Perfilador de rayo láser

Un perfilador de rayo láser.

Un perfilador de rayo láser captura, muestra y registra el perfil de intensidad espacial de un rayo láser en un plano particular transversal a la trayectoria de propagación del rayo. 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 del rayo láser. Ningún perfilador de rayo láser puede manejar todos los niveles de potencia, duración de pulso, frecuencia de repetición, longitud de onda y tamaño de rayo.

Resumen

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

• Ancho de la viga : hay más de cinco definiciones de ancho de la viga.
• Calidad del haz: cuantificada por el parámetro de calidad del haz, M ² .
• Divergencia del haz : esta es una medida de la extensión del haz con la distancia.
• Perfil de haz: un perfil de haz es el gráfico de intensidad 2D de un haz en una ubicación determinada a lo largo de la trayectoria del haz. A menudo se desea un perfil gaussiano o plano . El perfil del haz indica molestos modos espaciales de orden superior en una cavidad láser , así como puntos calientes en el haz.
• Astigmatismo del haz: el haz es astigmático cuando las partes vertical y horizontal del haz se enfocan en diferentes lugares a lo largo de la trayectoria del haz.
• Desviación o fluctuación del haz: la cantidad en la que el centroide o el valor máximo del perfil del haz se mueve con el tiempo.

Se desarrollaron instrumentos y técnicas para obtener las características del haz enumeradas anteriormente. Éstos incluyen:

• Técnicas de cámara: incluyen la iluminación directa de un sensor de cámara. El tamaño máximo de punto que cabe en un sensor CCD es del orden de 10 mm. Alternativamente, iluminar una superficie plana difusa con el láser y obtener imágenes de la luz en un CCD con una lente permite perfilar haces de mayor diámetro. Ver láseres en superficies difusas es excelente para grandes anchos de haz, pero requiere una superficie difusa que tenga una reflectividad uniforme (<1% de variación) sobre la superficie iluminada.
• Técnica del filo de cuchillo: una cuchilla giratoria o una hendidura corta el rayo láser antes de que lo detecte un medidor de potencia . El medidor de potencia mide la intensidad en función del tiempo. Al tomar los perfiles de intensidad integrados en varios cortes, el perfil del haz original se puede reconstruir utilizando algoritmos desarrollados para tomografía . Por lo general, esto no funciona para láseres pulsados ​​y no proporciona un perfil de haz 2D real, pero tiene una resolución excelente , en algunos casos <1 μm.
• Técnica de frente de fase: el haz pasa a través de una matriz 2D de lentes diminutos en un sensor de frente de onda Shack-Hartmann . Cada lente redirigirá su parte del rayo y, desde la posición del rayo desviado, se puede reconstruir la fase del rayo original.
• Técnicas históricas: incluyen el uso de placas fotográficas y placas quemadas. Por ejemplo, los láseres de dióxido de carbono de alta potencia se perfilaron observando quemaduras lentas en bloques de acrilato .

A partir de 2002 ^[actualizar], los sistemas comerciales de medición con filo de cuchillo cuestan entre $ 5,000 y $ 12,000 USD y los perfiladores de vigas CCD cuestan entre $ 4,000 y $ 9,000 USD. ^[1] El costo de los perfiladores de haz CCD se ha reducido en los últimos años, principalmente debido a los menores costos de los sensores CCD de silicio, y en 2008 ^[actualizar]se pueden encontrar por menos de $ 1000 USD.

Aplicaciones

Las aplicaciones del perfilado por rayo láser incluyen:

