Laserstråleprofil – hvad er det?
Laserstråleprofilering er et essentielt værktøj til måling og analyse af laserstrålers egenskaber. I denne artikel vil vi udforske begrebet laserstråleprofilering og forklare vigtigheden af at forstå laserstrålers karakteristika. Vi vil diskutere de forskellige metoder, der anvendes til at måle og analysere laserstråler, herunder brugen af kameraer, sensorer og software, samt forklare fordele og begrænsninger ved hver tilgang. Derudover vil vi se på de forskellige anvendelser af laserstråleprofilering – fra design og produktion af lasersystemer til videnskabelig forskning og medicinske anvendelser. Uanset om du er ny inden for laserverdenen eller en erfaren professionel, er forståelsen af laserstråleprofilering afgørende for at opnå optimal laserydelse og udnytte laserteknologiens fulde potentiale.
Hvad er en laserstråleprofil?
En laserstråleprofil er en måling af intensitetsfordelingen af en laserstråle på et bestemt punkt i rummet. Profilen kan måles ved hjælp af en enhed kaldet en laserstråleprofiler, som registrerer lyset fra strålen og skaber en form for kort over intensitetsfordelingen i rummet. Profilen af en laserstråle kan have forskellige former, såsom Gaussisk, Top-Hat, Lorentz- eller Bessel-lignende form, afhængigt af laserens karakteristika og den optik, der anvendes til at forme strålen.
Billedet ovenfor viser en ideel, 2D Gaussisk stråleprofil i farver ved hjælp af et farvekort vist i højre del af billedet
Stråleprofilen kan også ændre sig over afstanden eller langs strålens udbredelsesretning, hvor det mest almindelige eksempel er stråledivergens. Stråleprofilen er vigtig for mange laseranvendelser, da den bestemmer mængden af energi, der leveres til et mål, størrelsen og formen af laserens fokuspunkt samt intensiteten og ensartetheden af lyset på et givent sted
Brug af CMOS- og CCD-kameraer til måling af stråleprofil
Både CMOS- (complementary metal-oxide-semiconductor) og CCD-kameraer (charge-coupled device) kan anvendes til at måle laserstråleprofiler. Disse kameraer er i stand til at registrere lyset fra laserstrålen og skabe et billede af intensitetsfordelingen, som kan analyseres for at bestemme stråleprofilen.
Både CMOS- og CCD-kameraer fungerer ved at omdanne lys til elektriske ladninger. I et CMOS-kamera har hver pixel i sensoren sin egen fotodetektor og forstærker, som omdanner lys til et elektrisk signal. Signalerne fra alle pixels aflæses derefter og behandles for at skabe et billede. CMOS-kameraer har flere fordele, herunder lavt strømforbrug, høj aflæsningshastighed og mulighed for at integrere andre funktioner, såsom billedbehandling, på den samme chip.
Et CCD-kamera fungerer derimod ved at akkumulere ladninger genereret af indkommende fotoner på en halvleder og aflæse dem ved at flytte dem fra et register til et andet. CCD-kameraer har traditionelt været kendt for deres høje billedkvalitet og lave støjniveau, men moderne CMOS-kameraer har i høj grad indhentet dette forspring.
Begge kameratyper kan anvendes til at måle laserstråleprofiler, men de har forskellige egenskaber, som kan gøre den ene mere velegnet til en bestemt anvendelse. For eksempel er CCD-kameraer kendt for deres fremragende følsomhed og lave støj, hvilket gør dem velegnede til svag belysning. CMOS-kameraer er derimod kendt for deres høje aflæsningshastigheder og lave strømforbrug, hvilket gør dem velegnede til højhastighedsapplikationer. De siges også at være mere modstandsdygtige over for skader fra for høje lasereffekter.
I begge tilfælde skal kameraets billede indfanges af software, der kan behandle billedet af laserpletten og bestemme stråleprofilen. Den mest almindelige metode er at anvende en Gaussisk tilpasning på billedets intensitet.
Et eksempel på billedet af overfladen af CMOS-arrayet er vist på billedet nedenfor. Dette billede blev optaget ved hjælp af SEM (Scanning Electron Microscope) for at undersøge pixelgeometrien. Hver lille firkant vist på billedet er en reel lysfølsom detektor, en pixel.
3D-intensitetsfordeling er en laserstråleprofil
En laserstråleprofil kan referere til den todimensionale (2D) intensitetsfordeling af en laserstråle, eller den kan referere til den tredimensionale (3D) intensitetsfordeling.
Den 2D-intensitetsfordeling, også kendt som den transversale intensitetsfordeling, er en måling af intensiteten af laserstrålen på et bestemt punkt i rummet, såsom ved et fokuspunkt eller et mål. Den viser, hvordan laserstrålens intensitet varierer på tværs af strålens tværsnitsareal.
Den 3D-intensitetsfordeling er derimod en måling af laserstrålens intensitet på flere punkter i rummet og kan give et mere komplet billede af strålens egenskaber. Den beskriver, hvordan laserstrålens intensitet varierer ikke kun på tværs af tværsnitsarealet, men også langs strålens akse under hensyntagen til stråledivergens eller fokuspunkt.
