Überblick
Laserstrahl-Profilierung Instrumente messen die folgenden Mengen:
Balkenbreite: Es gibt mehr als fünf Definitionen von Strahlbreite.
Strahlqualität: Quantifizierte durch die Strahlqualität Parameter, M2.
Strahldivergenz: Dies ist ein Maß für die Ausbreitung des Strahls mit dem Abstand.
Breite Profil: A Strahlprofil ist die 2D-Intensität Grundstück eines Strahls an einer bestimmten Stelle entlang der Strahlengang. Ein Gauß-oder Flat-Top-Profil wird häufig gewünscht. Das Strahlprofil zeigt Ärgernis höherwertigen räumlichen Moden in einem Laser-Resonator sowie Hot-Spots in den Strahl.
Breite Astigmatismus: Der Strahl wird astigmatische, wenn die vertikalen und horizontalen Teilen des Fokus in verschiedenen Orten entlang des Strahlenganges.
Breite wandern oder Jitter: Der Betrag, den Schwerpunkt oder Spitzenwert der Strahlprofil mit der Zeit bewegt.
Instrumente und Techniken wurden entwickelt, um den Strahl oben genannten Eigenschaften zu erhalten. Dazu gehören:
Kamera-Techniken: Diese umfassen die direkte Beleuchtung der Kamera-Sensor. Die maximale Punktgröße, die auf einem CCD-Sensor passt sich in der Größenordnung von 10 mm. Alternativ Beleuchten einer Wohnung diffuse Oberfläche mit dem Laser und bildgebende das Licht auf einen CCD mit einer Linse ermöglicht Profilierung von größerem Durchmesser Balken. Profil Laser off diffuse Oberflächen eignet sich hervorragend für große Öffnungswinkel, erfordert aber eine diffuse Oberfläche, die einheitliche Reflektivität (<1% Abweichung) über die beleuchtete Oberfläche hat.
Knife-edge-Technik: Ein sich drehender Klinge oder Schlitz schneidet der Laserstrahl vor dem Nachweis durch einen Leistungsmesser. Der Leistungsmesser misst die Intensität als Funktion der Zeit. Indem man die integrierte Intensität Profile in einer Reihe von Schnitten, kann die ursprüngliche Strahlprofil rekonstruiert mit Algorithmen für die Tomographie entwickelt werden. Diese Regel gilt nicht für gepulste Laser arbeiten, und bietet keine echte 2D-Strahlprofil, aber es hat eine hervorragende Auflösung, in einigen Fällen <1 m.
Historische Techniken: Dazu gehören die Verwendung von fotografischen Platten und brennen Platten. So wurden zum Beispiel High-Power-Kohlendioxid-Laser durch die Beobachtung langsamen Verbrennungen in Acrylat-Blöcke profiliert.
Ab 2002 [update], kommerzielle Messers Schneide Messsysteme Kosten $ 5.000 $ 12.000 USD und CCD Strahl Profiler kosten $ 4,0009,000 USD. Die Kosten der CCD Strahl Profiler hat sich in den letzten Jahren, vor allem durch niedrigere Silizium-CCD-Sensor die Höhe getrieben, und ab 2008 [Update] können sie für weniger als $ 1000 USD zu finden.
Anwendungen
Die Anwendungen der Laser-Profiling gehören:
Laserschneiden: Ein Laser mit einer elliptischen Strahlprofil hat ein weiterer Schnitt entlang einer Richtung, als entlang der anderen. Die Breite des Strahls beeinflusst die Kanten des Schnittes. Ein schmaler Strahlbreite ergibt hohen Fluenz und ionisiert, anstatt schmilzt, das bearbeitete Teil. Ionisiertes Kanten sind sauberer und haben weniger als Rändelung geschmolzen Kanten.
Nichtlineare Optik: Frequency Wirkungsgrad in nichtlinearen optischen Materialien ist proportional zum Quadrat (manchmal gewürfelt oder mehr) des Eingangs der Lichtintensität. Deshalb, um effiziente Frequenzkonversion zu erhalten, muss der Eingang Strahltaille so klein wie möglich. Ein Strahl Profiler kann zur Minimierung der Strahltaille im nichtlinearen Kristall.
Alignment: Beam-Profiler align Balken mit Größenordnungen besser Winkelgenauigkeit als Iris.
Laser-Überwachung: Es ist oft notwendig, um die Leistung des Lasers zu überwachen, ob das Strahlprofil ändert sich nach langen Stunden der Operation sehen. Die Aufrechterhaltung eines bestimmten Strahlform ist entscheidend für die adaptive Optik, nichtlineare Optik und Laser-Faser-Lieferung. Darüber hinaus können Laser-Status durch bildgebende gemessen werden die Strahler einer Pumpe Diodenlaser und das Zählen der Anzahl der Strahler, die versagt haben oder indem mehrere Strahl-Profiler an verschiedenen Punkten entlang eines Laser-Verstärker-Kette.
Laser und Laser-Verstärker-Entwicklung: Thermische Entspannung in Puls-gepumpten Verstärker Ursachen zeitlichen und räumlichen Schwankungen in der Gewinn-Kristall, effektiv zu verzerren das Strahlprofil des verstärkten Lichts. Ein Strahl Profiler am Ausgang des Verstärkers platziert ergibt sich eine Fülle von Informationen über transiente thermische Effekte im Kristall. Durch die Einstellung der Pumpe Strom an den Verstärker und Abstimmung der Signalpegel kann der Ausgang Strahlprofil in Echtzeit optimiert werden.
