El haz de láser de perfiles

Información general
Instrumentos láser de haz perfilado medir las cantidades siguientes:
Ancho del haz: Hay más de cinco definiciones de la anchura del haz.
Calidad del haz: cuantificada por el parámetro de calidad del haz, M2.
Divergencia del haz: Esta es una medida de la difusión de la viga con la distancia.
Perfil de la viga: Un perfil de la viga es la trama 2D intensidad de un rayo en un lugar determinado a lo largo de la trayectoria del haz. Un perfil de Gauss o plano superior es a menudo deseada. El perfil del haz indica molestia de orden superior modos espaciales en una cavidad láser, así como los puntos calientes en la viga.
Astigmatismo Manga: El rayo es astigmatismo cuando las partes verticales y horizontales de la viga se centran en diferentes lugares a lo largo de la trayectoria del haz.
Haz pasear o jitter: La cantidad que el valor de centroide o pico del perfil del haz se mueve con el tiempo.
Instrumentos y técnicas se desarrollaron para obtener las características del haz mencionadas anteriormente. Estos incluyen:
Técnicas de la cámara: Esto incluye la iluminación directa de un sensor de la cámara. El tamaño del punto máximo que cabe en un sensor CCD es del orden de 10 mm. Por otra parte, iluminando una superficie plana y difusa con el láser y la imagen de la luz en un CCD con un lente permite que el perfil de las vigas de mayor diámetro. Láser de visión de las superficies difusas es excelente para anchos de viga grande, sino que requiere una superficie difusa que tiene la reflectividad uniforme (variación de <1%) sobre la superficie iluminada.
Filo de la navaja técnica: Una cuchilla giratoria o hendidura corta el rayo láser antes de la detección de un medidor de potencia. El medidor de potencia mide la intensidad en función del tiempo. Mediante la adopción de los perfiles de intensidad integrada en una serie de cortes, el perfil de la viga original puede ser reconstruido a base de algoritmos desarrollados para la tomografía. Esto generalmente no funciona para los láseres pulsados, y no ofrece un perfil real del haz en 2D, pero tiene una excelente resolución, en algunos casos, <1 m.
Técnicas históricas: Estos incluyen el uso de placas fotográficas y las placas de quemaduras. Por ejemplo, láseres de alta potencia de dióxido de carbono se perfila al observar las quemaduras lento en bloques de acrilato.
A partir de 2002 [update], comercial filo de la navaja los sistemas de medición de gastos de $ 5,000 $ 12,000 USD y perfiles de CCD haz un costo de $ 4,0009,000 USD. El costo de la CCD perfiles de viga se ha reducido en los últimos años, impulsado principalmente por la disminución de los costos de sensor CCD de silicio, y a partir de 2008 [update] se pueden encontrar por menos de $ 1000 USD.
Aplicaciones
Las aplicaciones de los perfiles de rayo láser incluyen:
El corte con láser: El láser con un perfil de haz elíptico tiene un corte más ancho a lo largo de una dirección que a lo largo de la otra. El ancho del haz de influencias de los bordes de la herida. Un ancho de haz estrecho rendimientos influencia alta y se ioniza, más que se derrite, la pieza mecanizada. Bordes ionizado son más limpios y menos moleteado que los bordes fundidos.
La óptica no lineal: la eficiencia de conversión de frecuencia no lineal en materiales ópticos es proporcional al cuadrado (a veces en cubos o más) de la intensidad de la luz de entrada. Por lo tanto, para obtener la conversión de frecuencia eficaz de la cintura del haz de entrada debe ser lo más pequeño posible. Un perfil del haz puede ayudar a minimizar la cintura del haz en el cristal no lineal.
Alineación: perfiles de viga alinear las vigas con las órdenes de magnitud mejor precisión angular de los lirios.
Seguimiento láser: A menudo es necesario para controlar la salida del láser para ver si los cambios del perfil del haz después de largas horas de operación. El mantenimiento de una forma de la viga en particular es fundamental para el sistema de óptica adaptativa, óptica no lineal, y la emisión láser a fibra. Además, el estado de láser se puede medir por los emisores de imagen de una barra de la bomba de láser de diodo y contando el número de emisores que no han podido o mediante la colocación de perfiles de varias vigas en varios puntos a lo largo de una cadena de amplificación láser.
Láser y el desarrollo de láser amplificador: relajación térmica en el pulso de bombeo amplificadores causa variaciones espaciales y temporales en el cristal de aumento, efectivamente distorsionar el perfil de la viga de la luz amplificada. Un perfilador haz colocado a la salida del amplificador produce una gran cantidad de información acerca de los efectos térmicos transitorios en el cristal. Mediante el ajuste de la corriente de la bomba al amplificador y ajuste el nivel de potencia de entrada, el perfil del haz de salida se pueden optimizar en tiempo real.
