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Perfilador de haz láser

Un perfilador de haz láser Un perfilador de haz láser captura, muestra y registra el perfil de intensidad espacial de un haz láser en un plano transversal a su trayectoria de pr...

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Un perfilador de haz láser

Un perfilador de haz láser captura, muestra y registra el perfil de intensidad espacial de un haz láser en un plano transversal a su trayectoria de propagación. Dado que existen muchos tipos de láseres ( ultravioleta , visible , infrarrojo , de onda continua , pulsado, de alta potencia y de baja potencia), existe una amplia gama de instrumentos para medir los perfiles de haz láser. Ningún perfilador de haz láser puede abarcar todos los niveles de potencia, duraciones de pulso, frecuencias de repetición, longitudes de onda y tamaños de haz.

Descripción general

Los instrumentos de perfilado de haz láser miden las siguientes magnitudes:

  • Ancho de viga : Existen más de cinco definiciones de ancho de viga.
  • Calidad del haz: Cuantificada por el parámetro de calidad del haz, M 2 .
  • Divergencia del haz : Es una medida de la dispersión del haz con la distancia.
  • Perfil del haz: Un perfil del haz es la representación gráfica bidimensional de la intensidad de un haz en un punto determinado de su trayectoria. Generalmente se prefiere un perfil gaussiano o de cima plana . El perfil del haz indica modos espaciales de orden superior no deseados 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 ubicaciones a lo largo de su trayectoria.
  • Desviación o fluctuación del haz: Cantidad en que el centroide o el valor máximo del perfil del haz se desplaza con el tiempo.

Se desarrollaron instrumentos y técnicas para obtener las características del haz mencionadas anteriormente. Estos incluyen:

  • Técnicas de cámara: Estas incluyen la iluminación directa de un sensor de cámara. El tamaño máximo del punto que cabe en un sensor CCD es del orden de 10  mm. Alternativamente, iluminar una superficie plana y difusa con el láser y proyectar la luz sobre un CCD con una lente permite perfilar haces de mayor diámetro. La visualización de láseres sobre superficies difusas es excelente para anchos de haz grandes, pero requiere una superficie difusa con reflectividad uniforme (variación inferior al 1 %) en toda la superficie iluminada.
  • Técnica de corte con cuchilla: Una cuchilla giratoria o una ranura corta el haz 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, se puede reconstruir el perfil original del haz utilizando algoritmos desarrollados para tomografía . Esto generalmente no funciona con láseres pulsados ​​y no proporciona un perfil de haz 2D real, pero sí ofrece una excelente resolución , en algunos casos inferior a 1  μm.
  • Técnica de frente de fase: El haz se hace pasar a través de una matriz bidimensional de diminutas lentes en un sensor de frente de onda Shack-Hartmann . Cada lente redirige su porción del haz y, a partir de la posición del haz desviado, se puede reconstruir la fase del haz original.
  • Técnicas históricas: Estas incluyen el uso de placas fotográficas y placas de quemado. Por ejemplo, se caracterizaron los láseres de dióxido de carbono de alta potencia observando quemaduras lentas en bloques de acrilato .

A partir de 2002Los sistemas de medición de filo de cuchilla comerciales cuestan entre 5.000 y 12.000 dólares estadounidenses, y los perfiladores de haz CCD cuestan entre 4.000 y 9.000 dólares estadounidenses. [ 1 ] El costo de los perfiladores de haz CCD ha disminuido en los últimos años, impulsado principalmente por la reducción de los costos de los sensores CCD de silicio, y a partir de 2008Se pueden encontrar por menos de 1000 dólares estadounidenses.

Aplicaciones

Las aplicaciones del perfilado de haces láser incluyen:

