פרופיל קרן לייזר – מה זה?
פרופילינג של קרן לייזר הוא כלי חיוני למדידה ולניתוח של מאפייני קרני לייזר. במאמר זה נבחן את מושג פרופיל קרן הלייזר ונסביר את החשיבות שבהבנת מאפייני קרני הלייזר. נדון בשיטות השונות המשמשות למדידה ולניתוח של קרני לייזר, כולל שימוש במצלמות, חיישנים ותוכנה, ונסביר את היתרונות והמגבלות של כל גישה. בנוסף, נסקור יישומים שונים של פרופילינג קרן לייזר – מתכנון וייצור מערכות לייזר ועד מחקר מדעי ויישומים רפואיים. בין אם אתם חדשים בעולם הלייזרים ובין אם אתם אנשי מקצוע מנוסים, הבנת פרופיל קרן לייזר היא חיונית להשגת ביצועי לייזר אופטימליים ולמיצוי מלוא הפוטנציאל של טכנולוגיית הלייזר.
מהו פרופיל קרן לייזר?
פרופיל קרן לייזר הוא מדידה של התפלגות העוצמה של קרן לייזר בנקודה מסוימת במרחב. ניתן למדוד את הפרופיל באמצעות התקן הנקרא פרופילומטר קרן לייזר, אשר מזהה את האור מהקרן ויוצר מעין מפה של התפלגות העוצמה במרחב. לפרופיל קרן לייזר יכולים להיות צורות שונות, כגון גאוסית (Gaussian), Top-Hat, לורנצי (Lorentz) או דמוית בסל (Bessel-like), בהתאם למאפייני הלייזר ולאופטיקה המשמשת לעיצוב הקרן.
התמונה שלעיל מציגה פרופיל אידיאלי דו-ממדי (2D) של קרן גאוסית, כאשר הצבעים מוצגים באמצעות מפת צבעים המופיעה בצד הימני של התמונה.
פרופיל הקרן יכול להשתנות גם לאורך המרחק, או לאורך מסלול התקדמות הקרן, כאשר הדוגמה הנפוצה ביותר היא התבדרות הקרן. פרופיל הקרן חשוב ליישומי לייזר רבים, שכן הוא קובע את כמות האנרגיה המועברת למטרה, את הגודל והצורה של נקודת המיקוד של הלייזר, ואת העוצמה והאחידות של האור במיקום נתון.
שימוש במצלמות CMOS ו-CCD למדידת פרופיל קרן
גם מצלמות CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) וגם מצלמות CCD (charge-coupled device) יכולות לשמש למדידת פרופיל קרן לייזר. מצלמות אלו מסוגלות לזהות את האור מקרן הלייזר וליצור תמונה של התפלגות העוצמה, אותה ניתן לנתח לצורך קביעת פרופיל הקרן.
שני סוגי המצלמות פועלים על ידי המרת אור למטענים חשמליים. במצלמת CMOS, לכל פיקסל בחיישן יש גלאי אור ומגבר משלו, אשר ממירים אור לאות חשמלי. האותות מכל הפיקסלים נקראים ומעובדים ליצירת תמונה. למצלמות CMOS מספר יתרונות, בהם צריכת חשמל נמוכה, מהירות קריאה גבוהה ויכולת לשלב פונקציות נוספות, כגון עיבוד תמונה, על אותו השבב.
מצלמת CCD, לעומת זאת, פועלת על ידי צבירת מטענים הנוצרים מפוטונים נכנסים על גבי מוליך למחצה, ולאחר מכן קריאתם באמצעות העברה מרשומה לרשומה. מצלמות CCD נודעו בעבר באיכות תמונה גבוהה וברעש נמוך, אך מצלמות CMOS מודרניות צמצמו משמעותית את הפער.