Medición de campo lejano: Es importante conocer el perfil del haz de un láser para el radar de láser o espacio libre de comunicación óptica a larga distancia, el llamado ar-campo. El ancho de la viga en el campo lejano determina la cantidad de energía recogida por un receptor de comunicaciones y la cantidad de energía incidente sobre el blanco LADAR. La medición del perfil del haz de campo lejano directamente es a menudo imposible en un laboratorio debido a la longitud del camino largo necesario. Un objetivo, por el contrario, transforma el haz de manera que el campo lejano se produce cerca de su objetivo. Un perfilador haz colocado cerca del foco de la lente mide el perfil de la viga de campo lejano en mucho menos espacio de sobremesa.
La educación: perfiles de viga se pueden utilizar para los laboratorios de los estudiantes para verificar las teorías de la difracción y la prueba de la Fraunhofer o aproximaciones de Fresnel de difracción integral. Otras ideas incluyen el uso de laboratorio de los estudiantes un analizador de haz para medir punto de Poisson de un disco opaco y para trazar el patrón de difracción de Airy disco de un disco claro.
Mediciones
Ancho del haz
Artículo principal: Diámetro del haz
El ancho del haz es la característica más importante de un perfil de rayo láser. Al menos cinco definiciones de la anchura del haz son de uso común: D4, 10/90 o 20/80 filo de la navaja, 1/e2, FWHM, y D86. El ancho del haz D4 es la definición de la norma ISO y la medición de los parámetros de calidad del haz M requiere la medición de los anchos de D4. Las definiciones que proporcionan información complementaria a la D4 y se utilizan en diferentes circunstancias. La elección de la definición puede tener un gran efecto en el número ancho de haz obtenidos, y es importante usar el método correcto para cada aplicación concreta. El D4 y ancho filo de la navaja, son sensibles al ruido de fondo en el detector, mientras que el ancho de 1/e2 FWHM y no lo son. La fracción del total de energía de la viga que abarca el ancho del haz depende de la definición que se utiliza.
D4 o anchura segundo momento
D4 es una abreviación para el diámetro que es 4 veces, ¿dónde está la desviación estándar de la distribución marginal horizontal o vertical. Matemáticamente, el ancho del haz D4 en el x-dimensión de la viga de perfil I (x, y) se expresa como
,
donde
es el centro de gravedad del perfil del haz en la dirección x. Las alas del perfil del haz influir en el valor de D4 más que el centro del perfil de la viga desde las alas de la distribución marginal se ponderan por el cuadrado de su distancia, x2, desde el centro de la viga. Si el haz no llenar más de un tercio de la superficie del sensor de haz de perfiles, entonces habrá un gran número de píxeles en los bordes del sensor que registra un valor de referencia pequeños (el valor de fondo). Si el valor de referencia es grande o si no se sustrae de la imagen, el valor calculado D4 será mayor que el valor real debido a que el valor de referencia cerca de los bordes del sensor se ponderarán de la integral D4 por x2. Por lo tanto, de referencia resta es necesario para las mediciones precisas D4. La línea base es fácil de medir mediante el registro del valor medio para cada píxel en el sensor no está iluminado. El ancho de D4, a diferencia de los anchos de FWHM y 1/e2, es significativo para multimodal distribuciones marginales, es decir, los perfiles de viga con varios picos, pero requiere de una cuidadosa sustracción de la línea para obtener resultados precisos. El D4 es la norma internacional de definición estándar para el ancho de haz.
Filo de la navaja de ancho
Antes de la llegada de los perfiles de CCD viga, el ancho del haz se estimó mediante la técnica del filo de la navaja. La técnica es la siguiente: cortar un rayo láser con una navaja y medir la potencia del haz recortado en función de la posición de afeitar. La curva de medición es la integral de la distribución marginal, y se inicia en la energía de la viga total y disminuye monótonamente a cero de energía. El ancho del haz se define como la distancia entre los puntos de la curva mide entre 10% y 90% (o el 20% y 80%) del valor máximo. Si el valor de referencia es pequeña o sustraído, el ancho del haz filo de la navaja siempre corresponde al 60%, en el caso de 20/80, o el 80%, en el caso del 10/90, del total de energía de la viga, sin importar lo que el perfil de la viga. Por otro lado, el D4, 1/e2 y ancho FWHM incluir fracciones de poder que están en forma de haz dependiente. Por lo tanto, el 10/90 o 20/80 filo de la navaja de ancho es una medida útil cuando el usuario desea estar seguro de que el ancho abarca una fracción fija de la energía del haz total. La mayoría de los CCD viga-profiler software puede calcular el ancho filo de la navaja numéricamente.