  • Corte láser : Un láser con un haz elíptico produce un corte más ancho en una dirección que en la otra. El ancho del haz influye en los bordes del corte. Un haz más estrecho genera una alta fluencia e ioniza , en lugar de fundir, la pieza mecanizada. Los bordes ionizados son más limpios y presentan 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 incidente. Por lo tanto, para lograr una conversión de frecuencia eficiente, el haz incidente debe tener un diámetro reducido y estar ubicado dentro del material no lineal. Un perfilador de haz puede ayudar a crear un haz del tamaño adecuado en la ubicación precisa.
  • Alineación: Los perfiladores de haz alinean los haces con una precisión angular órdenes de magnitud superior a la de los iris .
  • Monitorización del láser: A menudo es necesario monitorizar la salida del láser para comprobar si el perfil del haz cambia tras largas horas de funcionamiento. Mantener una forma de haz específica es fundamental para la óptica adaptativa , la óptica no lineal y la transmisión láser- fibra . Además, el estado del láser se puede medir mediante la obtención de imágenes de los emisores de una barra láser de diodo de bombeo y el recuento de los emisores que han fallado, o bien colocando varios perfiladores de haz en distintos puntos de la cadena del amplificador láser .
  • Desarrollo de láseres y amplificadores láser: La relajación térmica en los amplificadores de bombeo pulsado provoca variaciones temporales y espaciales en el cristal de ganancia , distorsionando el perfil del haz de luz amplificada. Un analizador de haz situado a la salida del amplificador proporciona abundante información sobre los efectos térmicos transitorios en el cristal. Ajustando la corriente de bombeo del amplificador y la potencia de entrada, se puede optimizar el perfil del haz de salida en tiempo real.
  • Medición de campo lejano: Es importante conocer el perfil del haz láser para radares láser o comunicaciones ópticas en espacio libre a largas distancias, lo que se conoce como "campo lejano". El ancho del haz en su campo lejano determina la cantidad de energía captada por un receptor de comunicaciones y la cantidad de energía incidente sobre el objetivo del láser. Medir directamente el perfil del haz en campo lejano suele ser imposible en un laboratorio debido a la gran longitud del recorrido requerido. Una lente , en cambio, transforma el haz de manera que el campo lejano se produzca cerca de su foco. Un perfilador de haz colocado cerca del foco de la lente mide el perfil del haz en campo lejano ocupando mucho menos espacio en la mesa de trabajo.
  • Educación: Los perfiladores de haz pueden utilizarse en laboratorios estudiantiles para verificar las teorías de difracción y comprobar las aproximaciones de la integral de difracción de Fraunhofer o Fresnel . Otras ideas para laboratorios estudiantiles incluyen el uso de un perfilador de haz para medir el punto de Poisson de un disco opaco y para trazar el patrón de difracción del disco de Airy de un disco transparente.

Medidas

Ancho del haz

El ancho del haz es la característica más importante del perfil de un haz láser. Al menos cinco definiciones de ancho del haz son de uso común: D4σ, filo de cuchilla 10/90 o 20/80, 1/e² , FWHM y D86. El ancho del haz D4σ es la definición estándar 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 del haz obtenido, y es importante utilizar el método correcto para cada aplicación dada. [ 5 ] Los anchos D4σ y de filo de cuchilla son sensibles al ruido de fondo en el detector, mientras que los anchos 1/e² y FWHM no lo son. La fracción de la potencia total del haz abarcada por el ancho del haz depende de la definición que se utilice.

Calidad del haz

Parámetro de calidad del haz, M 2

El parámetro M² es una medida de la calidad del haz; un valor bajo de M² indica buena calidad del haz y capacidad de enfocarlo en un punto preciso. 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 gaussiano diverge más lentamente que cualquier otra forma de haz, el parámetro M² siempre es mayor o igual que uno. En el pasado se han utilizado otras definiciones de calidad del haz, pero la que utiliza los 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 M² cercano a 1 para el acoplamiento a fibra óptica monomodo . Los talleres de máquinas láser se preocupan mucho por el parámetro M² de sus láseres porque los haces se enfocarán en un área que es M⁴ veces mayor que la de un haz gaussiano con la misma longitud de onda y ancho de cintura D⁴σ antes del enfoque; en otras palabras, la fluencia escala como 1/M⁴ . La regla general es que M² aumenta a medida que aumenta la potencia del láser. Es difícil obtener una excelente calidad de haz y una alta potencia promedio (100 W a kWs) 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 del punto más estrecho del haz (la ubicación donde el haz es más angosto).
  2. Mida los anchos D4σ en 5 posiciones axiales a una distancia mínima de una longitud de Rayleigh desde la cintura.
  3. Ajustar los 10 puntos de datos medidos aσ2(z)=σ02+METRO4(λπσ0)2(z−z0)2{\displaystyle \sigma ^{2}(z)=\sigma _{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi \sigma _{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}}, [ 7 ] dondeσ2(z){\displaystyle \sigma ^{2}(z)}es el segundo momento de la distribución en la dirección x o y (véase la sección sobre el ancho del haz D4σ), yz0{\displaystyle z_{0}}es la ubicación de la cintura de la viga con ancho de segundo momento de2σ0{\displaystyle 2\sigma _{0}}. Ajustando los 10 puntos de datos se obtiene M 2 ,z0{\displaystyle z_{0}}, yσ0{\displaystyle \sigma _{0}}Siegman demostró que todos los perfiles de haz —gaussiano, de cima plana , TEM XY o de cualquier otra forma— deben cumplir la ecuación anterior, siempre que el radio del haz utilice la definición D4σ del ancho del haz. El uso del perfil de filo de cuchilla 10/90, el D86 o los anchos FWHM no funcionan.