• Corte por láser : un láser con un perfil de haz elíptico tiene un corte más ancho en una dirección que en la otra. El ancho de la viga influye en los bordes del corte. Un ancho de haz más estrecho produce una alta fluencia e ioniza , en lugar de fundir, la pieza mecanizada. Los bordes ionizados son más limpios y tienen menos moleteado que los bordes fundidos.
• Óptica no lineal : la eficiencia de conversión de frecuencia en materiales ópticos no lineales es proporcional al cuadrado (a veces al cubo o más) de la intensidad de la luz de entrada. Por lo tanto, para obtener una conversión de frecuencia eficiente, la cintura del haz de entrada debe ser lo más pequeña posible. Un perfilador de vigas puede ayudar a minimizar la cintura de la viga en el cristal no lineal.
• Alineación: los perfiladores de vigas alinean las vigas con una precisión angular de órdenes de magnitud mejor que los iris .
• Monitoreo láser: a menudo es necesario monitorear la salida del láser para ver si el perfil del haz cambia después de largas horas de funcionamiento. Mantener una forma de haz particular es fundamental para la óptica adaptativa , la óptica no lineal y la entrega de láser a fibra . Además, el estado del láser puede medirse formando imágenes de los emisores de una barra de láser de diodo de bomba y contando el número de emisores que han fallado o colocando varios perfiladores de haz en varios puntos a lo largo de una cadena de amplificador láser .
• Desarrollo de láser y amplificador láser: la relajación térmica en los amplificadores bombeados por pulsos provoca variaciones temporales y espaciales en el cristal de ganancia , distorsionando efectivamente el perfil del haz de la luz amplificada. Un perfilador de haz colocado a la salida del amplificador proporciona una gran cantidad de información sobre los efectos térmicos transitorios en el cristal. Al ajustar la corriente de la bomba al amplificador y sintonizar el nivel de potencia de entrada, el perfil del haz de salida se puede optimizar en tiempo real.
• Medición de campo lejano: Es importante conocer el perfil del haz de un láser para radar láser o comunicaciones ópticas en el espacio libre a largas distancias, el llamado "campo lejano". El ancho del haz en su campo lejano determina la cantidad de energía recolectada por un receptor de comunicaciones y la cantidad de energía incidente en el objetivo del ladar. La medición directa del perfil del haz de campo lejano a menudo es imposible en un laboratorio debido a la gran longitud de trayectoria requerida. Una lente , por otro lado, transforma el rayo para que el campo lejano ocurra cerca de su foco. Un perfilador de haz colocado cerca del foco de la lente mide el perfil del haz de campo lejano en un espacio de trabajo significativamente menor.
• Educación: Los perfiladores de haces se pueden utilizar en laboratorios de estudiantes para verificar las teorías de difracción y probar las aproximaciones integrales de difracción de Fraunhofer o Fresnel . Otras ideas de laboratorio de los estudiantes incluyen el uso de un generador de perfiles de haz para medir la mancha de Poisson de un disco opaco y trazar el patrón de difracción del disco de Airy de un disco transparente.

Medidas

Ancho de haz

Artículo principal: diámetro de la viga

El ancho del rayo es la característica más importante de un perfil de rayo láser. Al menos cinco definiciones de ancho de haz son de uso común: D4σ, 10/90 o 20/80 filo de cuchillo, 1 / e ² , FWHM y D86. El ancho del haz D4σ es la definición estándar de ISO y la medición del parámetro de calidad del haz M² requiere la medición de los anchos D4σ. ^{[2] [3] [4]} Las otras definiciones proporcionan información complementaria a la 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 del filo de la navaja son sensibles al ruido de fondo en el detector, mientras que 1 / e ²y los anchos FWHM no lo son. La fracción de la potencia total del haz comprendida por el ancho del haz depende de la definición que se utilice.

Calidad de haz

Parámetro de calidad del haz, M ²

Artículo principal: M cuadrado

El parámetro M ² es una medida de la calidad del haz; un valor M ² bajo indica una buena calidad de haz y capacidad para 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 de Gauss diverge más lentamente que cualquier otra forma de haz, el parámetro M ² es siempre mayor o igual a uno. En el pasado se han utilizado otras definiciones de la calidad de la viga, 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 el acoplamiento a la fibra óptica monomodo . Los talleres de máquinas láser se preocupan mucho por el parámetro M ² de sus láseres porque los rayos se enfocarán en un área que es M ⁴ veces más grande que la de un rayo 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 calidad de haz excelente y una potencia media alta (de 100 W a kW) debido a la 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 estrecha).
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 xoy (ver sección sobre el ancho de la viga D4σ), y es la ubicación de la cintura de la viga con la anchura del segundo momento de . Montaje de los 10 puntos de datos se obtiene M ² , , y . Siegman demostró que todos los perfiles de la viga (gaussianos, de superficie 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 funciona.${\displaystyle \sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}$${\displaystyle \sigma ^{2}(z)}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle 2\sigma _{0}}$${\displaystyle z_{0}}$${\displaystyle \sigma _{0}}$