שני סוגי המצלמות יכולים לשמש למדידת פרופיל קרן לייזר, אך יש להן מאפיינים שונים שעשויים להפוך אחד מהם למתאים יותר ליישום מסוים. לדוגמה, מצלמות CCD ידועות ברגישות הגבוהה וברעש הנמוך שלהן, מה שהופך אותן למתאימות במיוחד ליישומים בעוצמות אור נמוכות. מצלמות CMOS, לעומת זאת, ידועות במהירויות קריאה גבוהות ובצריכת חשמל נמוכה, ולכן מתאימות ליישומים מהירים. כמו כן, הן נחשבות לעמידות יותר לנזקים הנגרמים מעוצמות לייזר גבוהות מדי.
בכל מקרה, יש ללכוד את תמונת המצלמה באמצעות תוכנה המסוגלת לעבד את תמונת כתם הלייזר ולקבוע את פרופיל הקרן. השיטה הנפוצה ביותר היא התאמת גאוס (Gaussian fit) לעוצמת התמונה.
דוגמה לתמונה של פני השטח של מערך CMOS מוצגת בתמונה שלהלן. תמונה זו נרכשה באמצעות מיקרוסקופ אלקטרונים סורק (SEM) לצורך חקירת גאומטריית הפיקסלים. כל ריבוע קטן המופיע בתמונה הוא גלאי רגיש לאור – פיקסל.
התפלגות עוצמה תלת-ממדית היא פרופיל קרן לייזר
המונח פרופיל קרן לייזר יכול להתייחס להתפלגות עוצמה דו-ממדית (2D) של קרן לייזר, או להתפלגות עוצמה תלת-ממדית (3D).
התפלגות העוצמה הדו-ממדית, הידועה גם כהתפלגות רוחבית, היא מדידה של עוצמת קרן הלייזר בנקודה מסוימת במרחב, כגון בנקודת מיקוד או על מטרה. היא מציגה כיצד עוצמת הקרן משתנה על פני שטח החתך של הקרן.
התפלגות העוצמה התלת-ממדית, לעומת זאת, היא מדידה של עוצמת קרן הלייזר במספר נקודות במרחב, ומספקת תמונה מלאה יותר של מאפייני הקרן. היא מתארת כיצד עוצמת הקרן משתנה לא רק על פני שטח החתך, אלא גם לאורך ציר הקרן, תוך התחשבות בהתבדרות הקרן או בנקודת המיקוד.
לצורך מדידת התפלגות עוצמה תלת-ממדית ניתן להשתמש בשילוב של שיטות. לדוגמה, מדידת עוצמה במספר נקודות במרחב באמצעות הזזה מבוקרת של חיישן או של הקרן, או שימוש במערכת הדמיה ייעודית, כגון חיישן Shack-Hartmann או מערכת חריץ סורק. שיטות אלו מספקות אפיון מדויק ומפורט יותר של קרן הלייזר, אשר יכול להיות חיוני ביישומים כמו עיבוד חומרים בלייזר, שבהם ההתפלגות התלת-ממדית משפיעה על איכות החומר המעובד.
שילוב של תמונות אלו מאפשר לשרטט את ה“קאוסטיקות” של קרן הלייזר, כפי שמוצג באופן סכמטי בתמונה שלהלן.
עקומה כזו (קאוסטיקות) מאפשרת, למשל, להעריך אחד ממדדי איכות הקרן: M².
דוגמאות לארטיפקטים בפרופיל קרן לייזר
קיימים סוגים שונים של ארטיפקטים שעשויים להופיע בפרופיל קרן לייזר, בהתאם למאפייני הלייזר ולמערכת המדידה שבה נעשה שימוש. להלן כמה דוגמאות לארטיפקטים נפוצים:
רעש (NOISE):
מדובר בשינויים בלתי רצויים בעוצמת קרן הלייזר, כגון כאלה הנגרמים מתנודות באספקת החשמל או משינויים בטמפרטורה. רעש מקשה על מדידה מדויקת של פרופיל הקרן ויכול להופיע כשינויים אקראיים בהתפלגות העוצמה.
