Laserstråleprofil – vad är det?
Laserstråleprofilering är ett oumbärligt verktyg för att mäta och analysera egenskaperna hos laserstrålar. I denna artikel kommer vi att utforska begreppet laserstråleprofilering och förklara vikten av att förstå laserstrålars karakteristika. Vi kommer att diskutera de olika metoder som används för att mäta och analysera laserstrålar, inklusive användning av kameror, sensorer och mjukvara, samt förklara fördelar och begränsningar med varje tillvägagångssätt. Dessutom kommer vi att titta på de olika tillämpningarna av laserstråleprofilering – från design och tillverkning av lasersystem till vetenskaplig forskning och medicinska tillämpningar. Oavsett om du är ny inom laserområdet eller en erfaren yrkesperson är förståelsen av laserstråleprofilering avgörande för att uppnå optimal laserprestanda och frigöra laserteknikens fulla potential.
Vad är en laserstråleprofil?
En laserstråleprofil är en mätning av intensitetsfördelningen hos en laserstråle vid en viss punkt i rummet. Profilen kan mätas med hjälp av en enhet som kallas laserstråleprofiler, som detekterar ljuset från strålen och skapar en slags karta över intensitetsfördelningen i rummet. Laserstrålens profil kan ha olika former, såsom Gaussisk, Top-Hat, Lorentzisk eller Bessel-liknande form, beroende på laserens egenskaper och den optik som används för att forma strålen.
Bilden ovan visar en idealisk, tvådimensionell Gaussisk stråleprofil färglagd med en färgskala som visas på bildens högra sida.
Stråleprofilen kan också förändras med avståndet, eller längs strålens utbredningsväg. Det vanligaste exemplet är stråldivergens. Stråleprofilen är viktig för många lasertillämpningar eftersom den avgör hur mycket energi som levereras till ett mål, storleken och formen på laserfokusfläcken samt ljusets intensitet och jämnhet på en given plats.
Användning av CMOS- och CCD-kameror för mätning av stråleprofil
Både CMOS-kameror (complementary metal-oxide-semiconductor) och CCD-kameror (charge-coupled device) kan användas för att mäta laserstråleprofiler. Dessa kameror kan detektera ljuset från laserstrålen och skapa en bild av intensitetsfördelningen, som sedan kan analyseras för att bestämma stråleprofilen.
Både CMOS- och CCD-kameror fungerar genom att omvandla ljus till elektriska laddningar. I en CMOS-kamera har varje pixel i sensorn sin egen fotodetektor och förstärkare som omvandlar ljus till en elektrisk signal. Signalerna från alla pixlar läses sedan ut och bearbetas för att skapa en bild. CMOS-kameror har flera fördelar, bland annat låg strömförbrukning, hög avläsningshastighet och möjlighet att integrera andra funktioner, såsom bildbehandling, på samma chip.
En CCD-kamera fungerar däremot genom att ackumulera laddningar som genereras av inkommande fotoner i ett halvledarmaterial och läsa ut dem genom att flytta dem från ett register till ett annat. CCD-kameror har traditionellt varit kända för sin höga bildkvalitet och låga brusnivå, men moderna CMOS-kameror har i stor utsträckning minskat detta gap.
Båda kameratyperna kan användas för att mäta laserstråleprofiler, men de har olika egenskaper som kan göra den ena mer lämpad för en viss tillämpning. CCD-kameror är till exempel kända för sin utmärkta känslighet och låga brusnivå, vilket gör dem väl lämpade för tillämpningar med svagt ljus. CMOS-kameror är å andra sidan kända för sina höga avläsningshastigheter och låga strömförbrukning, vilket gör dem väl lämpade för höghastighetsapplikationer. De anses också vara mer motståndskraftiga mot skador från alltför höga lasereffekter.
I båda fallen måste kamerabilden fångas av en mjukvara som kan bearbeta bilden av laserfläcken och bestämma stråleprofilen. Den vanligaste metoden är att använda Gaussisk anpassning av bildens intensitet.
Ett exempel på en bild av ytan hos ett CMOS-array visas på bilden nedan. Bilden togs med hjälp av SEM (Scanning Electron Microscope) för att undersöka pixelgeometrin. Varje liten fyrkant som visas i bilden är en verklig ljuskänslig detektor – en pixel.
Tredimensionell intensitetsfördelning är en laserstråleprofil
En laserstråleprofil kan avse den tvådimensionella (2D) intensitetsfördelningen hos en laserstråle, eller den tredimensionella (3D) intensitetsfördelningen.
Den 2D-intensitetsfördelningen, även kallad den transversella intensitetsfördelningen, är en mätning av laserstrålens intensitet vid en viss punkt i rummet, till exempel vid en fokalpunkt eller ett mål. Den visar hur laserstrålens intensitet varierar över strålens tvärsnittsarea.