Fernfeld-Messung: Es ist wichtig, das Strahlprofil eines Lasers für Laser-Radar-oder Freiraum-optische Kommunikation über lange Distanzen, die so genannte ar-Bereich kennen. Die Breite des Strahls in seinem Fernfeld bestimmt die Menge der Energie, die durch ein Kommunikationssystem Empfänger und die Menge an Energie trifft auf die Ladar Ziel gesammelt. Die Messung der Fernfeld-Strahlprofil direkt wird oft in einem Labor wegen der langen Wegstrecke benötigt unmöglich. Eine Linse, auf der anderen Seite, verwandelt den Strahl, so dass die Fernfeld-tritt in der Nähe der Fokussierung. Ein Strahl Profiler in der Nähe der Brennpunkt der Linse platziert misst die Fernfeld-Strahlprofil in deutlich weniger Aufstellfläche.
Bildung: Beam-Profiler kann für Schülerlabore verwendet werden, die Beugung Theorien zu verifizieren und testen Sie die Fraunhofer-oder Fresnel-Beugung integraler Annäherungen. Andere Schülerlabor Ideen sind mit einem Balken Profiler Poisson Stelle eines undurchsichtigen Scheibe zu messen und um die Karte aus der Airy disk Beugungsmuster einer klaren Scheibe.
Messungen
Breite Breite
Hauptartikel: Strahldurchmesser
Die Strahlbreite ist die wichtigste Eigenschaft eines Laserstrahls Profil. Mindestens fünf Definitionen von Strahlbreite gebräuchlich sind: D4, 10/90 oder 20/80 Messers Schneide, 1/e2, FWHM, und D86. Das D4 Strahlbreite ist der ISO Standard Definition und Messung der M Strahlqualität Parameter erfordert die Messung der D4 Breiten. Die anderen Definitionen liefern komplementäre Informationen zu den D4 und sind in unterschiedlichen Situationen verwendet. Die Wahl der Definition kann eine große Wirkung auf die Strahlbreite Zahl erhalten, und es ist wichtig, die richtige Methode für eine bestimmte Anwendung verwenden. Die D4-und Messer-Breiten sind empfindlich gegen Rauschen auf den Detektor, während die 1/e2 und FWHM Breiten nicht. Der Anteil des gesamten Strahlleistung umfasst von der Strahlbreite davon abhängt, welche Definition verwendet wird.
D4 oder zweiten Moment Breite
D4 ist eine Abkürzung für den Durchmesser, die 4-fache, wobei die Standardabweichung der horizontalen oder vertikalen Randverteilung ist. Mathematisch gesehen ist der D4 Strahlbreite in der x-Dimension für das Strahlprofil I (x, y) wie folgt ausgedrückt
,
wo
ist der Schwerpunkt des Strahlprofil in der x-Richtung. Die Flügel des Strahlprofils Einfluss auf die D4-Wert mehr als das Zentrum des Strahls Profil, da die Flügel der Randverteilung durch das Quadrat seiner Entfernung, x2 gewichtet sind, von der Mitte des Balkens. Wenn der Strahl nicht ausfüllt mehr als ein Drittel des Balkens Profiler Sensorfläche, dann gibt es eine beträchtliche Anzahl von Pixeln an den Rändern des Sensors, dass eine kleine Baseline-Wert (Hintergrund-Wert) zu registrieren. Wenn der Basiswert groß ist oder wenn es nicht aus dem Bild subtrahiert, dann den berechneten Wert D4 wird größer sein als der tatsächliche Wert, weil der Ausgangswert der Nähe der Ränder des Sensors in der D4 Integral durch x2 gewichtet sind. Daher ist baseline Subtraktion notwendig für genaue Messungen D4. Die Grundlinie ist leicht durch die Aufnahme der durchschnittliche Wert für jedes Pixel, wenn der Sensor nicht beleuchtet wird gemessen. Das D4 Breite, im Gegensatz zu den FWHM und 1/e2 Breiten, ist sinnvoll für multimodale Randverteilungen, dass der Strahl Profile mit mehreren Gipfeln, sondern erfordert eine sorgfältige Subtraktion der Basislinie für genaue Ergebnisse. Der D4 ist die ISO international einheitliche Definition für Strahlbreite.
Knife-edge width
Vor dem Aufkommen der CCD Beam Profiler wurde die Strahlbreite unter Verwendung der Schneide-Technik. Die Technik ist wie folgt: Scheibe eines Laserstrahls mit einer Rasierklinge und messen die Kraft des Strahls abgeschnitten als Funktion des Rasierers Position. Die gemessene Kurve ist das Integral der Randverteilung und beginnt mit der Summe der Strahlleistung und monoton auf Null Leistung. Die Breite des Strahls wird entweder als der Abstand zwischen den Punkten der gemessenen Kurve, die 10% und 90% (bzw. 20% und 80%) der maximale Wert definiert werden. Wenn der Basiswert ist klein oder herausgerechnet, die Messer-Strahlbreite entspricht immer 60%, im Fall von 20/80, oder 80%, im Fall von 10/90, der gesamten Strahlleistung, egal was das Strahlprofil. Auf der anderen Seite umfassen die D4, 1/e2 und FWHM Breiten Fraktionen der Macht, die Strahl-Form abhängig sind. Daher ist die 10/90 oder 20/80 Messers Schneide Breite ein nützliches Metrik, wenn der Benutzer möchte sicher sein, dass die Breite einer festen Bruchteil der gesamten Strahlleistung umfasst. Die meisten CCD beam-Profiler-Software können die Messer-Breite numerisch berechnen.