Perfilado completo del haz de campo eléctrico

Los perfiladores de haz miden la intensidad, |campo E| ² , del perfil del haz láser, pero no proporcionan información sobre la fase del campo E. Para caracterizar completamente el campo E en un plano dado, es necesario conocer tanto la fase como la amplitud. Las partes real e imaginaria del campo eléctrico pueden caracterizarse utilizando dos perfiladores de haz CCD que muestrean el haz en dos planos de propagación distintos, aplicando 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 puede calcularse para cualquier otro plano mediante la teoría de la difracción .

Definición de calidad del haz según el modelo de potencia en el cubo o de Strehl.

El parámetro M² no lo explica todo a la hora de especificar la calidad del haz. Un valor bajo de M² solo implica que el segundo momento del perfil del haz se expande lentamente. Sin embargo, dos haces con el mismo M² pueden no tener la misma fracción de potencia entregada en un área determinada. La potencia en el cubo y la relación de Strehl son dos intentos de definir la calidad del haz en función de la potencia entregada a un área determinada. Desafortunadamente, no existe un tamaño de cubo estándar (ancho D86, ancho de haz gaussiano, nulos de disco de Airy, etc.) ni una forma de cubo (circular, rectangular, etc.), y no hay un haz estándar para comparar en la relación de Strehl. Por lo tanto, estas definiciones siempre deben especificarse antes de dar un valor numérico, lo que presenta muchas dificultades al intentar comparar láseres. Tampoco existe una conversión simple entre M² , potencia en el cubo y relación de Strehl. La relación de Strehl, por ejemplo, se ha definido como la relación de las intensidades focales máximas en las funciones de dispersión de punto 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 existen muchas formas en que se han definido la potencia en el cubo y la relación de Strehl en la literatura, la recomendación es atenerse a la definición M 2 del estándar ISO para el parámetro de calidad del haz y tener en cuenta que una relación de Strehl de 0,8, por ejemplo, no significa nada a menos que la relación de Strehl esté acompañada de una definición.

divergencia del haz

La divergencia del haz láser es una medida de la rapidez con que el haz se expande lejos de su cintura. Generalmente se define como la derivada del radio del haz con respecto a la posición axial en el campo lejano, es decir, a una distancia de la cintura del haz 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 el doble de grandes). Para un haz gaussiano limitado por difracción, la divergencia del haz es λ/(πw₀ ) , donde λ es la longitud de onda (en el medio) y w₀ el radio del haz (radio con intensidad 1/e² ) en la cintura del haz. Una gran divergencia del haz para un radio dado corresponde a una mala calidad del haz. Una baja divergencia del haz puede ser importante para aplicaciones como el apuntamiento o las comunicaciones ópticas en espacio libre . Los haces con una divergencia muy pequeña, es decir, con un radio aproximadamente constante a lo largo de distancias de propagación significativas, se denominan haces colimados . Para medir la divergencia del haz, se suele medir el radio del haz en diferentes posiciones, por ejemplo, con un perfilador de haz. También es posible obtener la divergencia a partir del perfil de amplitud compleja del haz en un solo plano: las transformadas de Fourier espaciales proporcionan la distribución de frecuencias espaciales transversales , que están directamente relacionadas con los ángulos de propagación. Consulte la nota de aplicación de US Laser Corps [ 10 ] para obtener un tutorial sobre cómo medir la divergencia del haz láser con una lente y una cámara CCD.

astigmatismo de haz

El astigmatismo en un haz láser se produce cuando las secciones transversales horizontal y vertical del haz se enfocan en diferentes puntos a lo largo de su trayectoria. El astigmatismo se puede corregir con un par de lentes cilíndricas . La métrica del astigmatismo es la potencia de la lente cilíndrica necesaria para alinear los focos de las secciones transversales horizontal y vertical. El astigmatismo es causado por:

El astigmatismo se puede caracterizar fácilmente mediante un perfilador de haz CCD, observando dónde se producen los puntos de máxima concentración del haz en los ejes x e y a medida que el perfilador se desplaza a lo largo de la trayectoria del haz.

