пучка, существуют и другие типы, включая отражающие, голографические и дифракционные конструкции.
