Perché utilizzare un raggio laser a cappello a cilindro/superiore piatto?

La maggior parte dei raggi laser è gaussiana, ma in alcuni casi può essere vantaggioso avere un profilo di irradianza non gaussiana. La distribuzione simmetrica dell'irraggiamento di un raggio gaussiano diminuisce all'aumentare della distanza dal centro della sezione trasversale del raggio laser. I raggi flat-top o top-hat hanno una distribuzione costante dell'irraggiamento attraverso la sezione trasversale del raggio laser (Figura 1). Alcune applicazioni che beneficiano di un'intensità costante su una determinata area includono l'elaborazione di wafer semiconduttori, la conversione di frequenza non lineare a livelli di potenza elevati e l'elaborazione di materiali. I fasci flat-top in genere producono risultati più accurati e prevedibili, come tagli più nitidi e bordi più nitidi, rispetto ai fasci gaussiani, ma comportano costi e complessità di sistema aggiuntivi.

Figura 1: I fasci gaussiani sprecano energia attraverso sia l'energia superflua superiore alla soglia richiesta per l'applicazione sia l'energia inferiore alla soglia nelle porzioni esterne del raggio gaussiano. Le travi top hat/flat top sono più efficienti in quanto superano la soglia riducendo al minimo lo spreco di energia.

 

 

Fasci gaussiani
I laser monomodali di alta qualità producono una distribuzione dell'irradianza gaussiana di basso ordine, la modalità TEM00. Un raggio gaussiano con la stessa potenza ottica media di un raggio laser top hat/flat top ha il doppio della densità di energia di picco di un raggio laser top hat/flat top (figura 2). Il raggio gaussiano rimane costante sotto trasformazione; pertanto, man mano che il raggio si propaga attraverso il sistema, il profilo del raggio rimane distribuito gaussianamente anche se la dimensione del raggio cambia. Questo perché la trasformata di Fourier di una funzione gaussiana è un'altra funzione gaussiana. La luce subisce una trasformata di Fourier propagandosi all'infinito o focalizzandosi attraverso una lente perfetta. Per saperne di più sulle modalità laser come TEM00, visita la nostra nota sull'applicazione della modalità risonatore laser.

Figura 2: Fasci superiori gaussiani e piatti alla stessa potenza ottica, che mostrano l'intensità di picco del raggio gaussiano doppia rispetto a quella del raggio superiore piatto.

I laser gaussiani sono più comuni ed economici di altri laser, ma presentano diversi inconvenienti, come le loro "ali" o regioni a bassa intensità che si estendono dal centro utilizzabile del raggio. Se l'intensità delle ali di un raggio gaussiano è al di sotto della soglia richiesta per l'applicazione, di solito ciò comporta uno spreco di energia (Figura 1). Inoltre causano danni all'area circostante ed estendono la zona interessata dal calore, il che può essere dannoso per applicazioni come la chirurgia laser e la lavorazione di materiali di precisione. Il taglio o la sagomatura di caratteristiche fini con un raggio gaussiano comporta una minore precisione rispetto a un raggio a cappello superiore/piatto a causa della zona più ampia del raggio interessata dal calore, rendendo i raggi a cappello superiore/piatto una scelta migliore per tali applicazioni.

 

 

Top Hat/Flat Top Beam

Un modo per valutare la vicinanza di una trave reale a una trave superiore piatta ideale è il fattore di planarità (F_η). Questo viene determinato dividendo il valore di irraggiamento medio per il valore di irraggiamento massimo come descritto.

 

Fη=Irraggiamento medio/Irraggiamento massimo

 

L'assenza di ali e transizioni di bordo più ripide nelle travi a cappello superiore/superiore piatto consente un trasferimento di energia più efficiente e una zona interessata dal calore ridotta. Ciò è vantaggioso per un'ampia gamma di applicazioni in cui l'elevata precisione e la riduzione al minimo dei danni all'area circostante sono una priorità. Nelle applicazioni di metrologia come i test della soglia di danno indotto dal laser (LIDT), il profilo uniforme e ben definito di un cappello superiore/trave superiore piatta riduce l'incertezza di misura e la varianza statistica.

 

I raggi top hat/flat top non sono così convenienti come i fasci gaussiani perché è necessario un componente aggiuntivo di sagomatura del raggio per convertire l'uscita laser in un raggio top hat/flat top (Figura 3). Questo componente di sagomatura del raggio può essere incorporato nella sorgente laser o posizionato all'esterno del laser. Questi sagomatori di raggio aggiuntivi sono sensibili all'allineamento xy e dipendono dal diametro del raggio di ingresso. Il raggio laser top hat/flat top non rimane costante durante la trasformazione. Pertanto, il profilo del raggio del raggio incidente a cappello superiore/superiore piatto non viene naturalmente preservato durante la propagazione del raggio. La trasformata di Fourier della funzione top hat/flat top è una funzione Airy spot, il che significa che il top hat/flat top beam alla fine si evolverà in un Airy spot.

Figura 3: Animazione di un profilo di trave che si converte tra una distribuzione gaussiana e una distribuzione flat top.

 

 

L'uso di raggi laser high-hat/flat-hat offre una serie di vantaggi per una varietà di applicazioni industriali e scientifiche. Con la sua distribuzione uniforme dell'energia e la capacità di ridurre la lente termica e le dimensioni dello spot, questo tipo di raggio può contribuire a migliorare la precisione, l'uniformità e l'efficacia di molti processi laser diversi.

 

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