Desviación o fluctuación del haz

Todo haz láser se desvía y vibra, aunque sea en pequeña medida. El típico soporte cinemático de inclinación y basculación se desvía unos 100 μrad al día en un entorno de laboratorio ( aislamiento de vibraciones mediante mesa óptica , temperatura y presión constantes, y sin luz solar que caliente las piezas). Un haz láser que incide sobre este espejo se desplazará 100 m a una distancia de 1000  km. Esto podría marcar la diferencia entre alcanzar o no un satélite de comunicaciones desde la Tierra. Por lo tanto, existe un gran interés en caracterizar la desviación (escala temporal lenta) o la vibración (escala temporal rápida) de un haz láser. La desviación y la vibración se pueden medir rastreando el centroide o el pico del haz en un perfilador de haz CCD. La velocidad de fotogramas del CCD suele ser de 30 fotogramas por segundo y, por lo tanto, puede capturar vibraciones del haz inferiores a 30  Hz; no puede detectar vibraciones rápidas debidas a la voz, el zumbido de un motor de ventilador de 60 Hz u otras fuentes de vibraciones rápidas. Afortunadamente, esto no suele ser un problema importante para la mayoría de los sistemas láser de laboratorio, y las velocidades de fotogramas de los CCD son lo suficientemente rápidas como para capturar la deriva del haz en el ancho de banda que contiene la mayor potencia de ruido. Una medición típica de la deriva del haz implica el seguimiento del centroide del haz durante varios minutos. La desviación cuadrática media (rms) de los datos del centroide proporciona una imagen clara de la estabilidad de la dirección del haz láser. El tiempo de integración de la medición de la fluctuación del haz siempre debe acompañar al valor rms calculado. Aunque la resolución de píxeles de una cámara puede ser de varios micrómetros, se alcanza una resolución de centroide subpíxel (posiblemente de decenas de nanómetros) cuando la relación señal-ruido es buena y el haz llena la mayor parte del área activa del CCD. [ 11 ]

La desviación del haz se produce por:

  • Termalización lenta del láser. Los fabricantes de láseres suelen especificar un periodo de calentamiento para permitir que el láser alcance el equilibrio tras su puesta en marcha.
  • Desplazamiento de la inclinación y la montura óptica causado 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.

Falsa representación de las mediciones del perfilador de haz para sistemas láser

A la mayoría de los fabricantes de láseres les conviene presentar las especificaciones de forma que muestren su producto de la mejor manera posible, incluso si esto implica engañar al cliente. Las especificaciones de rendimiento del láser se pueden aclarar formulando preguntas como:

  • ¿La especificación representa un rendimiento típico o el peor de los casos?
  • ¿Qué definición de ancho de haz se utilizó?
  • ¿ El parámetro M2 se aplica tanto a las secciones transversales verticales como horizontales, o solo a la sección transversal de mejor calidad?
  • ¿Se midió M2 utilizando la técnica estándar ISO o de alguna otra manera, por ejemplo, la potencia en el cubo?
  • ¿Durante cuánto tiempo se tomaron los datos para obtener la fluctuación RMS del haz especificada? (La fluctuación RMS del haz 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 M² , el ancho del haz, la divergencia, el astigmatismo y la fluctuación especificados?

