Gambar 1: Distribusi intensitas balok Gaussian yang diukur secara eksperimental (kiri) dan balok topi atas (kanan).
Sebagian besar balok laser memiliki distribusi intensitas Gaussian; Namun, dalam beberapa aplikasi, mungkin lebih bermanfaat untuk menggunakan balok non-Gaussian. Balok Gaussian memiliki penampang distribusi intensitas yang berkurang secara simetris dengan meningkatnya jarak dari pusat. Sebaliknya, balok topi top mempertahankan distribusi intensitas konstan di seluruh penampang, memungkinkan intensitas iradiasi yang konsisten pada target selama pemrosesan (lihat Gambar 1). Akibatnya, hasil yang lebih akurat dan dapat diprediksi dapat dicapai dalam aplikasi seperti pemrosesan wafer semikonduktor, pemrosesan bahan lainnya dan konversi frekuensi nonlinier untuk laser daya tinggi.
Balok topi top menghasilkan pemotongan yang lebih bersih dan tepi yang lebih tajam dari balok Gaussian, tetapi menghasilkan balok top topi menambahkan biaya dan kompleksitas sistem tambahan. Memahami manfaat balok top topi dan berbagai metode untuk menghasilkannya dapat membantu integrator sistem laser memilih jenis balok laser yang tepat untuk jenis aplikasi mereka.
Karakteristik balok Gaussian
Laser Gaussian lebih umum dan hemat biaya daripada jenis balok sumber laser lainnya. Sebagian besar laser mode tunggal berkualitas tinggi memancarkan balok yang mengikuti profil Irradiance Gaussian orde rendah, yang juga dikenal sebagai mode TEM 00. Sumber kualitas yang lebih rendah juga akan memiliki beberapa derajat mode laser lain yang ada, tetapi biasanya menganggap laser memiliki profil Gaussian yang diinginkan untuk menyederhanakan pemodelan sistem.
Jika balok Gaussian memiliki daya optik rata -rata yang sama dengan balok topi atas, irradiasi puncak balok Gaussian akan menjadi dua kali lipat dari balok topi top. Sebagai balok Gaussian merambat melalui sistem optik, ia mempertahankan distribusi profil radiasi Gaussian bahkan jika intensitas puncak atau ukuran balok berubah. Ini berarti bahwa balok Gaussian tetap konstan saat merambat.
Apa masalah dengan balok Gaussian?
Balok Gaussian memiliki kelemahannya. Dalam aplikasi di mana bagian intensitas tinggi dari balok di tengah digunakan, bagian intensitas rendah dari balok di kedua sisi (yang disebut "sayap") sering terbuang, karena intensitas laser lebih tinggi dari ambang batas yang diperlukan untuk aplikasi, apakah itu pemrosesan material, operasi laser, atau aplikasi lain.
Selain itu, sayap balok Gaussian juga dapat merusak area di luar zona target, sehingga memperbesar zona yang terkena dampak panas. Ini merugikan aplikasi seperti operasi laser dan pemrosesan material presisi, di mana presisi tinggi dan zona yang terkena dampak panas minimal diprioritaskan. Akibatnya, bahan yang diproses dengan balok Gaussian tidak akan memiliki tepi yang halus, sehingga mengurangi keakuratan sistem.
Mengapa Menggunakan Top Hat Beams?
Dibandingkan dengan balok Gaussian, profil balok topi top tidak memiliki bagian bersayap dan memiliki transisi tepi yang lebih curam, menghasilkan transfer intensitas yang lebih efisien dan zona yang terkena panas yang lebih kecil. [2] Etsa, pengelasan, atau pemotongan dengan balok topi atas akan lebih tepat dan kurang merusak ke daerah sekitarnya.
Gambar.
Keuntungan utama dari balok top topi ini membuatnya cocok untuk berbagai situasi. Dalam pengujian ambang kerusakan yang diinduksi laser (LIDT) dan sistem metrologi lainnya, distribusi intensitas seragam balok topi teratas meminimalkan ketidakpastian pengukuran dan varian statistik. Balok top topi juga menguntungkan dalam mikroskop fluoresensi, holografi dan sistem interferometri.
Salah satu cara untuk menilai apakah balok laser yang sebenarnya dekat dengan balok topi top yang sempurna adalah dengan menganalisis faktor kerataannya (Fη), yang dihitung dengan membagi nilai radiasi rata -rata dengan nilai radiasi maksimum balok, seperti yang dijelaskan dalam standar ISO 13694.
Apa kerugian dari balok topi top?