Perfilado completo del haz de campo E

Los perfiladores de haces miden la intensidad, | E-field | ² , del perfil del rayo láser, pero no proporcionan ninguna información sobre la fase del campo E. Para caracterizar completamente el campo E en un plano dado, 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. La ventaja de caracterizar completamente el campo E en un plano es que el perfil del campo E se puede calcular para cualquier otro plano con la teoría de la difracción .

Power-in-the-bucket o definición de Strehl de la calidad del haz

El parámetro M ² no es todo lo que se refiere a la especificación de la calidad del haz. Un M ² bajo solo implica que el segundo momento del perfil de la viga se expande lentamente. No obstante, es posible que dos haces con el mismo M ² no tengan la misma fracción de potencia entregada en un área determinada. Relación de potencia en el cubo y Strehlson dos intentos de definir la calidad del haz en función de la cantidad de energía que se entrega a un área determinada. Desafortunadamente, no hay un tamaño de cucharón estándar (ancho D86, ancho de haz gaussiano, nulos de disco Airy, etc.) o forma de cucharón (circular, rectangular, etc.) y no hay una viga estándar para comparar para la relación Strehl. Por lo tanto, estas definiciones siempre deben especificarse antes de dar un número y presenta mucha dificultad al intentar comparar láseres. Tampoco existe una conversión simple entre M ² , potencia en el cubo y relación Strehl. La relación de Strehl, por ejemplo, se ha definido como la relación de las intensidades focales máximas en las funciones de dispersión de puntos aberradas 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 la potencia en el cubo y la relación Strehl se han definido en la literatura, la recomendación es ceñirse a la definición de la norma ISO M ² para el parámetro de calidad del haz y tener en cuenta que una proporción de Strehl de 0,8, por ejemplo, no significa nada a menos que la proporción de Strehl vaya acompañada de una definición.

Divergencia del haz

Artículo principal: divergencia del haz

La divergencia del rayo de un rayo láser es una medida de la rapidez con que el rayo se expande lejos de la cintura del rayo. Normalmente se define como la derivada del radio del haz con respecto a la posición axial en el campo lejano, es decir, en una distancia de 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 dos veces más 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 1 / e ²intensidad) en la cintura de la viga. Una gran divergencia del haz para un radio de haz dado corresponde a una mala calidad del haz. Una divergencia de haz bajo puede ser importante para aplicaciones como las comunicaciones ópticas de señalización o de espacio libre . Los haces con una divergencia muy pequeña, es decir, con un radio de haz aproximadamente constante en distancias de propagación significativas, se denominan haces colimados . Para la medición de 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 entregan la distribución de frecuencias espaciales transversales, que están directamente relacionados con los ángulos de propagación. Consulte la nota de solicitud de US Laser Corps ^[10] para obtener un tutorial sobre cómo medir la divergencia del rayo láser con una lente y una cámara CCD.

Astigmatismo de haz

Ver también: astigmatismo

El astigmatismo en un rayo láser ocurre cuando las secciones transversales horizontal y vertical 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 cilíndricos . La métrica para el astigmatismo es el poder de la lente cilíndrica necesaria para unir los enfoques de las secciones transversales horizontal y vertical. El astigmatismo es causado por:

• Lente térmica en amplificadores de placa Nd: YAG . Una losa que se intercala entre dos disipadores de calor de metal tendrá un gradiente de temperatura entre los disipadores de calor. El gradiente térmico provoca un índice de gradiente de refracción que es muy similar a una lente cilíndrica. La lente cilíndrica causada por el amplificador hará que el haz sea astigmático.
• Lentes cilíndricas inigualables o error en la colocación de estas ópticas.
• Propagación a través de un cristal uniaxial no lineal (común en cristales ópticos no lineales ). Los campos E polarizados xey experimentan diferentes índices de refracción.
• No se propaga a través del centro de una lente esférica o espejo .