Técnicas

Los perfiladores de haz generalmente se dividen en dos clases: la primera utiliza un fotodetector simple detrás de una apertura que se escanea sobre el haz. La segunda clase utiliza una cámara para obtener imágenes del haz. [ 12 ]

Técnicas de apertura de escaneo

Las técnicas de escaneo de apertura más comunes son la técnica de filo de cuchilla y el perfilador de rendija de escaneo. La primera corta el haz con una cuchilla y mide la potencia transmitida a medida que la cuchilla lo atraviesa. La intensidad medida en función de la posición de la cuchilla produce una curva que representa la intensidad integrada del haz en una dirección. Al medir la curva de intensidad en varias direcciones, se puede reconstruir el perfil original del haz utilizando algoritmos desarrollados para la tomografía de rayos X. El instrumento de medición se basa en múltiples filos de cuchilla de alta precisión, cada uno desplegado en un tambor giratorio y con un ángulo diferente con respecto a la orientación del haz. El haz escaneado se reconstruye mediante algoritmos tomográficos y proporciona gráficos de distribución de energía de alta resolución en 2D o 3D. Gracias a la técnica de escaneo especial, el sistema amplía automáticamente el tamaño actual del haz, lo que permite mediciones de alta resolución de haces submicrométricos, así como de haces relativamente grandes de 10 milímetros o más. Para obtener mediciones de diversas longitudes de onda, se utilizan diferentes detectores que permiten realizar mediciones de haces láser desde el ultravioleta profundo hasta el infrarrojo 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 ranura de escaneo utilizan una ranura estrecha en lugar de un único filo de cuchilla. En este caso, la intensidad se integra a lo largo del ancho de la ranura. La medición resultante es equivalente a la sección transversal original convolucionada con el perfil de la ranura.

Esta fusión entre la tecnología de filo de cuchilla y los algoritmos tomográficos crea un nuevo campo de perfilado de haces: CKET (Tomografía Computarizada de Filo de Cuchilla). Esto permite realizar mediciones precisas desde una micra hasta más de 10 milímetros con una resolución adaptable en un amplio rango espectral. Prácticamente, si existe un detector de superficie única para una determinada región de longitud de onda, se puede obtener un perfil similar a una imagen mediante esta tecnología. [ 13 ]

Estas técnicas permiten medir puntos de tamaño muy pequeño, de hasta 1 μm, y pueden utilizarse para medir directamente haces de alta potencia. No ofrecen lectura continua, aunque se pueden alcanzar frecuencias de repetición de hasta veinte hercios. Además, los perfiles proporcionan intensidades integradas en las direcciones x e y, y no el perfil espacial 2D real (la interpretación de las intensidades integradas puede resultar compleja para perfiles de haz complicados). Generalmente no funcionan con fuentes láser pulsadas, debido a la complejidad adicional de sincronizar el movimiento de la apertura y los pulsos láser. [ 14 ]

Técnica de cámara CCD

La técnica de la cámara CCD es sencilla: se atenúa un láser y se dirige hacia un CCD, midiendo directamente el perfil del haz. Por este motivo, la técnica de la cámara es el método más popular para el perfilado de haces láser. Las cámaras más utilizadas son las CCD de silicio, con diámetros de sensor de hasta 25  mm (1  pulgada) y tamaños de píxel de tan solo unos pocos micrómetros. Estas cámaras también son sensibles a un amplio rango de longitudes de onda, desde el ultravioleta profundo (200  nm) hasta el infrarrojo cercano (1100  nm); este rango 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 del haz 2D en tiempo real.
  • Alto rango dinámico . Incluso el chip CCD de una cámara web tiene un rango dinámico de alrededor de 2 8 . [ 15 ]
  • El software suele mostrar parámetros críticos del haz, 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 del píxel. En un caso especial  se demostró una resolución de ±1,1 μm. [ 15 ]
  • Las cámaras CCD con entradas de disparo se pueden utilizar para capturar perfiles de haz de láseres pulsados ​​de bajo ciclo de trabajo.
  • Los CCD tienen una amplia sensibilidad a longitudes de onda, desde 200 hasta 1100  nm.

Las desventajas de la técnica de 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 la floración cuando se utilizan cerca del límite de su sensibilidad (por ejemplo, cerca de 1100  nm) [ 16 ] [ 17 ].

Sustracción de la línea base para mediciones 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 del ancho D4σ, los valores de los píxeles de referencia se restan de la señal medida. Los valores de referencia para los píxeles se miden registrando los valores de los píxeles 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 sustracción de la línea base mejora la estimación del ancho D4σ comonorte{\displaystyle {\sqrt {N}}}, dóndenorte{\displaystyle N}es el número de píxeles en las alas. Sin la sustracción de la línea base, el ancho D4σ se sobreestima.