1/e2 Breite
Die 1/e2 Breite ist gleich dem Abstand zwischen den zwei Punkten auf der Randverteilung dass 1/e2 = 0,135 fachen der maximalen Wert sind. Wenn es mehr als 2 Punkte, 1/e2 Zeiten sind der maximale Wert, dann die beiden Punkte am nächsten an der maximalen gewählt werden. Die 1/e2 Breite hängt nur 3 Punkte auf der Randverteilung, im Gegensatz zu D4-und Messer-Breiten, die auf das Integral der Randverteilung ab. 1/e2 Breite Messungen sind lauter als D4 Breite Messungen für jeden gesammelten CCD-Rahmen. Für multimodale Randverteilungen (a Strahlprofil mit mehreren Peaks), die 1/e2 Breite in der Regel nicht ergeben einen sinnvollen Wert und kann grob der inhärenten Breite des Strahls zu unterschätzen. Für multimodale Verteilungen, würde eine D4 Breite eine bessere Wahl sein.
Das American National Standard Z136.1-2007 für den sicheren Einsatz von Lasern (S. 6) definiert die Strahldurchmesser als der Abstand zwischen diametral entgegengesetzten Punkte in diesem Querschnitt eines Balkens, wo die Leistung pro Flächeneinheit ist 1 / e (0,368 ) Mal, dass der Peak-Leistung pro Flächeneinheit. Dies ist der Strahldurchmesser Definition, die zur Berechnung der maximal zulässige Belastung durch einen Laserstrahl verwendet wird. Neben der Federal Aviation Administration nutzt auch die 1 / e Definition für Lasersicherheit Berechnungen in FAA Auftrag 7400.2F, “Verfahren für den Umgang mit Airspace Matters”, 16. Februar 2006, S. 29-1-2.
D86 Breite
Die D86 Breite ist als der Durchmesser des Kreises, der im Schwerpunkt des Strahlprofils zentriert ist und enthält 86% der Strahlleistung definiert. Die Lösung für D86 wird durch Berechnung der Fläche immer größere Kreise um den Schwerpunkt, bis die Fläche enthält 0,86 der totalen Macht gefunden. Im Gegensatz zum vorherigen Strahlbreite Definitionen, ist die D86 Breite von Randverteilungen abgeleitet. Die seltsame Prozentsatz von 86, anstatt 50, 80 oder 90, ist gewählt, weil eine kreisförmige Gauß-Strahlprofil auf 1/e2 der Spitzenwert integriert enthält 86% seiner Gesamtleistung. Die D86 Breite wird oft in Anwendungen, die mit genau zu wissen, wie viel Leistung in einem bestimmten Gebiet betroffen ist verwendet werden. Zum Beispiel sind Hochenergie-Laser-Waffen und ladars zwei Anwendungen, die genaue Kenntnis davon, wie viel Sendeleistung tatsächlich leuchtet das Ziel benötigen.
Strahlqualität
Breite Qualitätsparameter, M2
Hauptartikel: Strahlparameterprodukt
Die M2-Parameter ist ein Maß für Strahlqualität, eine niedrige M2-Wert gibt gute Strahlqualität und die Fähigkeit, zu einem festen Punkt fokussiert werden. Der Wert M ist gleich dem Verhältnis des Strahls Divergenzwinkel der eines Gaußschen Strahl mit der gleichen D4 Taillenweite. Da die Gauß-Strahl divergiert langsamer als jede andere Strahlform ist das M2-Parameter immer größer oder gleich eins ist. Andere Definitionen von Strahlqualität haben in der Vergangenheit benutzt worden, aber das eine mit der zweiten Moment Breiten wird meist akzeptiert.
Strahlqualität ist in vielen Anwendungen wichtig. In Glasfaser-Kommunikations-Balken mit einem M2 nahe 1 sind für die Kopplung an Single-Mode Glasfaser erforderlich. Laser Werkstätten kümmern sich sehr um die M2-Parameter von ihren Lasern, weil die Strahlen auf ein Gebiet, das M2-mal größer als die einer Gauß-Strahl mit der gleichen Wellenlänge und D4 Taillenweite ist Schwerpunkt wird, mit anderen Worten, die Fluenz Skalen als 1 / M2. Die Faustregel ist, dass M2 steigt die Laserleistung erhöht. Es ist schwierig, exzellente Strahlqualität und hohe mittlere Leistung (100 W bei KWS) durch thermische Linsen in das Laserverstärkungsmedium erhalten.
Die M2-Parameter ist experimentell wie folgt ermittelt:
Messen Sie die D4 Breiten bei 5 axialen Positionen in der Nähe der Strahltaille (der Ort, wo der Strahl schmalsten).
Messen Sie die D4 Breiten bei 5 axialen Positionen mindestens eine Rayleigh-Länge von der Taille.
Fit der 10 Messpunkte auf, wo 2 (z) das zweite Moment der Verteilung in der x-oder y-Richtung (siehe Abschnitt D4 Strahlbreite) und z0 ist die Lage der Strahltaille mit dem zweiten Moment Breite von 20 . Montage der 10 Datenpunkte ergibt M2, z0 und 0. Siegman zeigte, dass alle Strahlprofilen Gauß, oben flach, TEMXY oder irgendeine Form muss die obige Gleichung vorausgesetzt, dass der Strahlradius der D4 Definition der Strahlbreite verwendet folgen. Mit dem 10/90 Messers Schneide, hat die D86 oder die FWHM Breiten nicht.
