รูปที่ 1: การกระจายความเข้มของคานเกาส์ที่วัดได้จากการทดลอง (ซ้าย) และคานหมวกด้านบน (ขวา)
คานเลเซอร์ส่วนใหญ่มีการกระจายความเข้มแบบเกาส์เซียน อย่างไรก็ตามในบางแอปพลิเคชันอาจเป็นประโยชน์มากกว่าในการใช้คานที่ไม่ใช่เกาส์เซียน ลำแสงเกาส์เซียนมีการกระจายความเข้มหน้าตัดที่ลดลงอย่างสมมาตรเมื่อเพิ่มระยะห่างจากศูนย์ ในทางตรงกันข้ามลำแสงหมวกด้านบนยังคงมีการกระจายความเข้มคงที่ในหน้าตัดช่วยให้ความเข้มการฉายรังสีที่สอดคล้องกันในเป้าหมายระหว่างการประมวลผล (ดูรูปที่ 1) เป็นผลให้ผลลัพธ์ที่แม่นยำและคาดการณ์ได้มากขึ้นสามารถทำได้ในแอปพลิเคชันเช่นการประมวลผลเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์การประมวลผลวัสดุอื่น ๆ และการแปลงความถี่ไม่เชิงเส้นสำหรับเลเซอร์กำลังสูง
คานหมวกด้านบนผลิตการตัดที่สะอาดและขอบที่คมชัดกว่าคานเกาส์เซียน แต่การสร้างคานหมวกบนสุดช่วยเพิ่มค่าใช้จ่ายและความซับซ้อนของระบบเพิ่มเติม การทำความเข้าใจประโยชน์ของคานหมวกบนสุดและวิธีการต่าง ๆ ในการสร้างสามารถช่วยผู้รวมระบบเลเซอร์เลือกประเภทเลเซอร์ประเภทที่เหมาะสมสำหรับประเภทของแอปพลิเคชัน
ลักษณะของคานเกาส์เซียน
เลเซอร์เกาส์เซียนเป็นเรื่องธรรมดาและคุ้มค่ากว่าแหล่งเลเซอร์ชนิดอื่น ๆ เลเซอร์โหมดเดียวที่มีคุณภาพสูงที่สุดปล่อยลำแสงที่เป็นไปตามโปรไฟล์การฉายรังสีแบบเกาส์ระดับต่ำซึ่งเป็นที่รู้จักกันในชื่อ TEM 00 แหล่งที่มีคุณภาพน้อยกว่าจะมีโหมดเลเซอร์อื่น ๆ ในระดับหนึ่ง แต่มักจะถือว่าเลเซอร์มีโปรไฟล์เกาส์เซียนที่ต้องการเพื่อทำให้การสร้างแบบจำลองระบบง่ายขึ้น
หากลำแสงเกาส์เซียนมีพลังงานแสงเฉลี่ยเท่ากันกับคานหมวกชั้นนำการฉายรังสีสูงสุดของลำแสงเกาส์เซียนจะเป็นสองเท่าของลำแสงหมวกด้านบน ในฐานะที่เป็นลำแสง Gaussian แพร่กระจายผ่านระบบออพติคอลมันจะรักษาการกระจายโปรไฟล์การฉายรังสีแบบเกาส์เซียนแม้ว่าความเข้มสูงสุดหรือขนาดลำแสงจะเปลี่ยนไป ซึ่งหมายความว่าลำแสง Gaussian ยังคงที่ในขณะที่มันแพร่กระจาย
มีปัญหาอะไรกับคานเกาส์เซียน?
คานเกาส์เซียนมีข้อเสียของพวกเขา ในการใช้งานที่ใช้ส่วนที่มีความเข้มสูงของลำแสงตรงกลางส่วนที่มีความเข้มต่ำของลำแสงทั้งสองข้าง (ที่เรียกว่า "ปีก") มักจะสูญเปล่าเพราะความเข้มของเลเซอร์สูงกว่าเกณฑ์ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานไม่ว่าจะเป็นการประมวลผลวัสดุการผ่าตัดเลเซอร์
นอกจากนี้ปีกของลำแสง Gaussian อาจทำลายพื้นที่นอกเหนือจากเขตเป้าหมายซึ่งจะขยายโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อน นี่เป็นอันตรายต่อการใช้งานเช่นการผ่าตัดด้วยเลเซอร์และการประมวลผลวัสดุที่แม่นยำซึ่งมีความแม่นยำสูงและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนน้อยที่สุด เป็นผลให้วัสดุที่ประมวลผลด้วยคานเกาส์เซียนจะไม่มีขอบที่เรียบเป็นพิเศษซึ่งจะช่วยลดความแม่นยำของระบบ
ทำไมต้องใช้คานหมวกด้านบน?