El astigmatismo se puede caracterizar fácilmente mediante un perfilador de haz CCD al observar dónde se producen las cinturas de los haces xey a medida que el perfilador se traslada a lo largo de la trayectoria del haz.

Desviación o fluctuación del haz

Cada rayo láser se desvía y tiembla, aunque sea una pequeña cantidad. La típica montura cinemática inclinada se desplaza alrededor de 100 μrad por día en un entorno de laboratorio ( aislamiento de vibraciones a través de una mesa óptica, temperatura y presión constantes, y sin luz solar que haga que las piezas se calienten). Un rayo láser que incida sobre este espejo se trasladará 100 m en un rango de 1000 km. Esto podría marcar la diferencia entre golpear o no golpear un satélite de comunicaciones de la Tierra. Por lo tanto, existe mucho interés en caracterizar la fluctuación lenta del haz (escala de tiempo lenta) o la fluctuación (escala de tiempo rápida) de un rayo láser. La fluctuación y la fluctuación del haz se pueden medir rastreando el centroide o pico del haz en un perfilador de haz CCD. La velocidad de fotogramas del CCD es típicamente de 30 fotogramas por segundo y, por lo tanto, puede capturar una fluctuación del haz inferior a 30 Hz; no puede ver vibraciones rápidas debido a la voz, 60 Hz.zumbido del motor del ventilador 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 sobre el ancho de banda que contiene la mayor potencia de ruido. Una medición típica de la fluctuación lenta de fase del haz implica seguir el centroide del haz durante varios minutos. La desviación rms de los datos del centroide da una imagen clara de la estabilidad de puntería del rayo láser. El tiempo de integración de la medición de la fluctuación del haz siempre debe acompañar al valor eficaz calculado. Aunque la resolución de píxeles de una cámara puede ser de varios micrómetros, la resolución del centroide de subpíxeles (posiblemente una resolución de decenas de nanómetros) se alcanza cuando la relación señal / ruidoes bueno y el rayo llena la mayor parte del área activa del CCD. ^[11]

La desviación del haz es causada por:

• Térmica lenta del láser. Los fabricantes de láser suelen tener una especificación de calentamiento para permitir que el láser se equilibre después del arranque.
• Desviación de la inclinación de la punta y del soporte óptico causada por gradientes térmicos, presión y aflojamiento de los resortes.
• Óptica montada de forma no rígida
• Vibraciones debidas a ventiladores, personas caminando / estornudando / respirando, bombas de agua y movimiento de vehículos fuera del laboratorio.

Tergiversación de las medidas del perfilador de haces para sistemas láser

Es una ventaja para la mayoría de los fabricantes de láser presentar las especificaciones de una manera que muestre su producto de la mejor manera, incluso si esto implica engañar al cliente. Las especificaciones de rendimiento del láser se pueden aclarar haciendo preguntas como:

• ¿La especificación es un rendimiento típico o en el peor de los casos?
• ¿Qué definición de ancho de haz se utilizó?
• ¿El parámetro M ^{2 es} para secciones transversales verticales y horizontales, o solo para la mejor sección transversal?
• ¿ ^Se midió el M ² utilizando la técnica estándar ISO o de alguna otra manera, por ejemplo, potencia en el cucharón?
• ¿Cuánto tiempo se tomaron los datos para obtener la fluctuación de haz rms especificada? (La fluctuación del rayo RMS empeora a medida que aumenta el intervalo de medición). ¿Cuál era el entorno del láser (mesa óptica, etc.)?
• ¿Cuál es el tiempo de calentamiento necesario para lograr el M ² , el ancho del haz, la divergencia, el astigmatismo y la fluctuación especificados ?

Técnicas

Los perfiladores de haces 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 usa una cámara para obtener imágenes del rayo. ^[12]

Técnicas de exploración-apertura

Las técnicas de apertura de exploración más comunes son la técnica del filo de la cuchilla y el perfilador de hendidura de exploración. El primero corta la viga con un cuchillo y mide la potencia transmitida cuando la hoja corta la viga. La intensidad medida frente a la posición de la cuchilla produce una curva que es la intensidad del haz integrado 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 cuchillas de alta precisión, cada uno de los cuales se despliega en un tambor giratorio y tiene un ángulo diferente con respecto a la orientación del haz. Luego, el haz escaneado se reconstruye 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 la medición de varias longitudes de onda, se utilizan diferentes detectores para permitir mediciones de rayos 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 hendiduras de escaneo utilizan una hendidura estrecha en lugar de un solo filo. En este caso,la intensidad está integrada sobre el ancho de la hendidura. La medida resultante es equivalente a la sección transversal original convolucionada con el perfil de la hendidura.