Ancho 1/e2
El ancho 1/e2 es igual a la distancia entre los dos puntos en la distribución marginal que se 1/e2 = 0,135 veces el valor máximo. Si hay más de dos puntos que son tiempos 1/e2 el valor máximo, los dos puntos más cercanos al máximo son los elegidos. El ancho 1/e2 sólo depende de 3 puntos en la distribución marginal, a diferencia de D4 y filo-anchos que dependen de la integral de la distribución marginal. Mediciones 1/e2 ancho son más ruidosas que las mediciones de ancho de D4 para cada cuadro recogido CCD. Para multimodal distribuciones marginales (un perfil de la viga con múltiples picos), el ancho 1/e2 por lo general no da un valor significativo y se puede subestimar groseramente la anchura inherente de la viga. Para la distribución multimodal, una anchura D4 sería una mejor opción.
La American National Standard Z136.1-2007 para un uso seguro de los Láseres (p.6) define el diámetro del haz como la distancia entre los puntos diametralmente opuestos en que la sección transversal de una viga en la potencia por unidad de área es 1 / e (0,368 ) veces mayor que el pico de potencia por unidad de área. Esta es la definición diámetro del haz que se utiliza para calcular la exposición máxima permisible a un rayo láser. Además, la Administración Federal de Aviación también utiliza la definición de 1 / e para los cálculos de la seguridad del láser en la Orden de la FAA 7400.2F, “Procedimientos para el manejo de asuntos del espacio aéreo,” 16 de febrero de 2006, p. 29-1-2.
D86 anchura
El ancho de D86 se define como el diámetro del círculo que se centra en el centro de gravedad del perfil de la viga y contiene 86% de la energía de la viga. La solución para la D86 se encuentra calculando el área de círculos cada vez mayores en todo el centro de gravedad hasta que el área contiene 0,86 de la potencia total. A diferencia de las definiciones anteriores haz ancho, el ancho de D86 no se deriva de las distribuciones marginales. El porcentaje de 86 extraños, en lugar de 50, 80 o 90, es elegido por una circular de perfil gaussiano haz de luz hacia abajo para 1/e2 de su valor máximo contiene 86% de su potencia total. El ancho de D86 se utiliza a menudo en aplicaciones que tienen que ver con saber exactamente cuánta energía se encuentra en un área determinada. Por ejemplo, de alta energía y las armas láser ladars son dos aplicaciones que requieren un conocimiento preciso de la cantidad de energía transmitida en realidad se ilumina el blanco.
Calidad del haz
Haz parámetro de calidad, M2
Artículo principal: producto haz parámetro
El parámetro M2 es una medida de calidad de la luz, un valor bajo indica M2 calidad del haz el bien y la capacidad de enfocar a una situación difícil. El valor M es igual a la relación del ángulo del haz de divergencia con la de un haz gaussiano con el mismo ancho de la cintura D4. Ya que el haz gaussiano diverge más lentamente que cualquier otra forma de la viga, el parámetro M2 es siempre mayor que o igual a uno. Otras definiciones de calidad de la luz se han utilizado en el pasado, pero el uso de ancho de segundo momento se acepta más comúnmente.
Calidad de la luz es importante en muchas aplicaciones. En las vigas de fibra óptica de comunicación con una cerca de M2 a 1 es necesario para el acoplamiento a un solo modo de fibra óptica. Tiendas de láser de la máquina se preocupan mucho por el parámetro M2 de su láser, porque las vigas se centrará en un área que es varias veces mayor que la M2 de un haz gaussiano con la misma longitud de onda y ancho de la cintura D4, es decir, las escalas de influencia como una / M2. La regla general es que los aumentos de M2 a medida que aumenta la potencia del láser. Es difícil obtener una calidad excelente y haz de alta potencia media (100 W a KWS) debido a la lente térmica en el medio de ganancia del láser.
El parámetro M2 se determina experimentalmente de la siguiente manera:
Mida el ancho de D4 a las 5 posiciones de los ejes cerca de la cintura del haz (el lugar donde el haz es más estrecho).
Mida el ancho de D4 a las 5 posiciones axiales por lo menos una longitud de Rayleigh lejos de la cintura.