เมื่อเปรียบเทียบกับคานแบบเกาส์เซียนโปรไฟล์ลำแสงหมวกชั้นนำไม่มีส่วนที่มีปีกและมีการเปลี่ยนขอบที่สูงชันส่งผลให้มีการถ่ายโอนความเข้มที่มีประสิทธิภาพมากขึ้นและโซนที่ได้รับผลกระทบจากความร้อนที่เล็กลง [2] การแกะสลักการเชื่อมหรือการตัดด้วยลำแสงหมวกด้านบนจะแม่นยำมากขึ้นและสร้างความเสียหายน้อยลงไปยังพื้นที่โดยรอบ
รูปภาพ.
ข้อได้เปรียบที่สำคัญของคานหมวกบนสุดนี้ทำให้เหมาะสำหรับสถานการณ์ที่แตกต่างกันมากมาย ในการทดสอบเกณฑ์ความเสียหายที่เกิดจากเลเซอร์ (LIDT) และระบบมาตรวิทยาอื่น ๆ การกระจายความเข้มที่สม่ำเสมอของคานหมวกบนสุดช่วยลดความไม่แน่นอนของการวัดและความแปรปรวนทางสถิติ คานหมวกด้านบนยังได้เปรียบในการใช้กล้องจุลทรรศน์เรืองแสง, โฮโลแกรมและระบบ interferometry
วิธีหนึ่งในการประเมินว่าลำแสงเลเซอร์ที่แท้จริงอยู่ใกล้กับลำแสงหมวกทรงสูงที่สมบูรณ์แบบคือการวิเคราะห์ปัจจัยความเรียบ (Fη) ซึ่งคำนวณโดยการหารค่าการฉายรังสีเฉลี่ยโดยค่าการฉายรังสีสูงสุดของลำแสงตามที่อธิบายไว้ในมาตรฐาน ISO 13694
ข้อเสียของคานหมวกบนสุดคืออะไร?
คานหมวกด้านบนไม่เหมาะสำหรับการใช้งานทั้งหมด มันไม่ได้คุ้มค่าเท่ากับลำแสงเกาส์เซียนเพราะจำเป็นต้องมีส่วนประกอบการสร้างลำแสงเพิ่มเติมเพื่อกำหนดคานเกาส์เซียนให้เป็นคานหมวกด้านบน ส่วนประกอบนี้สามารถสร้างได้โดยตรงในแหล่งเลเซอร์หรือใช้ในระบบนอกเลเซอร์ ส่วนประกอบการสร้างลำแสงเหล่านี้ขึ้นอยู่กับขนาดของลำแสงอินพุตและมีความไวต่อการจัดตำแหน่งระนาบ XY นอกจากนี้ยังแตกต่างจากคานเกาส์เซียนคานหมวกด้านบนไม่คงที่ในระหว่างการแพร่กระจาย ซึ่งหมายความว่าลำแสงหมวกทรงสูงที่ตกกระทบจะไม่รักษารูปร่างหมวกสูงสุดในขณะที่มันเดินทางผ่านระบบและในที่สุดก็จะพัฒนาให้มีลักษณะคล้ายกับการกระจายจุดที่โปร่งสบาย
ลำแสงหมวกชั้นนำเป็นอย่างไร?
หากต้องการลำแสงบนหมวกทรงสูง แต่ค่าใช้จ่ายของระบบมี จำกัด มากและประสิทธิภาพไม่จำเป็นต้องสูงมากลำแสงเกาส์เซียนสามารถถูกตัดทอนทางร่างกายโดยใช้รูรับแสงขนาดเล็กเพื่อสร้างโปรไฟล์หมวกหลอก วิธีนี้ตัดออกและเสียพลังงานจากปีกทั้งสองของลำแสงเกาส์และไม่ได้ออกการกระจายความเข้มในใจกลางของลำแสง วิธีนี้อาจมีประโยชน์หากการรักษาต้นทุนต่ำเป็นปัจจัยสำคัญ
สำหรับระบบประสิทธิภาพสูงที่ต้องการการใช้พลังงานเลเซอร์อย่างมีประสิทธิภาพส่วนประกอบการสร้างลำแสงสามารถใช้ในการกำหนดรูปแบบลำแสงเกาส์เซียนให้เป็นลำแสง hatped ด้านบน มีส่วนประกอบของการสร้างลำแสงหลายประเภทรวมถึงอุปกรณ์การหักเหของแสงสะท้อนแสงโฮโลแกรมและการเลี้ยวเบน อุปกรณ์การสร้างลำแสงการหักเหของแสงใช้เลนส์ทรงกลมหรือรูปแบบอิสระและส่วนประกอบการหักเหของแสงอื่น ๆ เพื่อปรับเฟสของลำแสง (ดูรูปที่ 2) ข้อได้เปรียบคือการกระจายความเข้มที่สม่ำเสมอและด้านหน้าเฟสแบน แอมพลิจูดและเฟสของลำแสงที่ตกกระทบนั้นถูกมอดูเลตโดยองค์ประกอบทางแสงในชุดเลนส์ Galilean หรือ Keplerian โดยทั่วไปกระบวนการนี้มีประสิทธิภาพสูง (มากกว่า 96%) และความยาวคลื่นอิสระในช่วงของการออกแบบอุปกรณ์ Shapers ลำแสงหักเหของแสงผลิตคานหมวก hatped ชั้นนำที่เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานที่ทำงานในระยะทางไกลเช่นการถ่ายภาพโฮโลแกรมและระบบกล้องจุลทรรศน์