Komplette E-Feld-Balken-Profiling
Breite Profiler messen die Intensität, | E-Bereich | 2, der den Laserstrahl Profil, aber liefern keine Informationen über die Phase des E-Feldes. Um vollständig zu charakterisieren, die E-Feld auf einer bestimmten Ebene, sowohl die Phase und Amplitude Profile müssen bekannt sein. Die Real-und Imaginärteil des elektrischen Feldes kann charakterisiert durch zwei CCD Strahl Profiler werden, dass Probe der Strahl an zwei getrennten Ausbreitung Flugzeuge, mit der Anwendung einer Phase Recovery-Algorithmus, um die erfassten Daten. Der Vorteil der völlig Charakterisierung der E-Feld in einer Ebene ist, dass die E-Feld-Profil für jeden anderen Ebene mit Beugungstheorie berechnet werden kann.
Power-in-the-Eimer oder Strehl Definition der Strahlqualität
Die M2-Parameter ist nicht die ganze Geschichte in der Angabe Strahlqualität. Ein niedriger M2 nur bedeutet, dass das zweite Moment des Strahlprofils langsam erweitert. Dennoch können zwei Strahlen mit der gleichen M2 nicht den gleichen Bruchteil der abgegebenen Leistung in einem bestimmten Gebiet. Power-in-the-Eimer und Strehl-Verhältnis sind zwei Versuche Strahlqualität als eine Funktion, wie viel Leistung auf einem bestimmten Gebiet geliefert zu definieren. Leider gibt es keine Standard-Schaufel Größe (D86 Breite, Gauß-Strahlbreite, Airyscheibchen Nullen, etc.) oder Eimer Form (rund, rechteckig, usw.) und es gibt keine Standard-Strahl für die Strehl-Verhältnis zu vergleichen. Daher müssen diese Definitionen immer angegeben werden, bevor eine Nummer gegeben und es stellt große Schwierigkeiten bei dem Versuch, Laser zu vergleichen. Es gibt auch keine einfache Konvertierung zwischen M2, power-in-the-Eimer und Strehl-Verhältnis. Der Strehl-Verhältnis, zum Beispiel hat als das Verhältnis der Peak-Intensitäten in den Mittelpunkt aberriert und ideal Punktbildfunktionen definiert worden. In anderen Fällen hat es, wie das Verhältnis zwischen der Peak-Intensität eines Bildes durch die Peak-Intensität einer beugungsbegrenzten Bild mit dem gleichen gesamte Fluß geteilt definiert worden. Da gibt es viele Möglichkeiten power-in-the-Eimer und Strehl-Verhältnis in der Literatur definiert wurden, ist die Empfehlung, mit der ISO-Norm M2 Definition für die Strahlqualität Parameter bleiben und sich bewusst sein, dass ein Strehl-Verhältnis von 0,8, für Beispielsweise hat nichts zu bedeuten, wenn der Strehl-Verhältnis durch eine Definition begleitet wird.
Strahldivergenz
Hauptartikel: Strahldivergenz
Die Divergenz eines Laserstrahls ist ein Maß dafür, wie schnell sich der Strahl erweitert weit von der Strahltaille. Es ist in der Regel als die Ableitung der Strahlradius in Bezug auf die axiale Position im Fernfeld, dh definiert, in einem Abstand von der Strahltaille, die viel größer als die Rayleigh-Länge ist. Diese Definition ergibt sich eine Divergenz Halbwinkel. (Manchmal, voller Winkel sind in der Literatur, das sind doppelt so groß.) Für eine beugungsbegrenzte Gaußstrahl, die Strahldivergenz ist / (w0), wo die Wellenlänge (im Medium) und w0 der Strahlradius ist ( Radius mit 1/e2 Intensität) an der Strahltaille. Eine große Divergenz für einen bestimmten Strahlradius entspricht schlechte Strahlqualität. Eine geringe Divergenz kann für Anwendungen wie Zeigen oder Freiraum-optische Kommunikation wichtig. Beams mit sehr geringer Divergenz, dh mit annähernd konstanter Strahlradius über signifikante Vermehrung Distanzen werden als kollimierten Strahlen. Für die Messung der Strahldivergenz man in der Regel Maßnahmen der Strahlradius an verschiedenen Positionen, z. B. mit ein Strahl Profiler. Es ist auch möglich zur Ableitung der Divergenz aus der komplexen Amplitude des Strahls in einer einzigen Ebene: räumliche Fourier-Transformationen liefern die Verteilung der Quer-Ortsfrequenzen, die direkt an Ausbreitungswinkel verwandt sind. Siehe US-Laser Corps Application Note für eine Anleitung, wie man den Laserstrahl Divergenz mit einem Objektiv und CCD-Kamera zu messen.