Ajustar los 10 puntos de datos medidos para, en 2 (z) es el segundo momento de la distribución en la dirección X o Y (véase la sección sobre D4 ancho del haz), y z0 es la ubicación de la cintura con un ancho de haz de segundo momento de 20 . Montaje de los 10 puntos de datos rendimientos M2, z0, y 0. Siegman mostró que todos los perfiles de haz de Gauss, la parte superior plana, TEMXY, o cualquier forma debe seguir la ecuación anterior, siempre que el radio del haz se utiliza la definición D4 de la anchura del haz. Utilizando el 10/90 filo de la navaja, la D86, o el ancho de FWHM no funciona.
Completa de E-campo del haz de perfiles
Perfiles de medir la intensidad del haz, | E-campo | 2, del perfil de rayo láser, pero no dió ningún información sobre la fase de la E-campo. Para caracterizar completamente el campo E en un plano dado, tanto en la fase y la amplitud de perfiles deben ser conocidos. Las partes real e imaginaria del campo eléctrico se puede caracterizar con dos perfiles de haz de CCD que muestra la viga en dos planos separados de propagación, con la aplicación de un algoritmo de la fase de recuperación de los datos capturados. La ventaja de caracterizar completamente el campo E en un plano es que el perfil de campo eléctrico se puede calcular para cualquier otro plano de la teoría de la difracción.
Poder en el cubo o la definición de la calidad del haz Strehl
El parámetro M2 no es toda la historia en la especificación de calidad del haz. Una baja M2 sólo implica que el segundo momento del perfil del haz se expande lentamente. Sin embargo, dos haces con la misma M2 no puede tener la misma fracción de la energía entregada en un área determinada. Poder en el cubo y la relación de Strehl dos intentos de definir la calidad del haz en función de la cantidad de energía se entrega a una determinada zona. Desafortunadamente, no hay un tamaño cuchara estándar (D86 anchura, la anchura del haz gaussiano, valores nulos Airy disco, etc) o un cubo de forma (circular, rectangular, etc) y no hay ningún rayo estándar para comparar la proporción de Strehl. Por lo tanto, estas definiciones siempre se debe especificar antes de que un número se le asigna y presenta muchas dificultades al tratar de comparar los láseres. Tampoco hay una conversión simple entre M2, el poder en el cubo, y la relación de Strehl. El ratio de Strehl, por ejemplo, se ha definido como la relación entre el pico de intensidad de coordinación en las funciones de difusión e ideal punto de aberración. 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 flujo del mismo total. Dado que hay muchas formas de poder en el cubo y la relación de Strehl se ha definido en la literatura, la recomendación es seguir con la definición de la norma ISO M2 para el parámetro de calidad de la luz y ser conscientes de que una proporción de 0,8 Strehl, para ejemplo, no significa nada a menos que el ratio de Strehl es acompañada de una definición.
Haz de divergencia
Artículo principal: Divergencia del rayo
La divergencia del haz de un rayo láser es una medida de la rapidez del rayo se extiende muy lejos de la cintura del haz. Por lo general se define como la derivada de la radio de la viga con respecto a la posición axial en el campo lejano, es decir, a una distancia de la cintura del haz, que es mucho mayor que la longitud de Rayleigh. Esta definición produce una divergencia de medio ángulo. (A veces, los ángulos completo se utilizan en la literatura, que son dos veces más grande.) Por un haz de difracción limitada de Gauss, la divergencia del haz es / (w0), donde es la longitud de onda (en el medio) y w0 el radio del haz ( radio con una intensidad 1/e2) en la cintura del haz. Una divergencia del haz grande para una radio del haz en cuestión corresponde a la calidad de la luz mala. Una divergencia del haz de baja puede ser importante para aplicaciones tales como señalar o espacio libre de comunicación óptica. Vigas con la divergencia muy pequeña, es decir, con un radio de aproximadamente constante a lo largo del haz distancias de propagación significativa, se llaman rayos paralelos. Para la medición de la divergencia del haz, se suele medir el radio del haz en diferentes posiciones, por ejemplo, utilizando un analizador de haz. También es posible obtener la divergencia del haz del perfil de amplitud compleja de la viga en un solo plano: Fourier espacial transforma entregar la distribución de frecuencias espaciales transversales, los cuales están directamente relacionados con los ángulos de propagación. Ver nota de aplicación láser EE.UU. Cuerpo de un tutorial sobre cómo medir la divergencia del haz láser con una lente y una cámara CCD.
Haz astigmatismo
Ver también: Astigmatismo
El astigmatismo en un rayo láser se produce cuando las secciones transversales horizontales y verticales de la viga se centran en diferentes lugares a lo largo de la trayectoria del haz. El astigmatismo se puede corregir con un par de lentes cilíndricas. La métrica para el astigmatismo es el poder de la lente cilíndrica necesaria para que los focos de las secciones transversales horizontales y verticales entre sí. El astigmatismo es causado por:
Lente térmica de Nd: YAG amplificadores de la losa. Una losa que se encuentra entre dos lavabos térmico de metales tendrá un gradiente de temperatura entre los disipadores de calor. El gradiente térmico provoca un índice de refracción de gradiente que es muy similar a una lente cilíndrica. La lente cilíndrica causada por el amplificador el haz astigmático.