Estas técnicas pueden medir tamaños de puntos muy pequeños de hasta 1 μm y pueden usarse para medir directamente haces de alta potencia. No ofrecen lectura continua, aunque se pueden lograr tasas de repetición de hasta veinte hercios. Además, los perfiles dan intensidades integradas en las direcciones xey y no el perfil espacial 2D real (las intensidades integradas pueden ser difíciles de interpretar para perfiles de haz complicados). Por lo general, no funcionan para fuentes de láser pulsado, debido a la complejidad adicional de sincronizar el movimiento de la apertura y los pulsos del láser. ^[13]

Técnica de cámara CCD

La técnica de la cámara CCD es simple: atenúe y haga brillar un láser sobre un CCD y mida el perfil del haz directamente. Es por esta razón que la técnica de la cámara es el método más popular para perfilar el rayo láser. Las cámaras más utilizadas son las CCD de silicio que tienen diámetros de sensor de hasta 25 mm (1 pulgada) y tamaños de píxeles de hasta unos pocos micrómetros. Estas cámaras también son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda, desde UV profundo , 200 nm, hasta infrarrojo cercano , 1100 nm; esta gama de longitudes de onda abarca una amplia gama de medios de ganancia láser. Las ventajas de la técnica de la cámara CCD son:

• Captura el perfil de haz 2D en tiempo real
• Alto rango dinámico . Incluso el chip CCD de una cámara web tiene un rango dinámico de alrededor de 2⁸. ^[14]
• El software generalmente muestra métricas de haz críticas, como el ancho D4σ, en tiempo real
• Los detectores CCD sensibles pueden capturar los perfiles de haz de láseres débiles
• Resolución de hasta aproximadamente 4 μm, dependiendo del tamaño de píxel. En un caso especial, se demostró una resolución de ± 1,1 μm. ^[14]
• Las cámaras CCD con entradas de disparo se pueden utilizar para capturar perfiles de haz de láseres pulsados ​​de ciclo de trabajo bajo
• Los CCD tienen sensibilidades de longitud de onda amplia de 200 a 1100 nm

Las desventajas de la técnica de la cámara CCD son:

• Se requiere atenuación para láseres de alta potencia
• El tamaño del sensor CCD está limitado a aproximadamente 1 pulgada.
• Los CCD son propensos a florecer cuando se utilizan cerca del límite de su sensibilidad (por ejemplo, cerca de 1100 nm) ^{[15] [16]}

Resta de línea de base para medidas 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 de ancho de D4σ, los valores de píxeles de la línea de base se restan de la señal medida. Los valores de línea de base para los píxeles se miden registrando los valores de los píxeles del CCD sin luz incidente. El valor finito se debe a la corriente oscura , el ruido de lectura y otras fuentes de ruido. Para fuentes de ruido limitadas por ruido de disparo , la resta de la línea de base mejora la estimación de ancho D4σ como , donde está el número de píxeles en las alas. Sin la resta de la línea de base, se sobreestima el ancho de D4σ.${\displaystyle {\sqrt {N}}}$${\displaystyle N}$

Promedio para obtener mejores mediciones

El promedio de imágenes CCD consecutivas produce un perfil más limpio y elimina tanto el ruido del generador de imágenes CCD como las fluctuaciones de intensidad del rayo 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 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 . Entonces, por ejemplo, aumentar el número de promedios en un factor de 100 suaviza el perfil del haz en un factor de 10.