Breite Astigmatismus
Siehe auch: Astigmatismus
Astigmatismus in einem Laserstrahl tritt auf, wenn die horizontale und vertikale Querschnitte des Fokus an verschiedenen Orten entlang der Strahlengang. Astigmatismus kann mit einem Paar von Zylinderlinsen korrigiert werden. Die Metrik für Astigmatismus ist die Macht der Zylinderlinse benötigt, um die Schwerpunkte der horizontalen und vertikalen Querschnitten zusammen zu bringen. Astigmatismus ist verursacht durch:
Thermische Linsen in Nd: YAG Slab-Verstärker. Eine Platte, die zwischen zwei Metall-Kühlkörpern eingeklemmt wird, verfügt über ein Temperaturgefälle zwischen dem Kühlkörper. Die thermischen Gradienten bewirkt einen Brechungsindex-Gradienten, die sehr ähnlich zu einer Zylinderlinse ist. Der zylindrische Linsen durch den Verstärker verursacht wird der Strahl astigmatische.
Unübertroffene Zylinderlinsen oder Fehler bei der Platzierung dieser Optik.
Propagation durch eine nichtlineare einachsigen Kristall (common in nichtlinearen optischen Kristallen). Die x-und y-polarisiert E-Feldern Erfahrung unterschiedlichem Brechungsindex.
Nicht Ausbreitung durch das Zentrum von einer sphärischen Linse oder Spiegel.
Astigmatismus kann leicht durch eine CCD Beam Profiler durch die Beobachtung, wo die x-und y-Strahltaillen als Profiler entlang der Strahlengang übersetzt wird auftreten charakterisiert werden.
Breite wandern oder Jitter
Jeder Laserstrahl wandert und Nervosität, wenn auch eine kleine Menge. Die typische kinematische Tip-Tilt Mount driftet um rund 100 rad pro Tag in einer Laborumgebung (Schwingungsisolierung über optische Tisch, konstanter Temperatur und Druck, und kein Sonnenlicht, dass Teile Ursachen der Hitzeentwicklung). Ein Laserstrahl auf diesen Spiegel wird von 100 m bei einer Reichweite von 1000 km übersetzt werden. Dies könnte den Unterschied zwischen treffen oder nicht treffen einen Kommunikationssatelliten von der Erde entfernt. Daher gibt es ein großes Interesse bei der Charakterisierung des Strahls zu wandern (langsamen Zeitskala) oder Jitter (schnelle Zeitskala) eines Laserstrahls. Der Strahl wandert und Jitter kann durch die Verfolgung der Schwerpunkt-oder Spitzenwert des Strahls auf einen CCD-Beam Profiler gemessen werden. Der CCD-Frame-Rate ist in der Regel 30 Frames pro Sekunde und kann daher Strahl Jitter, die langsamer als 30 Hz schnell Vibrationen aufgrund einer Stimme, 60 Hz Ventilatormotor Brummen oder anderen Quellen des schnellen Schwingungen sehen kann, ist zu erfassen. Glücklicherweise ist dies in der Regel nicht ein großes Anliegen für die meisten Labor-Laser-Systeme und die Frame-Raten von CCDs sind schnell genug, um zu erfassen der Strahl über die Bandbreite wandern, die enthält die größten Rauschleistung. Eine typische Strahl wandern Messung wird die Verfolgung der Schwerpunkt der Strahl über mehrere Minuten. Die rms Abweichung des Schwerpunktes Daten ein klares Bild des Laserstrahls zeigt Stabilität. Die Integrationszeit des Strahls Jitter-Messung sollte immer begleiten den berechneten Effektivwert. Auch wenn die Pixel-Auflösung der Kamera kann mehrere Mikrometer, Sub-Pixel-Auflösung Zentroid (möglicherweise zig Nanometer-Auflösung) erreicht werden, wenn das Signal-Rausch-Verhältnis gut ist und der Strahl füllt die meisten CCD aktive Fläche ist.
Breite wandern wird hervorgerufen durch:
Langsam Thermalisierung des Lasers. Laser-Hersteller haben in der Regel ein Warm-up-Spezifikation, damit der Laser zu einem Gleichgewicht nach dem Start driften.
Tip-Tilt-und Optikhalter Drift durch thermischen Gradienten, Druck und Lösen der Federn verursacht.
Non-starr montierten Optik durch Zufall natürlich!
Vibration durch Fans, Wandern Personen / Niesen / Atmung, Wasserpumpen, und die Bewegung von Fahrzeugen außerhalb des Labors.
Vortäuschung von Beam Profiler-Messungen für Lasersysteme
Es ist für die meisten Laser-Hersteller nutzen, um Daten in einer Weise, dass ihr Produkt im besten Licht zeigt präsentieren, auch wenn es sich um eine Irreführung der Kunden. Laser Leistungsdaten können durch Fragen wie geklärt werden:
Ist die Spezifikation typische oder Worst-Case-Performance?
Was Strahlbreite Definition verwendet wurde?
Ist das M2-Parameter für die vertikale und horizontale Schnitte, oder einfach nur zum Besseren Querschnitt?
War M2 gemessen mit dem ISO-Standard-Technik oder auf andere Weise z. B. Macht in den Eimer.
Über wie lange wurden die Daten aufgenommen, um mit dem angegebenen rms Strahl Jitter. (RMS-Jitter Strahl wird noch schlimmer als das Messintervall erhöht.) Was war der Laser-Umgebung (optischer Tisch, etc.)?
Was ist die Aufwärmzeit benötigt, um die angegebenen M2, Strahlbreite, Divergenz, Astigmatismus und Jitter zu erreichen?
Techniques
Breite Profiler in der Regel fallen in zwei Klassen: die erste verwendet ein einfaches Photodetektor hinter einer Blende, die über die abgetastet wird. Die zweite Klasse mit einer Kamera Bild des Strahls.