Inigualable lentes cilíndricas o error en la colocación de estas ópticas.
Propagación a través de un cristal no lineal uniaxial (común en los lineales de cristales ópticos). El x-e y-E campos polarizada experiencia de los diferentes índices de refracción.
No se propagan a través del centro de una lente esférica o un espejo.
El astigmatismo puede ser caracterizada por un perfil del CCD haz mediante la observación de la x y la cintura y haz ocurrir como el perfilador se traduce a lo largo de la trayectoria del haz.
Haz pasear o jitter
Cada rayo láser se pasea y el nerviosismo, aunque una pequeña cantidad. El típico cinemática inclinable punta se desplaza por el monte alrededor de 100 rad por día en un entorno de laboratorio (aislamiento de vibraciones a través de mesa óptica, temperatura y presión constantes, y no la luz del sol que hace que las piezas del calor). Un rayo láser incidente en este espejo se traducirán en 100 m en un radio de 1000 km. Esto podría hacer la diferencia entre dar o no golpear a un satélite de comunicaciones de la Tierra. Por lo tanto, existe un gran interés en la caracterización del haz de caminar (escala de tiempo lenta) o jitter (escala de tiempo rápido) de un rayo láser. El haz de vagar y jitter se puede medir mediante el seguimiento del centroide o pico de la viga en un analizador de haz de CCD. La velocidad de cuadros CCD es normalmente de 30 fotogramas por segundo y por lo tanto puede capturar jitter viga que está más lento que el de 30 Hz se puede ver las vibraciones rápido debido a una sola voz, 60 Hz zumbido del ventilador del motor, o de otras fuentes de las 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 rápido como para capturar el haz de vagar por el ancho de banda que contiene la mayor potencia del ruido. Un típico rayo pasear medida implica el seguimiento del centroide de la viga durante varios minutos. La desviación cuadrática media de los datos centroide da una imagen clara de la estabilidad del haz de láser que apunta. El tiempo de integración de la medición del jitter haz siempre debe acompañar el valor calculado rms. A pesar de que la resolución de píxeles de una cámara puede ser de varios micrómetros, se alcanza sub-píxeles de resolución centroide (posiblemente decenas de nanómetros de resolución), cuando la relación señal-ruido es bueno y el haz ocupa la mayor parte del área de CCD activo.
Haz de la itinerancia es causada por:
Termalización lento del láser. Fabricantes de impresoras láser por lo general tienen una especificación de calentamiento para permitir que el láser a la deriva a un equilibrio después del inicio.
Consejo de inclinación y desplazamiento de montaje óptico causado por gradientes térmicos, de presión, y el aflojamiento de los resortes.
No montado de forma rígida óptica por accidente, por supuesto!
Vibración debido a los fans, la gente que camina / estornudar / respiración, bombas de agua, y el movimiento de vehículos fuera del laboratorio.
Tergiversación de la viga de mediciones de perfiles para sistemas láser
Es una ventaja para la mayoría de los fabricantes de impresoras láser a las especificaciones actuales de una manera que muestre sus productos de la mejor manera, incluso si esto implica confundir al cliente. Datos del láser de rendimiento se pueden aclarar con preguntas tales como:
Es la especificación de rendimiento típico o peor de los casos?
¿Qué definición ancho de haz se utiliza?
M2 es el parámetro para secciones verticales y horizontales, o sólo para la sección mejor?
M2 fue medida utilizando la técnica de la norma ISO o alguna otra forma por ejemplo, poder en el cubo.
Durante el tiempo que se toma los datos para llegar a la fluctuación del haz especifica rms. (Jitter RMS haz empeora a medida que aumenta el intervalo de medición.) ¿Cuál fue el ambiente de láser (mesa óptica, etc)?
¿Cuál es el tiempo de calentamiento necesario para alcanzar los especificados M2, el ancho del haz, la divergencia, el astigmatismo y la inestabilidad?
Técnicas
Perfiles de viga generalmente se dividen en dos clases: la primera utiliza un fotodetector simple detrás de una abertura que se explora sobre la viga. La segunda clase se utiliza una cámara a la imagen de la viga.