For at måle 3D-intensitetsfordelingen kan der anvendes en kombination af metoder. For eksempel ved at måle intensiteten på flere punkter i rummet ved at flytte en sensor eller strålen på en kontrolleret måde, eller ved at anvende et specialiseret billeddannelsessystem såsom en Shack-Hartmann-sensor eller et scannende spaltsystem. Disse metoder kan give en mere detaljeret og præcis karakterisering af laserstrålen, hvilket kan være nyttigt i applikationer såsom laserbaseret materialebearbejdning, hvor 3D-intensitetsfordelingen kan påvirke kvaliteten af det bearbejdede materiale.
Ved at kombinere disse billeder kan man tegne laserstrålens “kaustikker”, hvilket er skematisk vist på billedet nedenfor
En sådan kurve (kaustik) gør det for eksempel muligt at estimere en af strålekvalitetsfaktorerne: M2.
Eksempel på artefakter i laserstråleprofilen
Der findes forskellige typer artefakter, som kan forekomme i en laserstråleprofil, afhængigt af laserens specifikke karakteristika og det anvendte målesystem. Nogle eksempler på almindelige artefakter omfatter:
STØJ:
Dette refererer til uønskede variationer i laserstrålens intensitet, såsom dem der forårsages af udsving i strømforsyningen eller temperaturændringer. Støj kan gøre det vanskeligt at måle stråleprofilen præcist og kan fremstå som tilfældige variationer i intensitetsfordelingen.
AFKLIPNING:
Dette refererer til fænomenet, hvor højintensive områder af laserstrålen afskæres. Det sker, når sensoren, der anvendes til at måle stråleprofilen, mættes, hvilket betyder, at den ikke kan registrere de højeste intensitetsområder af strålen. Afklipning kan føre til en undervurdering af strålens reelle maksimale intensitet.
SPREDNING:
Dette refererer til spredning af strålen på grund af diffraktion eller refleksion fra overflader eller materialer i strålens udbredelsesvej. Spredning kan forårsage, at strålen forvrænges, hvilket fører til en ændring i stråleprofilen.
RUMFREKVENSAFHÆNGIGT TAB:
Dette kan forårsages af, at de optiske komponenter ikke er fuldt optimeret til laserens bølgelængde og kan føre til en uensartet intensitetsfordeling.
UOVERENSSTEMMELSE MELLEM REFERENCETRÅLEN:
Dette kan for eksempel forekomme i en Shack-Hartmann-sensor. Sensoren anvender et mikrolinse-array til at prøve laserstrålen og sammenligne den med en referencestråle. Hvis referencestrålen ikke matcher karakteristikaene for den målte laserstråle, kan det føre til unøjagtigheder i den målte stråleprofil.
STØV:
Et meget almindeligt problem i lasersystemer er støv. Det kan forekomme på de optiske elementer. Disse små partikler kan påvirke laserstrålens kvalitet ved at forårsage diffraktion, men hvis strålens intensitet øges, kan støvpartiklen absorbere strålingen kraftigt og overføre varmen til spejlet, hvilket i sidste ende kan føre til brud.
Det er værd at nævne, at Huaris Laser Cloud, understøttet af kunstig intelligens, registrerer støv i strålen fuldautomatisk på et meget tidligt stadie, hvor risikoen for skader på de optiske komponenter er lav. Systemet vil advare laserbrugeren og anbefale rengøring af de optiske elementer, før de bliver uopretteligt beskadiget.
DIFFRAKTION:
Der findes forskellige former for diffraktion, som kan observeres med laserstråler, for eksempel lineær eller cirkulær – afhængigt af den struktur, som laserstrålen har mødt på sin udbredelsesvej. Strålen kan også møde afrundede kanter, såsom kanten af et spejl. I så fald vil det resulterende diffraktionsmønster have en afrundet form.
På samme måde som ved støvdetektion kan vores AI også registrere forskellige typer diffraktionsmønstre på et meget tidligt stadie, ofte før det menneskelige øje kan genkende dem. Systemet giver en klar indikation af, at noget er galt med laseren. I dette tilfælde vil Huaris Cloud også anbefale vedligeholdelseshandlinger, for eksempel kontrol af strålejusteringen.
Et eksempel på en diffrakteret stråle er vist på billedet nedenfor. I dette tilfælde er der tale om lineær diffraktion på en Gaussisk stråle, som præsenteres i Huaris’ lokale profileringssoftware.
Det er værd at bemærke, at disse artefakter ikke nødvendigvis forekommer i alle målinger, og at et veldesignet og kalibreret system kan reducere disse artefakter betydeligt.
Nyttige Huaris-links
Huaris-systemet er et fremragende eksempel på de nyeste resultater inden for laserstråleprofilering ved hjælp af kunstig intelligens. Se vores produkter og software:
Recent posts about laser beam profiler