Promediar para obtener mejores mediciones

El promedio de imágenes CCD consecutivas produce un perfil más nítido y elimina tanto el ruido del sensor CCD como las fluctuaciones de intensidad del haz 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 con la 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 . 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 altamente sensibles, casi siempre se requiere atenuación para un correcto perfilado del haz. Por ejemplo, una atenuación de 40  dB ( ND 4 o 10⁻⁴ ) es típica para un láser HeNe de milivatios . La atenuación adecuada tiene las siguientes propiedades:

  • Esto no produce múltiples reflexiones que dejen una imagen fantasma en el sensor CCD.
  • No produce franjas de interferencia debidas a reflexiones entre superficies paralelas o difracción por defectos.
  • No distorsiona el frente de onda y será un elemento óptico con suficiente planitud óptica (menos de una décima parte de la longitud de onda) y homogeneidad.
  • Puede manejar la potencia óptica requerida

Para el perfilado de haces láser con sensores CCD, normalmente se utilizan dos tipos de atenuadores: filtros de densidad neutra y cuñas o láminas ópticas gruesas.

Filtros de densidad neutra

Los filtros de densidad neutra (ND) se presentan en dos tipos: absorbentes y reflectantes.

Los filtros absorbentes suelen estar hechos de vidrio tintado. Son útiles para aplicaciones de baja potencia que implican  una potencia media de hasta unos 100 mW. Por encima de esos niveles de potencia, puede producirse el efecto de lente térmica, causando cambios en el tamaño del haz o deformación, debido a la baja conductividad térmica del sustrato (normalmente vidrio). Una mayor potencia puede provocar la fusión o el agrietamiento. Los valores de atenuación de los filtros absorbentes 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 del infrarrojo cercano, hasta el borde de absorción de longitud de onda larga del sustrato (alrededor de 2,2  μm para vidrios). Normalmente, se puede esperar una variación de la atenuación de entre el 5 y el 10 % en 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 logarítmicamente. Un filtro ND 3 transmite 10⁻³ de la potencia del haz incidente. Colocar el atenuador de mayor tamaño al final, antes del sensor CCD, dará como resultado el mejor rechazo de las imágenes fantasma debidas a múltiples reflexiones. 

Los filtros reflectantes están hechos con un recubrimiento metálico delgado y, por lo tanto, operan en un ancho de banda mayor. Un filtro metálico ND 3 será adecuado entre 200 y 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 promedio de entrada más altas. Sin embargo, son menos adecuados para las altas potencias pico de los láseres pulsados. Estos filtros funcionan bien hasta una potencia promedio de aproximadamente 5 W (sobre un área de iluminación de aproximadamente 1 cm²  ) antes de que el calentamiento provoque que se agrieten. Dado que estos filtros reflejan la luz, se debe tener cuidado al apilar varios filtros ND, ya que las múltiples reflexiones entre los filtros causarán una imagen fantasma que interferirá 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 despreciable, el orden de la pila de filtros ND no importa, como sí importa para los filtros absorbentes.

Muestreador de haz difractivo

Los muestreadores de haz difractivo se utilizan para monitorizar láseres de alta potencia, donde es necesario minimizar las pérdidas ópticas y las distorsiones del frente de onda del haz transmitido. En la mayoría de las aplicaciones, la mayor parte de la luz incidente debe continuar su trayectoria sin sufrir cambios, en el orden de difracción cero, mientras que una pequeña porción del haz se difracta en un orden de difracción superior, proporcionando una muestra del mismo. Al dirigir la luz muestreada en los órdenes superiores hacia un detector, es posible monitorizar en tiempo real no solo los niveles de potencia del haz láser, sino también su perfil y otras características del láser.