Apertura técnicas de barrido
Las técnicas de exploración más comunes son la apertura de la técnica filo de la navaja y el perfilador de exploración rendija. Las chuletas de primera de la viga con un cuchillo y se mide la potencia de transmisión como la cuchilla corta el haz. La intensidad de la medida frente a la posición de cuchillo a una curva que es la intensidad de haz de luz en una dirección. Mediante la medición de la curva de intensidad de varias direcciones, el perfil de la viga original puede ser reconstruido a base de algoritmos desarrollados para rayos X de tomografía.
Corte de perfiles de escaneo-uso de una estrecha ranura en lugar de un solo filo de la navaja. En este caso, la intensidad está integrado por la rendija. La medida resultante es equivalente a la sección transversal original convolucionada con el perfil de la ranura.
Estas técnicas pueden medir el tamaño de punto muy pequeño de hasta 1 m, y puede ser utilizado para medir directamente las luces altas de poder. No ofrecen lectura continua, aunque las tasas de repetición de hasta diez hertz se puede lograr. Además, los perfiles de dar intensidades integradas en las direcciones x e y, y no el actual perfil 2D espacial (la integración de las intensidades pueden ser difíciles de interpretar para los perfiles de viga complicado). Por lo general no trabajan para las fuentes de láser pulsado, debido a la complejidad adicional de sincronizar el movimiento de la abertura y los pulsos del láser. [Cita requerida]
CCD de la cámara técnica
La técnica de la cámara CCD es simple: atenuar y brillar un rayo láser en un CCD y medir el perfil de la viga directamente. Es por esta razón que la técnica de la cámara es el método más popular para crear perfiles de rayo láser. Las cámaras más populares utilizados son CCD de silicio que tienen un diámetro de sensores que van hasta 25 mm (1 pulgada) y tamaño de píxel de hasta unas pocas micras. Estas cámaras son sensibles a una amplia gama de longitudes de onda, los rayos UV de profundidad, 200 nm, para el infrarrojo cercano, 1100 nm, este rango de longitudes de onda abarcan una amplia gama de medios de ganancia del láser. Las ventajas de la técnica de la cámara CCD son las siguientes:
Captura el perfil de la viga 2D en tiempo real
Software suele mostrar indicadores críticos del haz, como el ancho D4, en tiempo real
Sensibles detectores CCD puede captar los perfiles de haz de láser débil
Resolución de hasta unos 5 m
Cámaras CCD con entradas de disparo se pueden utilizar para la captura de perfiles de haz de láser de bajo ciclo de trabajo pulsado
CCD tienen sensibilidades amplio de longitudes de onda desde 200 hasta 1100 nm
Las desventajas de la técnica de la cámara CCD es que la atenuación es necesaria para los láseres de alta potencia, y el tamaño del sensor CCD se limitan a alrededor de 1 pulgada.
De referencia para las mediciones de ancho de sustracción D4
El ancho de D4 es sensible a la energía del haz o el ruido en la cola del pulso debido a los píxeles que están lejos de ser el centro de gravedad de haz ancho de contribuir a la D4 como cuadrado de la distancia. Para reducir el error en la estimación de ancho de D4, los valores de píxel de referencia se restan de la señal medida. Los valores de referencia para los píxeles se mide mediante el registro de los valores de los píxeles del CCD sin luz incidente. El valor finito es debido a la oscuridad de ruido actuales, la lectura, y otras fuentes de ruido. -Por el ruido de disparo limitada en las fuentes de ruido, de referencia resta mejora la estimación del ancho de D4, como, donde N es el número de píxeles en las alas. Sin referencia resta, el ancho D4 está sobreestimada.
Promedio para obtener mejores mediciones
Promedio consecutivos imágenes CCD se obtiene un perfil limpio y elimina los CCD el ruido y las fluctuaciones de la intensidad del rayo láser. La relación señal-ruido (SNR) de un pixel por un perfil de la viga se define como el valor medio de los píxeles, dividido por la raíz cuadrada media (RMS) de valor. El SNR mejora a medida que la raíz cuadrada del número de fotogramas capturados por el ruido de disparo procesos de ruido de la corriente oscura, ruido de lectura, y el ruido de detección de Poisson. Así, por ejemplo, aumentando el número de promedios por un factor de 100 suaviza el perfil de la viga en un factor de 10.
Técnicas de atenuación
Dado que los sensores CCD son muy sensibles, la atenuación es casi siempre necesaria para el perfil de haz adecuado. Por ejemplo, 40 dB (ND 4 ó 10-4) de la atenuación es típico de un láser de HeNe milivatios. Atenuación adecuada tiene las siguientes propiedades:
No da lugar a múltiples reflexiones dejando una imagen fantasma en el sensor CCD
No distorsionar el frente de onda y será un elemento óptico con la planitud óptica suficiente (menos de un décimo de una longitud de onda)
Se puede manejar la potencia óptica necesaria
Para crear perfiles de rayo láser con sensores CCD, por lo general dos tipos de atenuadores se utilizan: Los filtros de densidad neutra, y las cuñas o grueso planos ópticos.