รูปที่ 2: การสร้างลำแสงเกาส์เซียนเป็นลำแสงด้านบนโดยใช้ Adloptica πshaper Hat Hat Beam Shaper จาก Adloptics ของ Optics Edmund ตามหลักการปฏิบัติการเช่นความผิดปกติของคลื่นและเงื่อนไขการอนุรักษ์พลังงาน
Shapers ลำแสงการหักเหของแสงอื่น ๆ ที่กำหนดลำแสงเกาส์เซียนให้กลายเป็นจุดที่โปร่งสบายเสมือน ข้อได้เปรียบของสิ่งนี้คือจุดที่โปร่งสบายเมื่อมุ่งเน้นไปที่ชุดเลนส์ที่ จำกัด การเลี้ยวเบนจะเป็นจุดโฟกัสที่มีโปรไฟล์หมวกด้านบน ในแอปพลิเคชันหลายอย่างเช่น micromachining, การพิมพ์หินและ microwelding จุดโฟกัสต้องใช้โปรไฟล์หมวกชั้นนำ
ในทางกลับกัน Shapers ลำแสง diffractive ใช้การเลี้ยวเบนมากกว่าการหักเหเพื่อเปลี่ยนการกระจายความเข้มของลำแสงเลเซอร์ที่ตกกระทบ โครงสร้างไมโครและนาโนที่เฉพาะเจาะจงจัดทำขึ้นบนพื้นผิวโดยใช้กระบวนการแกะสลักเพื่อสร้างองค์ประกอบการเลี้ยวเบน ผลกระทบและช่วงความยาวคลื่นขององค์ประกอบการเลี้ยวเบนมักขึ้นอยู่กับความสูงและระยะห่างของภูมิภาคของโครงสร้าง ดังนั้นองค์ประกอบออพติคอลแบบ diffractive จะต้องใช้ภายในช่วงความยาวคลื่นที่ออกแบบมาเพื่อหลีกเลี่ยงข้อผิดพลาดด้านประสิทธิภาพ
shapers ลำแสงที่กระจายความไวต่อมุมแตกต่างการจัดตำแหน่งและตำแหน่งลำแสงมากกว่า shapers คานหักเห อย่างไรก็ตาม Shapers ลำแสงที่กระจายอยู่มีข้อได้เปรียบเป็นพิเศษในระบบเลเซอร์ที่มีพื้นที่ จำกัด เนื่องจากพวกเขามักจะประกอบด้วยองค์ประกอบการเลี้ยวเบนเดียวแทนที่จะเป็นเลนส์หักเหหลายตัวและสามารถสร้างทั้งลำแสงบนหมวกและจุดที่โปร่งสบาย
ผู้รวมลำแสงเลเซอร์หรือ homogenizers เป็นอีกประเภทหนึ่งขององค์ประกอบการสร้างลำแสง พวกเขาประกอบด้วยหลายเลนส์ขนาดเล็กที่แยกแสงตกกระทบออกเป็นคานขนาดเล็ก เลนส์โฟกัสจากนั้นจะเพิ่มคานขนาดเล็กลงบนระนาบเป้าหมาย ลำแสงเอาท์พุทสุดท้ายคือผลรวมของรูปแบบการเลี้ยวเบนที่ผลิตโดยเลนส์ขนาดเล็กแต่ละตัวในอาร์เรย์ พวกเขาสามารถกำหนดลำแสงเกาส์เซียนที่ตกกระทบให้เป็นหมวกชั้นบนสุด อย่างไรก็ตามระบบเหล่านี้มักจะพบกับความผันผวนของการฉายรังสีแบบสุ่มส่งผลให้เกิดโปรไฟล์ลำแสงเอาท์พุทที่ไม่ได้มีความเข้มอย่างสมบูรณ์แบบ ตารางที่ 1 เปรียบเทียบ Shapers ลำแสงต่างๆ
คานหมวกบนสุดเหมาะสำหรับระบบเลเซอร์ที่หลากหลายซึ่งความแม่นยำและประสิทธิภาพมีความสำคัญมากกว่าค่าใช้จ่าย ด้วยการหักเหของแสงการเลี้ยวเบนและประเภทอื่น ๆ ของลำแสงที่อยู่ในตลาดผู้รวมระบบเลเซอร์มีตัวเลือกที่หลากหลายเมื่อเลือก Shaper ลำแสง