cuñas ópticas

Las cuñas ópticas y las reflexiones de superficies de vidrio óptico sin recubrimiento se utilizan para atenuar haces láser de alta potencia. Aproximadamente el 4% se refleja en la interfaz aire/vidrio, y se pueden usar varias cuñas para atenuar considerablemente el haz hasta niveles que se pueden atenuar con filtros ND. El ángulo de la cuña se selecciona normalmente de manera que la segunda reflexión de la superficie no incida en el área activa del CCD y que no se observen franjas de interferencia. Cuanto más lejos esté el CCD de la cuña, menor será el ángulo requerido. Las cuñas tienen la desventaja de desplazar y curvar la dirección del haz, lo que hace que las trayectorias ya no se ajusten a coordenadas rectangulares convenientes. En lugar de usar una cuña, también puede funcionar una placa de vidrio grueso de calidad óptica inclinada con respecto al haz; de hecho, esto es lo mismo que una cuña con un ángulo de 0°. El vidrio grueso desplazará 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 y produzca franjas de interferencia, y, si es posible, para que la reflexión secundaria no ilumine el área activa del CCD. La reflexión de Fresnel de un haz sobre una placa de vidrio es diferente para las polarizaciones s y p (s es paralela a la superficie del vidrio y p es perpendicular a s) y cambia en función del ángulo de incidencia; tenga esto en cuenta si espera que las dos polarizaciones tengan perfiles de haz diferentes. Para evitar la distorsión del perfil del haz, el vidrio debe ser de calidad óptica: planitud superficial de λ/10 (λ=633  nm) y rayado-daño de 40-20 o mejor. Una placa de media onda seguida de un divisor de haz polarizador forman un atenuador variable, y esta combinación se usa frecuentemente en sistemas ópticos. El atenuador variable construido de esta manera no se recomienda para la atenuación en aplicaciones de perfilado de haz porque: (1) el perfil del haz en las dos polarizaciones ortogonales puede ser diferente, (2) el cubo de haz polarizador puede tener un valor umbral de daño óptico bajo, y (3) el haz puede distorsionarse en polarizadores cúbicos con una atenuación muy alta. Los polarizadores cúbicos económicos se forman pegando dos prismas de ángulo recto. El adhesivo no soporta bien las altas potencias; la intensidad debe mantenerse por debajo de 500  mW/mm² . Para altas potencias, se recomiendan polarizadores de un solo elemento.

Tamaño óptimo del haz en el detector CCD

Existen dos requisitos contrapuestos que determinan el tamaño óptimo del haz en el detector CCD. Un requisito es que toda la energía —o la mayor parte posible— del haz láser incida sobre el sensor CCD. Esto implicaría concentrar toda la energía en el centro de la región activa, en un punto lo más pequeño posible, utilizando solo algunos de los píxeles centrales para asegurar que los extremos del haz sean capturados por los píxeles exteriores. Este es un caso extremo. El segundo requisito es muestrear adecuadamente el perfil del haz. Como regla general, se recomienda un mínimo de 10 píxeles en el área que abarca la mayor parte, digamos el 80%, de la energía del haz. Por lo tanto, no existe una regla fija para seleccionar el tamaño óptimo del haz. Siempre que el sensor CCD capture más del 90% de la energía del haz y tenga al menos 10 píxeles, las mediciones del ancho del haz tendrán cierta precisión.

Tamaño del píxel y número de píxeles

Cuanto mayor sea el sensor CCD, mayor será el tamaño del haz que se puede perfilar. A veces, esto implica píxeles más grandes. Se prefieren píxeles pequeños para observar haces enfocados. Un CCD con muchos megapíxeles no siempre es mejor que uno con menor número de píxeles, ya que los tiempos de lectura en el ordenador pueden ser excesivamente largos. La lectura del sensor en tiempo real es esencial para cualquier ajuste u optimización del perfil del láser.

Perfilador de haz de campo lejano

Un perfilador de haz de campo lejano no es más que un analizador del haz en el foco de una lente. Este plano, a veces llamado plano de Fourier , es el perfil que se observaría si el haz se propagara a gran distancia. El haz en el plano de Fourier es la transformada de Fourier del campo de entrada. Es fundamental configurar con cuidado una medición de campo lejano. El tamaño del punto focal debe ser lo suficientemente grande como 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 D es el diámetro del haz colimado incidente 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 haz láser con un tamaño de píxel de 5,6 μm muestrearía adecuadamente el punto en 56 ubicaciones.

Aplicaciones especiales

Los elevados costes de los perfiladores de haz láser CCD del pasado han dado paso a perfiladores de haz de bajo coste. Estos últimos han abierto un abanico de nuevas aplicaciones: la sustitución de diafragmas para una alineación de alta precisión y la monitorización simultánea de múltiples puertos en sistemas láser.

