Figura 1: Distribuição de intensidade de vigas gaussianas medidas experimentalmente (esquerda) e vigas de cartola (à direita).
A maioria das vigas a laser possui distribuições de intensidade gaussiana; No entanto, em algumas aplicações, pode ser mais benéfico usar vigas não gaussianas. Um feixe gaussiano possui uma seção transversal de distribuição de intensidade que diminui simetricamente com o aumento da distância do centro. Por outro lado, um feixe de cartola mantém uma distribuição de intensidade constante na seção transversal, permitindo uma intensidade consistente de irradiação no alvo durante o processamento (veja a Figura 1). Como resultado, resultados mais precisos e previsíveis podem ser alcançados em aplicações como processamento de bolas de semicondutores, processamento de outros materiais e conversão de frequência não linear para lasers de alta potência.
As vigas de cartola produzem cortes mais limpos e bordas mais nítidas que as vigas gaussianas, mas gerar vigas de cartola adiciona custo e complexidade adicionais do sistema. Compreender os benefícios das vigas de cartola e os diferentes métodos de gerá -los pode ajudar os integradores de sistemas a laser a selecionar o tipo certo de feixe de laser para seu tipo de aplicação.
Características de vigas gaussianas
Os lasers gaussianos são mais comuns e econômicos do que outros tipos de feixe de fontes a laser. A maioria dos lasers de alta qualidade em modo único emite um feixe que segue um perfil de irradiância gaussiana de baixa ordem, que também é conhecido como o modo TEM 00. Fontes de qualidade menor também terão algum grau de outros modos a laser presentes, mas geralmente assume que o laser possui um perfil gaussiano desejável para simplificar a modelagem do sistema.
Se o feixe gaussiano tiver a mesma potência óptica média que a viga de cartola, o pico de irradiância do feixe gaussiano será o dobro do da viga de cartola. Como um feixe gaussiano se propaga através de um sistema óptico, ele mantém uma distribuição do perfil de irradiância gaussiana, mesmo que o pico de intensidade ou tamanho do feixe mude. Isso significa que o feixe gaussiano permanece constante à medida que se propaga.
Quais são os problemas com as vigas gaussianas?
Os raios gaussianos têm suas desvantagens. Em aplicações em que a porção de alta intensidade do feixe no centro é usada, a parte de baixa intensidade do feixe de ambos os lados (as chamadas "asas") é frequentemente desperdiçada, porque a intensidade do laser é maior que o limiar necessário para a aplicação, seja processamento de material, cirurgia a laser ou outras aplicações.
Além disso, as asas do feixe gaussiano também podem danificar as áreas além da zona alvo, aumentando assim a zona afetada pelo calor. Isso é prejudicial para aplicações como cirurgia a laser e processamento de material de precisão, onde são priorizadas zonas de alta precisão e mínimo afetado pelo calor. Como resultado, os materiais processados com vigas gaussianos não terão bordas particularmente suaves, reduzindo assim a precisão do sistema.
Por que usar vigas de cartola?
Comparados às vigas gaussianas, os perfis de feixe de cartola não possuem seções aladas e têm transições de borda mais íngreme, resultando em transferência de intensidade mais eficiente e em uma zona menor afetada pelo calor. [2] A gravação, soldagem ou corte com uma viga de cartola será mais precisa e menos prejudicial para a área circundante.
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Essa grande vantagem das vigas de cartola os torna adequados para muitas situações diferentes. No limiar de danos induzido por laser (LIDT) e outros sistemas de metrologia, a distribuição de intensidade uniforme das vigas de corte minimiza a incerteza da medição e a variação estatística. As vigas de cartola também são vantajosas nos sistemas de microscopia de fluorescência, holografia e interferometria.
Uma maneira de avaliar se um feixe de laser real está próximo de uma viga perfeita é analisar seu fator de nivelamento (Fη), que é calculado dividindo o valor médio de irradiância pelo valor máximo de irradiância do feixe, conforme descrito no padrão ISO 13694.
Quais são as desvantagens das vigas de cartola?
A viga de cartola não é adequada para todas as aplicações. Não é tão econômico quanto um feixe gaussiano, porque é necessário um componente de modelagem de feixe adicional para moldar o feixe gaussiano em uma viga de cartola. Esse componente pode ser construído diretamente na fonte do laser ou usado em um sistema fora do laser. Esses componentes de modelagem de feixe dependem do tamanho do feixe de entrada e são sensíveis ao alinhamento do plano XY. Além disso, diferentemente das vigas gaussianas, as vigas de cartola não permanecem constantes durante a propagação. Isso significa que uma viga de cartola incidente não manterá sua forma de cartola à medida que viaja pelo sistema e, eventualmente, evoluirá para se parecer com uma distribuição arejada.