Balok topi teratas tidak cocok untuk semua aplikasi. Ini tidak seefektif biaya seperti balok Gaussian karena komponen pembentukan balok tambahan diperlukan untuk membentuk balok Gaussian menjadi balok topi atas. Komponen ini dapat dibangun langsung ke sumber laser atau digunakan dalam sistem di luar laser. Komponen pembentukan balok ini tergantung pada ukuran balok input dan sensitif terhadap perataan bidang XY. Selain itu, tidak seperti balok Gaussian, balok top topi tidak tetap konstan selama propagasi. Ini berarti bahwa balok topi top insiden tidak akan mempertahankan bentuk topi atasnya saat bergerak melalui sistem, dan pada akhirnya akan berevolusi menyerupai distribusi titik yang lapang.
Bagaimana balok topi top disadari?
Jika balok top topi diinginkan, tetapi biaya sistem sangat terbatas dan kinerjanya tidak perlu sangat tinggi, balok Gaussian dapat dipotong secara fisik menggunakan aperture kecil untuk membuat profil topi pseudo-top. Metode ini memotong dan membuang energi dari kedua sayap balok Gaussian dan bahkan tidak keluar dari distribusi intensitas di tengah balok. Metode ini mungkin berguna jika mempertahankan biaya rendah adalah faktor utama.
Untuk sistem kinerja tinggi yang membutuhkan penggunaan energi laser secara efisien, komponen pembentukan balok dapat digunakan untuk membentuk balok Gaussian menjadi balok topi atas. Ada beberapa jenis komponen pembentukan balok, termasuk perangkat bias, reflektif, holografik, dan difraktif. Perangkat pembentukan balok bias menggunakan lensa aspherical atau bentuk bebas yang dipetakan lapangan dan komponen bias lainnya untuk memodulasi fase balok (lihat Gambar 2). Keuntungannya adalah distribusi intensitas yang seragam dan bagian depan fase datar. Amplitudo dan fase balok insiden dimodulasi oleh elemen optik dalam perakitan lensa Galilea atau Keplerian. Proses ini biasanya sangat efisien (lebih besar dari 96%) dan panjang gelombang independen pada kisaran desain perangkat. Pembentuk balok bias menghasilkan balok -balok topi terkolimasi yang sangat cocok untuk aplikasi yang beroperasi dalam jarak jauh, seperti pencitraan holografik dan sistem mikroskop.
Gambar 2: Membentuk balok Gaussian menjadi balok topi atas menggunakan adloptica πshaper topi topi balok dari adloptics of edmund optics, berdasarkan prinsip operasi seperti penyimpangan tepi gelombang dan kondisi konservasi energi.
Jenis-jenis lain dari pembentuk balok bias yang membentuk balok Gaussian menjadi tempat lapang semu. Keuntungan dari ini adalah bahwa titik lapang, ketika difokuskan oleh set lensa terbatas difraksi, membentuk titik fokus dengan profil top topi. Dalam banyak aplikasi seperti micromachining, litografi, dan microwelding, titik fokus membutuhkan profil top topi.
Di sisi lain, pembentuk balok difraktif menggunakan difraksi, daripada refraksi, untuk mengubah distribusi intensitas balok laser insiden. Struktur mikro dan nano khusus disiapkan pada substrat menggunakan proses etsa untuk membentuk elemen difraktif. Efek dan rentang panjang gelombang dari elemen difraktif biasanya tergantung pada tinggi dan jarak daerah struktur. Oleh karena itu, elemen optik difraktif harus digunakan dalam rentang panjang gelombang yang dirancang untuk menghindari kesalahan kinerja.
Pembentuk balok difraktif lebih sensitif terhadap sudut divergensi, penyelarasan dan posisi balok daripada pembentuk balok bias. Namun, pembentuk balok difraktif memiliki keunggulan khusus dalam sistem laser yang dibatasi ruang, karena biasanya terdiri dari elemen difraktif tunggal alih-alih beberapa lensa bias, dan dapat membentuk balok topi top dan bintik-bintik yang lapang.
Integrator sinar laser, atau homogenizer, adalah jenis lain dari komponen pembentukan balok. Mereka terdiri dari berbagai lensa kecil yang memisahkan cahaya insiden menjadi balok yang lebih kecil. Lensa pemfokusan kemudian melapiskan balok yang lebih kecil ke bidang target. Balok output akhir adalah jumlah dari pola difraksi yang dihasilkan oleh masing -masing lensa kecil dalam array. Mereka dapat membentuk insiden balok Gaussian menjadi profil topi top yang seragam. Namun, sistem ini sering mengalami fluktuasi radiasi acak, menghasilkan profil balok output yang tidak seragam intensitas sempurna. Tabel 1 membandingkan berbagai pembentuk balok.
Balok top topi cocok untuk berbagai sistem laser di mana akurasi dan efisiensi lebih penting daripada biaya. Dengan refraktif, difraktif, dan jenis lain dari pembentuk balok yang saat ini ada di pasaran, integrator sistem laser memiliki berbagai pilihan saat memilih pembentuk balok.