Den 3D-intensitetsfördelningen är däremot en mätning av laserstrålens intensitet vid flera punkter i rummet och kan ge en mer komplett bild av strålens egenskaper. Den beskriver hur intensiteten varierar inte bara över tvärsnittet utan även längs strålens axel, med hänsyn till stråldivergens eller fokuspunkt.
För att mäta den tredimensionella intensitetsfördelningen kan en kombination av metoder användas. Till exempel kan intensiteten mätas vid flera punkter i rummet genom att flytta en sensor eller strålen på ett kontrollerat sätt, eller genom att använda ett specialiserat avbildningssystem såsom en Shack-Hartmann-sensor eller ett skannande spaltsystem. Dessa metoder kan ge en mer detaljerad och noggrann karakterisering av laserstrålen, vilket är användbart i tillämpningar som laserbaserad materialbearbetning, där den tredimensionella intensitetsfördelningen kan påverka kvaliteten på det bearbetade materialet.
Genom att kombinera dessa bilder kan man rita laserstrålens ”kaustik”, vilket schematiskt visas på bilden nedan.
En sådan kurva (kaustik) gör det till exempel möjligt att uppskatta en av strålkvalitetsfaktorerna: M².
Exempel på artefakter i laserstråleprofilen
Det finns olika typer av artefakter som kan förekomma i en laserstråleprofil, beroende på laserens specifika egenskaper och det använda mätsystemet. Några exempel på vanliga artefakter är:
BRUS:
Detta avser oönskade variationer i laserstrålens intensitet, till exempel orsakade av fluktuationer i strömförsörjningen eller temperaturförändringar. Brus kan försvåra en noggrann mätning av stråleprofilen och kan visa sig som slumpmässiga variationer i intensitetsfördelningen.
KLIPPNING:
Detta avser fenomenet där områden med hög intensitet i laserstrålen kapas. Det inträffar när sensorn som används för att mäta stråleprofilen mättas, vilket innebär att den inte kan detektera de högsta intensitetsnivåerna i strålen. Klippning kan leda till en underskattning av strålens verkliga toppintensitet.
SPRIDD LJUS (SCATTERING):
Detta avser spridning av strålen till följd av diffraktion eller reflektion från ytor eller material i strålens bana. Spridning kan orsaka att strålen deformeras, vilket leder till en förändring av stråleprofilen.
FÖRLUST BEROENDE AV RUMSLIG FREKVENS:
Detta kan orsakas av optiska komponenter som inte är fullt optimerade för laserens våglängd och kan leda till en ojämn intensitetsfördelning.
MISSANPASSNING AV REFERENSSTRÅLEN:
Detta kan till exempel inträffa i en Shack-Hartmann-sensor. Sensorn använder ett linsmatrisarray för att sampla laserstrålen och jämföra den med en referensstråle. Om referensstrålen inte matchar egenskaperna hos den laserstråle som mäts kan det leda till felaktigheter i den uppmätta stråleprofilen.
DAMM:
Ett mycket vanligt problem i lasersystem är damm. Det kan förekomma på optiska element. Dessa små partiklar kan påverka laserstrålens kvalitet genom att orsaka diffraktion. Om strålens intensitet ökar kan dammpartiklar dessutom absorbera strålningen kraftigt, överföra värmen till spegeln och i slutändan leda till att den skadas.
Det är värt att nämna att Huaris Laser Cloud, med stöd av artificiell intelligens, detekterar damm i strålen helt automatiskt i ett mycket tidigt skede, när risken för skador på de optiska komponenterna fortfarande är låg. Systemet varnar laseranvändaren och rekommenderar rengöring av de optiska elementen innan de skadas irreversibelt.
DIFFRAKTION:
Det finns olika typer av diffraktion som kan observeras hos laserstrålar, till exempel linjär eller cirkulär diffraktion, beroende på vilken struktur laserstrålen har mött längs sin utbredningsväg. Strålen kan också träffa rundade kanter, såsom en spegelkant. I sådana fall får det resulterande diffraktionsmönstret en mer rundad form.
På liknande sätt som vid dammdetektering kan vår AI även identifiera olika typer av diffraktionsmönster i ett mycket tidigt skede, ofta innan det mänskliga ögat kan uppfatta dem. Systemet ger då en tydlig indikation på att något är fel med lasern. I detta fall kommer Huaris Cloud också att rekommendera underhållsåtgärder, till exempel kontroll av stråljusteringen.
Ett exempel på en diffrakterad stråle visas på bilden nedan. I detta fall handlar det om linjär diffraktion på en Gaussisk stråle som presenteras i Huaris profileringsmjukvaras lokala applikation.
Det är viktigt att notera att dessa artefakter inte nödvändigtvis uppträder vid alla mätningar. Ett välkonstruerat och korrekt kalibrerat system kan dessutom reducera dessa artefakter avsevärt.
Användbara Huaris-länkar
Huaris-systemet är ett utmärkt exempel på de senaste framstegen inom laserstråleprofilering med hjälp av artificiell intelligens. Se våra produkter och vår mjukvara:
Recent posts about laser beam profiler