Scanning-Apertur-Techniken
Die häufigsten Scannen Blende Techniken sind die Messer-Technik und die Scanning-Schlitz-Profiler. Der ehemalige Koteletts der Strahl mit einem Messer und misst die übertragene Leistung als die Klinge durch den Strahl. Die gemessene Intensität gegen die Position des Messers ergibt sich eine Kurve, die die integrierte Strahlungsintensität in eine Richtung. Durch Messung der Intensität Kurve für verschiedene Richtungen, kann die ursprüngliche Strahlprofil rekonstruiert mit Algorithmen für Röntgen-Computertomografie entwickelt werden.
Scanning-Schlitz-Profiler mit einem schmalen Schlitz statt eines einzigen Messers Schneide. In diesem Fall ist die Intensität über die Spaltbreite integriert. Das Messergebnis entspricht dem ursprünglichen Querschnitt mit dem Profil des Schlitzes gefaltet.
Diese Techniken können sehr kleine Messfelder bis zu 1 m messen, und kann verwendet werden, um direkt zu messen hohen Leistung werden. Sie bieten keine kontinuierliche Auslesung, obwohl Repetitionsraten so hoch wie zehn Hertz erreicht werden kann. Auch geben die Profile integrierten Intensitäten in der x-und y-Richtung und nicht die tatsächliche räumliche 2D-Profil (Integration Intensitäten kann hart sein, für komplizierte Strahlprofilen interpretieren). Sie haben in der Regel nicht für gepulste Laserquellen arbeiten, weil der zusätzliche Komplexität für die Synchronisierung der Bewegung der Blende und der Laserimpulse. [Bearbeiten]
CCD-Kamera-Technik
Die CCD-Kamera-Technik ist einfach: dämpfen und den Glanz eines Lasers auf einen CCD und messen das Strahlprofil direkt. Es ist aus diesem Grund, dass die Kamera-Technik die beliebteste Methode für das Laserstrahl-Profilierung ist. Die beliebtesten Kameras verwendet werden Silizium-CCDs, dass der Sensor Durchmessern bis Bandbreite bis 25 mm (1 inch) und Pixel-Größen bis zu wenigen Mikrometern haben. Diese Kameras sind auch empfindlich auf ein breites Spektrum von Wellenlängen, vom tiefen UV, 200 nm, bis zum nahen Infrarot, 1100 nm; dieser Bereich von Wellenlängen umfassen ein breites Spektrum von Laser-Gewinn-Medien. Die Vorteile der CCD-Kamera-Technik sind:
Es fängt die 2D-Strahlprofil in Echtzeit
Software in der Regel zeigt kritische Strahl Metriken, wie zB D4 Breite, in Echtzeit
Sensitive CCD-Detektoren erfassen kann der Strahl Profile der schwachen Lasern
Auflösung bis zu 5 m
CCD-Kameras mit Trigger-Eingänge können verwendet werden, um Strahl Profile von Low-Duty-Cycle-gepulste Laser Capture werden
CCD haben breiten Wellenlängenbereich Empfindlichkeiten von 200 bis 1100 nm
Die Nachteile der CCD-Kamera-Technik sind die Dämpfung ist für Hochleistungslaser und CCD-Sensor limitiert auf etwa 1 cm erforderlich.
Baseline Subtraktion für D4 Breite Messungen
Das D4 Breite ist empfindlich gegen die Strahlenergie oder Lärm in den Schwanz des Impulses, da die Pixel, die weit aus dem Strahl Schwerpunkt sind die D4 Breite wie die das Quadrat der Entfernung zu leisten. Zur Reduzierung der Fehler in der D4 Breite schätzen, sind die Baseline Pixelwerte aus dem gemessenen Signal subtrahiert. Die Baseline-Werte für die Pixel sind durch Aufzeichnung der Werte der CCD-Pixel ohne einfallende Licht gemessen. Die endlichen Wert ist darauf zurückzuführen, Dunkelstrom, Ausleserauschen und andere Lärmquellen. Für shot-noise-begrenzte Lärmquellen, verbessert die Grundlinie Subtraktion der D4 Breite Schätzung, wobei N die Anzahl der Pixel in den Flügeln ist. Ohne Baseline Subtraktion, ist die D4 Breite überschätzt.
Averaging besser Messwerte zu erhalten
Averaging aufeinander CCD-Aufnahmen ergibt eine sauberere Profil und entfernt sowohl CCD-Bildwandler mit Lärm-und Laserstrahl Intensitätsschwankungen. Das Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) eines Pixels für ein Strahlprofil ist als der Mittelwert des Pixels durch die root-mean-square (rms)-Wert dividiert. Das SNR verbessert sich Quadratwurzel aus der Anzahl der aufgenommenen Bilder für Schrotrauschen Dunkelstrom Lärm, Ausleserauschen und Poisson-Erkennung Lärm Prozesse. So zum Beispiel die Erhöhung der Zahl der durchschnittlich von einem Faktor von 100 glättet das Strahlprofil mit einem Faktor von 10.