Filtros de densidad neutra
Artículo principal: filtro de densidad neutra
De densidad neutra (ND) filtros son de dos tipos: de absorción y reflexión. Filtros de absorción (por ejemplo de 1234 Schott vidrio) para aplicaciones de baja potencia que involucran a cerca de 100 mW de potencia media. Por encima de los niveles de potencia, se corre el riesgo de fusión del filtro. De absorción de los valores de atenuación del filtro son válidos para todo el espectro visible (500700 nm) y no son válidas fuera de esa región espectral. Por lo general, se puede esperar que aproximadamente el 10% de variación de la atenuación a través de una de 2 pulgadas (51 mm) de filtro ND. Los valores de atenuación de los filtros ND se especifican logarítmica. Un filtro ND 3 transmite 10.3 de la potencia del haz incidente. La colocación de la mayor atenuador última antes de que el sensor CCD se traducirá en el mayor rechazo de las imágenes fantasma, debido a múltiples reflexiones. Filtros de reflexión se hacen con un recubrimiento metálico delgado y por lo tanto, operar en un ancho de banda mayor. Un filtro metálico ND 3 será bueno en 2.002.000 nm. La atenuación aumentará rápidamente, fuera de esta región del espectro. Estos filtros reflejan más que absorben la energía incidente, y por lo tanto pueden manejar mayores potencias de entrada. Estos filtros funcionan bien a cerca de 5 W de potencia media (por encima de 1 cm2 de iluminación) antes del calentamiento hace que se agriete. Dado que estos filtros reflejan la luz, se debe tener cuidado al apilar varios filtros ND, ya que las reflexiones múltiples entre los filtros hará que una imagen fantasma de interferir con el perfil de la viga original. Una forma de mitigar este problema es mediante la inclinación de la pila de filtro ND. Suponiendo que la absorción del metal filtro ND es insignificante, el orden de la materia ND pila filtro doesn, como lo hace con los filtros de absorción.
Cuñas ópticas
Cuñas ópticas y los reflejos de las superficies de vidrio sin recubrimiento óptico se utiliza para atenuar los rayos láser de alta potencia. Cerca del 4% se refleja en la interfase aire / de cristal y las cuñas se pueden utilizar varios para atenuar en gran medida la viga a niveles que pueden ser atenuados con los filtros ND. El ángulo de la cuña lo general se selecciona de manera que la segunda reflexión de la superficie no llega al área activa de la CCD. Cuanto más lejos que el CCD es de la cuña, el más pequeño es el ángulo deseado. Las cuñas tienen la desventaja de dos traducir y doblar la dirección del haz de vías que ya no se encuentran en la práctica las coordenadas rectangulares. En lugar de utilizar una cuña, una placa de vidrio de calidad óptica de espesor inclinada hacia el rayo también puede funcionar en realidad, este es el mismo como una cuña con un ángulo de 0. El cristal grueso se traducirá la viga, pero no va a cambiar el ángulo del haz de salida. El cristal debe ser lo suficientemente gruesa para que el reflejo secundario no se ilumina el área activa de la CCD. La reflexión de Fresnel de una viga de una placa de vidrio es diferente para los s-y p-polarización (s es paralela a la superficie del vidrio, y p es perpendicular a s) y los cambios en función del ángulo de incidencia que tenga esto en mente si usted espera que las dos polarizaciones tienen diferentes perfiles de haz. Para evitar la distorsión del perfil de la viga, el vidrio debe ser de la planitud óptica de una superficie de calidad / 10 (= 633 nm) y los arañazos de excavación de 40 a 20 o mejor. Una placa de media onda seguido por un divisor de haz de polarización forma un atenuador variable y esta combinación se utiliza a menudo en los sistemas ópticos. El atenuador variable hecho de esta manera no se recomienda para la atenuación de las aplicaciones de creación de perfiles del haz debido a que: (1) el perfil de la viga en las dos polarizaciones ortogonales pueden ser diferentes, y (2) el cubo de la polarización del haz puede tener un valor bajo del umbral de daño óptico. Polarizadores barato cubo están formadas por dos prismas cementación ángulo recto entre sí. La cola no se sostiene bien en altas potencias se debe mantener la intensidad de menos de 500 mW/mm2. Solo elemento-polarizadores se recomiendan para altas potencias.