Sustitución del iris con precisión de alineación de microrradianes

En el pasado, la alineación de haces láser se realizaba con iris. Dos iris definían de forma única la trayectoria del haz; cuanto mayor era la distancia entre los iris y menor el tamaño de sus orificios, mejor se definía la trayectoria. La apertura mínima que puede definir un iris es de aproximadamente 0,8  mm. En comparación, el centroide de un haz láser se puede determinar con una precisión submicrométrica mediante un perfilador de haz láser. El tamaño efectivo de la apertura del perfilador de haz láser es tres órdenes de magnitud menor que el de un iris. Por consiguiente, la capacidad de definir una trayectoria óptica es 1000 veces mejor al utilizar perfiladores de haz que iris. Las aplicaciones que requieren una precisión de alineación de microrradianes incluyen comunicaciones Tierra-espacio, ladar Tierra-espacio, alineación de oscilador maestro con oscilador de potencia y amplificadores de pasos múltiples .

Monitorización simultánea de múltiples puertos del sistema láser

Los sistemas láser experimentales se benefician del uso de múltiples perfiladores de haz láser para caracterizar el haz de bombeo , el haz de salida y la forma del haz en puntos intermedios del sistema, por ejemplo, después de un modulador de modo de lente Kerr . Los cambios en el perfil del haz láser de bombeo indican el estado del láser, qué modos láser se excitan en el cristal de ganancia y también permiten determinar si el láser se ha calentado, localizando el centroide del haz con respecto a la placa de pruebas . El perfil del haz de salida suele depender en gran medida de la potencia de bombeo debido a los efectos termoópticos en el medio de ganancia.

Véase también

Referencias

  1. ↑ R. Bolton, "Hazle una revisión a tu rayo láser", Photonics Spectra , junio de 2002. Tabla 1.
  2. 1 2 ISO 11146-1:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con láseres: métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz: Parte 1: haces estigmáticos y astigmáticos simples."
  3. ↑ ISO 11146-2:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con láseres: métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz: Parte 2: Haces astigmáticos generales."
  4. ↑ ISO 11146-1:2005(E), "Láseres y equipos relacionados con láseres — Métodos de ensayo para anchos de haz láser, ángulos de divergencia y relaciones de propagación del haz — Parte 3: Clasificación intrínseca y geométrica del haz láser, propagación y detalles de los métodos de ensayo."
  5. ↑ Ankron. " Definición estándar de ancho de haz " Nota técnica, 13 de septiembre de 2008,
  6. ↑ AE Siegman, " Cómo (quizás) medir la calidad del haz láser ", Presentación tutorial en la Reunión Anual de la Sociedad Óptica de América, Long Beach, California, octubre de 1997.
  7. ↑ AE Siegman, " Cómo (quizás) medir la calidad del haz láser ", Presentación tutorial en la Reunión Anual de la Sociedad Óptica de América, Long Beach, California, octubre de 1997, pág. 9.
  8. ↑ M. Born y E. Wolf, Principios de óptica : Teoría electromagnética de la propagación, interferencia y difracción de la luz , 6.ª edición, Cambridge University Press, 1997.
  9. ↑ Medidor Strehl del Observatorio WM Keck.
  10. ↑ Medición de la divergencia del haz láser. Nota de aplicación del Cuerpo Láser de EE. UU.
  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, Oren (21 de enero de 2013). "Perfilado y medición de haces láser" . Novus Light . Consultado el 25 de enero de 2025 .
  13. ↑ Aharon, Oren (diciembre de 2021). "La tomografía y los láseres se encuentran en el filo de la navaja: los perfiladores de haz tomográficos impulsan mediciones láser industriales con una precisión innovadora en un amplio espectro de láseres" . PhotonicsViews . 18 (6): 50– 53. doi : 10.1002/phvs.202100064 . ISSN 2626-1294 . S2CID 243464490 .  
  14. ↑ Aharon. " Análisis de haces de alta potencia "
  15. 1 2 G. Langer et al., "Una cámara web en modo Bayer como perfilador de haz de luz para el infrarrojo cercano", Optics and Lasers in Engineering , 51 (2013) 571–575.
  16. ↑ Aharon. " Análisis de haces de banda espectral ancha "
  17. ↑ Aharon. " Sistema de metrología para la alineación de láseres, telescopios y sistemas de referencia mecánicos "
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