Attenuation Techniken
Da CCD-Sensoren sehr empfindlich sind, wird die Dämpfung fast immer für die richtige Strahl Profilierung notwendig. Zum Beispiel ist 40 dB (ND 4 oder 10-4) der Dämpfung typisch für ein Milliwatt HeNe-Laser. Proper Dämpfung hat folgende Eigenschaften:
Es ist nicht in mehrfachen Reflexionen Bügelqualität ein Gespenst Bild auf dem CCD-Sensor
Es ist nicht verzerren die Wellenfront und wird ein optisches Element mit ausreichender optischer Ebenheit werden (weniger als ein Zehntel der Wellenlänge)
Es kann mit den erforderlichen optischen Leistung
Für Laserstrahl Profilierung mit CCD-Sensoren sind in der Regel zwei Arten von Dämpfungsglieder verwendet: Neutralfilter und Keile oder dicke optische Wohnungen.
Neutralfilter
Hauptartikel: Neutral Density Filter
Absorptive und reflektierende: Neutral Density (ND)-Filter in zwei Typen. Absorptive Filter (z. B. von Schott 1234 Glas) sind für niedrigere-Power-Anwendungen, die sich beteiligen, um etwa 100 mW mittlere Leistung. Oberhalb dieser Leistungsstufen, riskiert man das Schmelzen des Filters. Absorptive Filterdämpfung Werte gelten für das sichtbare Spektrum (500.700 nm) und sind nicht außerhalb dieses Spektralbereichs gültig. In der Regel kann man erwarten, etwa 10% Variation der Dämpfung über ein 2-Zoll (51 mm) ND-Filter. Die Dämpfungswerte der ND-Filter sind logarithmisch angegeben. Ein ND 3 Filter überträgt 10-3 des einfallenden Strahls Macht. Platzierung der größten Dämpfer letzte vor der CCD-Sensor wird in den besten Ablehnung Geisterbilder durch mehrfache Reflexionen führen. Reflektierende Filter sind mit einer dünnen metallischen Beschichtung und damit über eine größere Bandbreite zu betreiben. Ein ND 3 metallic-Filter wird gut über 2.002.000 Nm. Die Dämpfung wird schnell außerhalb dieses Spektralbereichs zu erhöhen. Diese Filter reflektieren eher absorbieren die einfallende Leistung, und damit können höhere Eingangsleistungen verarbeiten. Diese Filter funktionieren nach ca. 5 W mittlere Leistung (mehr als ca. 1 cm2 Beleuchtungsbereich) vor dem Erhitzen bewirkt, dass sie zu knacken. Da diese Filter Licht zu reflektieren, muss man vorsichtig sein beim Stapeln mehrerer ND-Filter, da mehrfache Reflexionen zwischen den Filtern ein Gespenst Bild mit dem Original Strahlprofil stören verursachen. Eine Möglichkeit, dieses Problem zu mildern wird durch Kippen des ND-Filter-Stack. Unter der Annahme, dass die Absorption des metallischen ND-Filter vernachlässigbar ist, die Reihenfolge der ND-Filter-Stack doesn egal, wie es für die absorptive Filter funktioniert.
Optische Keile
Optische Keile und Reflexionen von unbeschichteten optischen Glasflächen werden verwendet, um hohe Leistung Laserstrahlen zu dämpfen. Etwa 4% aus der Luft / Glas-Grenzfläche reflektiert und mehrere Keile können verwendet werden, um stark dämpfen den Strahl auf ein Niveau, abgeschwächt werden mit ND-Filter können. Der Winkel des Keils wird in der Regel so gewählt, dass die zweite Reflexion an der Oberfläche nicht traf die aktive Fläche des CCD. Je weiter der CCD ist aus dem Keil, je kleiner der Winkel erforderlich. Wedges haben den Nachteil, sowohl Übersetzungs-und Biege-Strahlrichtung Pfade werden nicht mehr auf komfortable rechtwinkligen Koordinaten liegen. Anstatt mit einem Keil, ein optischer Qualität dicke Glasplatte geneigt, um den Strahl auch tatsächlich funktionieren, ist dies das gleiche wie ein Keil mit einem 0-Winkel. Das dicke Glas übersetzt die Balken, aber es wird sich nicht ändern den Winkel der Ausgangsstrahl. Das Glas muss dick genug sein, so dass die sekundäre Reflexion nicht beleuchten die aktive Fläche des CCD. Die Fresnel-Reflexion eines Strahls aus einer Glasplatte wird für die verschiedenen s-und p-Polarisation (s ist parallel zur Oberfläche des Glases, und p steht senkrecht auf s) und ändert sich in Abhängigkeit von Einfallswinkel bewahren Sie diese in dagegen, wenn Sie erwarten, dass die beiden Polarisationen verschiedene Strahl-Profile haben. Um zu verhindern, Verzerrung der Strahlprofil, sollte das Glas in optischer Qualität Ebenheit der Oberfläche von / 10 (= 633 nm) und Scratch-dig von 40-20 oder besser sein. Ein Halbwellenplatte durch einen polarisierenden Strahlteiler gefolgt bilden ein variables Dämpfungsglied und diese Kombination wird häufig in optischen Systemen zur Anwendung. Der variable Abschwächer made in dieser Weise ist nicht für die Dämpfung für Strahlprofil-Anwendungen empfohlen, weil: (1) das Strahlprofil in den zwei orthogonalen Polarisationen unterschiedlich sein kann, und (2) die Polarisation Beam Cube kann eine geringe optische Zerstörschwelle Wert haben. Preiswert cube Polarisatoren sind durch Kleben zwei rechte Winkel Prismen bildeten zusammen. Der Kleber nicht gut stand hohen Leistungen die Intensität unter 500 mW/mm2 gehalten werden sollten. Single-Element-Polarisatoren sind für hohe Leistungen empfohlen.