Tamaño del haz óptimo en el detector CCD
Hay dos requisitos de la competencia que determinar el tamaño óptimo del haz en el detector CCD. Un requisito es que toda la energía o la mayor parte de ella como sea posible del rayo láser incide sobre el sensor CCD. Esto implica que debemos centrar toda la energía en el centro de la región activa en el menor espacio posible, utilizando sólo algunos de los píxeles centrales para asegurar que las colas de la viga son capturados por los píxeles exteriores. Este es uno de los extremos. El segundo requisito es que tenemos que probar adecuadamente la forma del perfil del haz. Como regla general, queremos que al menos 10 píxeles a través de la zona que abarca la mayor parte, que el 80% de la energía en el haz. Por lo tanto, no hay ninguna regla dura y rápida para seleccionar el tamaño del haz óptimo. Siempre y cuando el sensor CCD captura más del 90% de la energía del haz y tiene al menos 10 píxeles a través de ella, las mediciones de ancho de haz se tiene algo de precisión.
Tamaño de píxel y el número de píxeles
Cuanto mayor es el sensor CCD, mayor será el tamaño de la viga que se pueden perfilar. A veces esto se produce a costa de los tamaños de pixel más grande. Tamaños pequeños píxeles se desean para la observación de rayos centrado. Un CCD de megapíxeles no es siempre mejor que un conjunto más pequeño desde los tiempos de lectura en la computadora puede ser incómodamente largas. La lectura de la matriz en tiempo real es esencial para cualquier ajuste o la optimización del perfil de láser.
Campo lejano rayo de perfiles
Un gran campo del haz de perfiles no es más que el perfil de la viga en el foco de una lente. Este avión es a veces llamado el plano de Fourier y es el perfil que uno vería si el haz de propagarse muy lejos. La viga en el plano de Fourier es la transformada de Fourier del campo de entrada. Se debe tener cuidado en la creación de una medición de campo lejano. El tamaño del punto focal debe ser lo suficientemente grande como para extenderse a lo largo de varios píxeles. El tamaño del punto es aproximadamente f / D, donde f es la distancia focal de la lente, es la longitud de onda de la luz, y D es el diámetro del haz incidente colimado sobre la lente. Por ejemplo, un láser de helio-neón (633 nm) con un diámetro del haz mm se centrará en un punto 317 m con una lente de 500 mm. Un perfil del haz de láser con un tamaño de píxel 5,6 m adecuadamente muestra el lugar en 56 localidades.
Aplicaciones especiales
Los costos prohibitivos de láser CCD perfiles de viga en el pasado han dado paso a perfiles de haz de bajo costo. De bajo costo perfiles de viga han abierto una serie de nuevas aplicaciones: la sustitución de los lirios para super-precisa la alineación y el monitoreo simultáneo en varios puertos de sistemas láser.
Iris reemplazo con exactitud la alineación microradián
En el pasado, la alineación de los rayos láser se hizo con el iris. Dos lirios definida de forma única una trayectoria del haz, cuanto más separados estén los lirios y el más pequeño de los agujeros del iris, el mejor el camino se ha definido, es decir, sólo unos pocos rayos de luz que puede ser trazada a través de ambos iris. La apertura más pequeña que el iris se puede definir es de aproximadamente 0,8 mm. En comparación, el centro de gravedad de un rayo láser se puede determinar a sub-micrómetro de precisión con un analizador de rayos láser. Tamaño de la apertura efectiva del rayo láser perfilador es tres órdenes de magnitud más pequeña que la de un iris. En consecuencia, la capacidad de definir un camino óptico es 1000 veces mejor cuando se utilizan perfiles de viga sobre el iris. Las aplicaciones que necesitan una precisión microradián alineación incluyen la tierra-espacio de comunicación, LADAR tierra-espacio, el oscilador maestro a la alineación de energía del oscilador, y los amplificadores de múltiples pasadas.
El monitoreo simultáneo en varios puertos del sistema láser
Experimental sistemas de láser se benefician del uso de múltiples perfiles de rayo láser para caracterizar el haz de bombeo, el haz de salida, y la forma de la viga en puntos intermedios en el sistema de láser, por ejemplo, después de un modelocker Kerr-lente. Los cambios en el perfil de la bomba de rayo láser indica la salud del láser de bombeo, que los modos de láser están entusiasmados en el cristal de aumento, y también determinar si el láser se calienta por la localización del centro de gravedad de la viga con respecto a la placa. El perfil del haz de salida es a menudo una fuerte función de la potencia de la bomba debido a la termo-óptico de los efectos en el medio de ganancia.
Referencias
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^ Ankron. “Nota Técnica 5: ¿Cómo medir la fluctuación del haz con una precisión nanométrica mediante un sensor CCD con 5,6 m de tamaño de píxel”.
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