חיתוך (CLIPPING):
תופעה זו מתייחסת לקטיעה של אזורים בעלי עוצמה גבוהה בקרן הלייזר. היא מתרחשת כאשר החיישן המשמש למדידה רווי, כלומר אינו מסוגל לזהות את האזורים בעלי העוצמה הגבוהה ביותר. חיתוך עלול להוביל להערכת חסר של עוצמת השיא האמיתית של הקרן.
פיזור (SCATTERING):
מדובר בהתפשטות הקרן כתוצאה מדיפרקציה או החזרה ממשטחים או חומרים הנמצאים במסלול הקרן. פיזור עלול לעוות את הקרן ולגרום לשינוי בפרופיל הקרן.
אובדן תלוי תדירות מרחבית (SPATIAL FREQUENCY DEPENDENT LOSS):
תופעה זו יכולה להיגרם מרכיבים אופטיים שאינם מותאמים באופן מלא לאורך הגל של הלייזר, ולהוביל להתפלגות עוצמה לא אחידה.
אי-התאמה של קרן הייחוס (MISMATCH OF THE REFERENCE BEAM):
מצב זה עשוי להתרחש, למשל, בחיישן Shack-Hartmann. החיישן משתמש במערך מיקרו-עדשות כדי לדגום את קרן הלייזר ולהשוותה לקרן ייחוס. אם קרן הייחוס אינה תואמת למאפייני הקרן הנמדדת, עלולות להיווצר אי-דיוקים בפרופיל הנמדד.
אבק (DUST):
בעיה נפוצה מאוד במערכות לייזר היא אבק, שעלול להופיע על רכיבים אופטיים. גרגרי אבק קטנים אלו עשויים להשפיע על איכות הקרן ולגרום לדיפרקציה. כאשר עוצמת הקרן עולה, גרגר האבק עלול לספוג קרינה מופרזת, להעביר חום למראה ולבסוף לגרום לשבירתה.
ראוי לציין כי Huaris Laser Cloud, הנתמך על ידי בינה מלאכותית, מזהה אבק בקרן באופן אוטומטי לחלוטין כבר בשלב מוקדם מאוד, כאשר הסיכון לנזק לרכיבים האופטיים נמוך. המערכת מתריעה בפני משתמש הלייזר וממליצה לנקות את הרכיבים האופטיים לפני שייגרם להם נזק בלתי הפיך.
דיפרקציה (DIFFRACTION):
קיימים סוגים שונים של דיפרקציה שניתן לצפות בהם בקרני לייזר, כגון דיפרקציה ליניארית או מעגלית – בהתאם למבנה שבו הקרן נתקלה במסלול התקדמותה. הקרן עשויה גם לפגוש קצוות מעוגלים, כמו קצה של מראה, ואז תבנית הדיפרקציה שתתקבל תהיה בעלת צורה מעוגלת.
בדומה לזיהוי אבק, הבינה המלאכותית שלנו מסוגלת לזהות גם סוגים שונים של תבניות דיפרקציה כבר בשלב מוקדם מאוד – לעיתים אף לפני שהעין האנושית יכולה להבחין בכך – ולספק אינדיקציה ברורה לכך שמשהו אינו תקין בלייזר. במקרה כזה, Huaris Cloud תמליץ גם על פעולות תחזוקה, כגון בדיקת יישור הקרן.
דוגמה לקרן שעברה דיפרקציה מוצגת בתמונה שלהלן. במקרה זה מדובר בדיפרקציה ליניארית על קרן גאוסית, כפי שמוצג באפליקציית התוכנה המקומית של Huaris לפרופילינג.
חשוב לציין כי ארטיפקטים אלו אינם מופיעים בכל מדידה, וכי מערכת מתוכננת ומכוילת היטב יכולה לצמצם אותם באופן משמעותי.
קישורים שימושיים של Huaris
מערכת Huaris היא דוגמה מצוינת להישגים העדכניים ביותר בתחום פרופילינג קרן לייזר באמצעות בינה מלאכותית. ראו את המוצרים והתוכנה שלנו:
Recent posts about laser beam profiler