Optimal Strahlgröße auf dem CCD-Detektor
Es gibt zwei konkurrierende Anforderungen, die die optimale Strahl Größe auf dem CCD-Detektor zu bestimmen. Eine Voraussetzung ist, dass die gesamte Energie oder so viel davon wie möglich von dem Laserstrahl trifft auf den CCD-Sensor ist. Dies würde bedeuten, dass wir alle Energie in den Mittelpunkt des aktiven Bereichs Fokus in so kleinen Ort wie möglich mit nur ein paar der zentralen Pixel, um sicherzustellen, dass die Schwänze der Strahl durch die äußeren Pixel erfasst werden. Dies ist eine extreme. Die zweite Voraussetzung ist, dass wir ausreichend Probe der Strahl Profilform müssen. Als allgemeine Faustregel gilt, dass wir mindestens 10 Pixel in der gesamten Region, dass die meisten umfasst wollen, sagen 80%, der Energie in den Strahl. Daher gibt es keine feste Regel, um die optimale Strahl Größe auswählen. Solange der CCD-Sensor sorgt für mehr als 90% der Strahlenergie und hat mindestens 10 Pixel über sie wird die Strahlbreite Messungen einiger Genauigkeit.
Pixel Größe und Anzahl der Pixel
Je größer der CCD-Sensor, desto größer ist die Größe des Balkens, die profiliert werden kann. Manchmal ist dies geht auf Kosten der größeren Pixel-Größen. Kleine Pixel Größen sind für die Beobachtung fokussierten Strahlen gewünscht. Ein CCD mit vielen Megapixeln ist nicht immer besser als ein kleineres Array seit Auslesezeiten auf dem Computer kann unangenehm lang. Das Auslesen des Arrays in Echtzeit ist für jegliche Feinabstimmung und Optimierung der Laser-Profil unerlässlich.
Fernfeld-Beam Profiler
Ein Fernfeld-Beam Profiler ist nichts anderes als Profilierung der Strahl im Brennpunkt einer Linse. Diese Ebene wird manchmal als der Fourier-Ebene und ist das Profil, das würde man sehen, ob der Strahl propagiert sehr weit weg. Der Strahl bei der Fourier-Ebene ist die Fourier-Transformation das Eingabefeld ein. Es muss bei der Einrichtung eines Fernfeld-Messung durchgeführt werden. Der fokussierte Spotgröße muss groß genug sein, um über mehrere Pixel erstrecken. Die Spot-Größe beträgt ca. f / D, wobei f die Brennweite der Linse, die Wellenlänge des Lichts ist, und D ist der Durchmesser des kollimierten Strahls trifft auf die Linse. Zum Beispiel würde ein Helium-Neon-Laser (633 nm) mit 1 mm Strahldurchmesser zu einem 317 m vor Ort mit einem 500-mm-Objektiv fokussieren. Ein Laserstrahl-Profiler mit 5,6 m Pixelgröße wäre ausreichend Probe vor Ort an 56 Standorten.
Spezielle Anwendungen
Die hohen Kosten für CCD Laserstrahl-Profiler in der Vergangenheit haben den Weg für Low-Cost-Strahl-Profiler angegeben. Ersetzen Iris für super-exakte Ausrichtung und gleichzeitig mehrere Port-Überwachung von Lasersystemen: Low-Cost-Strahl-Profiler haben eine Reihe neuer Anwendungen eröffnet.
Iris-Ersatz mit Mikroradian Ausrichtungsgenauigkeit
In der Vergangenheit war die Ausrichtung von Laserstrahlen mit Iris getan. Zwei Iris eindeutig ein Strahlengang definiert, die weiter voneinander entfernt die Iris und je kleiner die Blende Löcher, desto besser ist der Pfad definiert wurde, das heißt, nur ein paar Lichtstrahlen durch beide Iris gezogen werden könnten. Die kleinste Blende, die eine Iris zu definieren, ist etwa 0,8 mm. Im Vergleich dazu kann der Schwerpunkt eines Laserstrahls auf Sub-Mikrometer-Genauigkeit mit einem Laserstrahl-Profiler ermittelt werden. Der Laserstrahl-Profiler die effektive Maschenweite ist drei Größenordnungen kleiner als die der Iris. Folglich ist die Fähigkeit, einen optischen Pfad definieren 1000 mal besser bei der Verwendung von Strahl-Profiler über Iris. Anwendungen, die Mikroradian Ausrichtung Genauigkeiten müssen, gehören der Erde-Weltraum-Kommunikation, Erde-Weltraum Ladar, Master Oszillator Power-Oszillator Ausrichtung und Multi-Pass-Verstärker.
Gleichzeitige mehrere Port Überwachung der Laseranlage
Experimentelle Lasersysteme profitieren von der Verwendung von mehreren Laserstrahl-Profiler, um die Pumpe Strahl, den austretenden Strahl, und der Strahl Form bei mittleren Standorten in der Laser-System zu charakterisieren, z. B. nach einer Kerr-Linse modelocker. Änderungen in der Pumplaserstrahl Profil angeben, die Gesundheit der Pumplaser, die Lasermoden in der Gewinn-Kristall sind begeistert, und auch bestimmen, ob der Laser bis durch Auffinden des Schwerpunktes des Strahls gegenüber dem Steckbrett erwärmt. Der Ausgang Strahlprofil ist oft eine starke Funktion der Pumpleistung durch thermo-optische Effekte in der Gewinn-Medium.
Referenzen
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