Como é percebida uma viga de cartola?
Se uma viga de cartola for desejada, mas o custo do sistema é muito limitado e o desempenho não precisa ser muito alto, o feixe gaussiano pode ser fisicamente truncado usando uma pequena abertura para criar um perfil de chapéu pseudo-topo. Esse método corta e desperdiça energia de ambas as asas do feixe gaussiano e nem sequer sai da distribuição de intensidade no centro da viga. Esse método pode ser útil se manter o baixo custo for um fator importante.
Para sistemas de alto desempenho que requerem uso eficiente da energia do laser, os componentes de modelagem de feixe podem ser usados para moldar o feixe gaussiano em um feixe de corda. Existem vários tipos diferentes de componentes de modelagem de feixe, incluindo dispositivos refrativos, reflexivos, holográficos e difrativos. Os dispositivos de modelagem de feixe de refração usam lentes asféricas ou de forma livre mapeadas em campo e outros componentes de refração para modular a fase do feixe (veja a Figura 2). A vantagem é uma distribuição uniforme de intensidade e uma frente de fase plana. A amplitude e a fase do feixe de incidentes são moduladas por elementos ópticos em uma montagem da lente galiliana ou kepleriana. Esse processo é tipicamente altamente eficiente (superior a 96%) e o comprimento de onda independente em relação à faixa de projetos de dispositivos. Os formadores de feixe de refração produzem vigas colimadas e de corte que são particularmente adequadas para aplicações que operam a longas distâncias, como sistemas de imagem holográfica e microscopia.
Figura 2: Moldando um feixe gaussiano em uma viga de cartola usando o agitador de feixe de hatshaper adloptica πshaper da Adloptics of Edmund Optics, com base em princípios operacionais, como aberrações de frente para ondas e condições de conservação de energia.
Outros tipos de modeladores de feixe refrativo que moldam o feixe gaussiano em um ponto arejado quase constrante. A vantagem disso é que o ponto arejado, quando focado por um conjunto de lentes limitado por difração, forma um ponto de foco com um perfil de cartola. Em muitas aplicações, como micro -racha, litografia e microwelding, o ponto de foco requer um perfil de cartola.
Por outro lado, os formadores de feixe difrativos utilizam difração, em vez de refração, para alterar a distribuição de intensidade do feixe de laser incidente. Micro e nanoestruturas específicas são preparadas em um substrato usando um processo de gravura para formar elementos difativos. A faixa de efeito e comprimento de onda do elemento difrativo geralmente depende da altura e do espaçamento da região da estrutura. Portanto, elementos ópticos difrativos devem ser usados dentro da faixa de comprimento de onda projetada para evitar erros de desempenho.
Os modeladores de feixe diferenciados são mais sensíveis ao ângulo de divergência, alinhamento e posição do feixe do que os modeladores de feixe refrativo. No entanto, os modeladores de feixe difrativos têm uma vantagem particular nos sistemas de laser com restrição de espaço, pois geralmente consistem em um único elemento difrativo em vez de várias lentes de refração e podem formar vigas de cartola e manchas arejadas.
Os integradores de feixe a laser, ou homogeneizadores, são outro tipo de componente de modelagem de feixe. Eles consistem em uma variedade de pequenas lentes que separam a luz incidente em vigas menores. Uma lente de foco sobrepõe as vigas menores no plano de destino. O feixe de saída final é a soma dos padrões de difração produzidos por cada pequena lente na matriz. Eles podem moldar o feixe gaussiano incidente em um perfil uniforme de cartola. No entanto, esses sistemas geralmente encontram flutuações de irradiância aleatória, resultando em um perfil de feixe de saída que não é perfeitamente uniforme de intensidade. A Tabela 1 compara vários modeladores de feixe.
As vigas de cartola são adequadas para uma variedade de sistemas a laser, onde a precisão e a eficiência são mais importantes que o custo. Com outros tipos refrativos, difrativos e outros formadores de feixe atualmente no mercado, os integradores de sistemas a laser têm uma variedade de opções ao selecionar um modelador de feixe.