Técnicas de atenuación

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

• No da como resultado múltiples reflejos que dejan una imagen fantasma en el sensor CCD
• No da lugar a franjas de interferencia por reflejos entre superficies paralelas ni difracción por defectos.
• No distorsiona el frente de onda y será un elemento óptico con suficiente planitud óptica (menos de una décima de longitud de onda) y homogeneidad.
• Puede manejar la potencia óptica requerida

Para el perfilado del rayo 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

Artículo principal: filtro 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 baja potencia que involucran hasta aproximadamente 100 mW de potencia promedio. Por encima de esos niveles de potencia, pueden producirse lentes térmicos que provoquen cambios o deformaciones en el tamaño del haz debido a la baja conductividad térmica del sustrato (normalmente un vidrio). Una potencia más alta puede provocar que se derrita o se agriete. Los valores de atenuación del filtro absorbente 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 gafas). Por lo general, se puede esperar una variación de aproximadamente un 5-10% de la atenuación a través de 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 en último lugar antes del sensor CCD dará como resultado el mejor rechazo de imágenes fantasma debido a múltiples reflejos.

Los filtros reflectantes están fabricados con una fina capa metálica y, por tanto, funcionan en un ancho de banda mayor. Un filtro metálico ND 3 funcionará bien por encima de 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 medias de entrada más altas. Sin embargo, se adaptan menos a las altas potencias máximas de los láseres pulsados. Estos filtros funcionan bien con una potencia promedio de aproximadamente 5 W (más de aproximadamente 1 cm ²área de iluminación) antes de que el calentamiento haga que se agrieten. Dado que estos filtros reflejan la luz, se debe tener cuidado al apilar múltiples filtros ND, ya que múltiples reflejos entre los filtros causarán que una imagen fantasma 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 ocurre con 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 verse afectada", en el "orden difractado de orden cero", mientras que una pequeña cantidad del haz se difracta en un orden de difracción superior, proporcionando una "muestra" del haz. Al dirigir la luz muestreada en orden (s) superior (es) hacia un detector, es posible monitorear, en tiempo real, no solo los niveles de potencia de un rayo láser, sino también su perfil y otras características del láser.

Cuñas ópticas

Las cuñas ópticas y los reflejos de las superficies de vidrio óptico sin recubrimiento se utilizan para atenuar los rayos láser de alta potencia. Aproximadamente el 4% se refleja en la interfaz aire / vidrio y se pueden usar varias cuñas para atenuar en gran medida el haz a niveles que se pueden atenuar con filtros ND. El ángulo de la cuña se selecciona típicamente 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 requerido. Las cuñas tienen la desventaja de trasladar y doblar la dirección del haz: las trayectorias ya no estarán en coordenadas rectangulares convenientes. En lugar de usar una cuña, también puede funcionar una placa de vidrio grueso de calidad óptica inclinada hacia la viga; en realidad, esto es lo mismo que una cuña con un ángulo de 0 °.El vidrio grueso trasladará el haz pero no cambiará el ángulo del haz de salida. El vidrio debe ser lo suficientemente grueso para que el haz no se superponga consigo mismo para producir franjas de interferencia y, si es posible, que la reflexión secundaria no ilumine el área activa del CCD. losLa reflexión de Fresnel de un haz de una placa de vidrio es diferente para las polarizaciones s y p (s es paralelo a la superficie del vidrio y p es perpendicular as) y cambia en función del ángulo de incidencia; mantén esto en tenga 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: superficie plana de λ / 10 (λ = 633 nm) y rayado de 40-20 o mejor. Una placa de media onda seguida de un divisor de haz polarizadorforman 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 para aplicaciones de perfiles 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 se puede distorsionar en polarizadores de cubo con una atenuación muy alta. Los polarizadores de cubo económicos se forman uniendo dos prismas en ángulo recto. El pegamento no resiste bien las altas potencias; la intensidad debe mantenerse por debajo de 500 mW / mm ² . Los polarizadores de un solo elemento se recomiendan para altas potencias.

Tamaño de haz óptimo en el detector CCD

Hay dos requisitos en competencia que determinan el tamaño de haz óptimo en el detector CCD. Un requisito es que toda la energía, o la mayor cantidad posible, del rayo láser incida sobre el sensor CCD. Esto implicaría que deberíamos enfocar toda la energía en el centro de la región activa en un punto lo más pequeño posible usando solo algunos de los píxeles centrales para asegurar que las colas del haz sean capturadas por los píxeles externos. Este es un extremo. El segundo requisito es que necesitamos muestrear adecuadamente la forma del perfil de la viga. 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 existe una regla estricta para seleccionar el tamaño de haz óptimo. Siempre que el sensor CCD capture más del 90% de la energía del haz y tenga al menos 10 píxeles a través de él,las medidas del ancho del haz tendrán cierta precisión.

Tamaño de píxel y número de píxeles

Cuanto más grande 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 más grandes. 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. Leer la matriz en tiempo real es esencial para cualquier ajuste u optimización del perfil láser.

Perfilador de haz de campo lejano

Un perfilador de haz de campo lejano no es más que perfilar el haz en el foco de una lente. Este plano a veces se llama plano de Fourier y es el perfil que se vería si el rayo 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 para abarcar varios píxeles. El tamaño del punto es aproximadamente f λ / D , donde f es la distancia focal de la lente, λ es la longitud de onda de la luz y Des 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 rayo 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 en el pasado han dado paso a los 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 súper precisa y monitoreo simultáneo de múltiples puertos de sistemas láser.

Reemplazo del iris con precisión de alineación de microrradianes

En el pasado, la alineación de los rayos láser se realizaba con iris. Dos lirios definían de forma única la trayectoria del haz; cuanto más separados estuvieran los iris y más pequeños los orificios del iris, mejor se definió el camino. La apertura más pequeña que puede definir un iris es de aproximadamente 0,8 mm. En comparación, el centroide de un rayo láser se puede determinar con una precisión submicrométrica con un perfilador de rayo láser. El tamaño de apertura efectivo del perfilador de rayo láser es tres órdenes de magnitud más pequeño que el de un iris. En consecuencia, la capacidad de definir una trayectoria óptica es 1000 veces mejor cuando se utilizan perfiladores de haz sobre 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 paso múltiple .

Monitoreo simultáneo de múltiples puertos del sistema láser

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

Ver también

• Calidad del rayo láser

Referencias

1. R. Bolton, "Revise su rayo láser", Photonics Spectra , junio de 2002. Tabla 1.
2. ISO 11146-1: 2005 (E), "Láseres y equipos relacionados con láser. Métodos de prueba para anchos de rayo láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del rayo. Parte 1: Rayos astigmáticos simples y estigmáticos".
3. ISO 11146-2: 2005 (E), "Láseres y equipos relacionados con láser. Métodos de prueba para anchos de rayo láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del rayo. Parte 2: Rayos astigmáticos generales".
4. ISO 11146-1: 2005 (E), "Láseres y equipos relacionados con láser. Métodos de prueba para anchos de rayo láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del rayo". Parte 3: Clasificación, propagación y detalles de los métodos de prueba de rayos láser intrínsecos y geométricos. "
5. Ankron. " Definición estándar de ancho de haz " Nota Técnica 13 Sep 2008,
6. AE Siegman, " Cómo (quizás) medir la calidad del rayo láser ", presentación del tutorial en la reunión anual de la Optical Society of America en Long Beach, California, octubre de 1997.
7. AE Siegman, " Cómo (quizás) medir la calidad del rayo láser ", presentación del tutorial en la reunión anual de la Optical Society of America en Long Beach, California, octubre de 1997, p.9.
8. M. Born y E. Wolf, Principios de óptica : teoría electromagnética de propagación, interferencia y difracción de la luz , sexta edición, Cambridge University Press, 1997.
9. Observatorio WM Keck del medidor Strehl .
10. Medición de la divergencia del rayo láser Nota de aplicación de US Laser Corps
11. Ankron. " Nota técnica 5: Cómo medir la fluctuación 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. " Análisis de haz de alta potencia "
14. G. Langer et al., "Una cámara web en modo Bayer como un generador de perfiles de haz de luz para el infrarrojo cercano", Óptica y láseres en ingeniería , 51 (2013) 571–575.
15. Aharon. " Análisis de haz de banda espectral amplia "
16. Aharon. " Sistema de metrología para la inter-alineación de láseres, telescopios y datum mecánico "

• Medición de perfiles de rayo láser