Perfil del haz láser: ¿qué es?
El perfilado del haz láser es una herramienta esencial para medir y analizar las propiedades de los haces láser. En este artículo exploraremos el concepto de perfilado del haz láser y explicaremos la importancia de comprender las características de los haces láser. Analizaremos los distintos métodos utilizados para medir y analizar haces láser, incluido el uso de cámaras, sensores y software, y explicaremos las ventajas y limitaciones de cada enfoque. Además, revisaremos las diferentes aplicaciones del perfilado del haz láser, desde el diseño y la fabricación de sistemas láser hasta la investigación científica y las aplicaciones médicas. Tanto si eres nuevo en el mundo de los láseres como si eres un profesional experimentado, comprender el perfilado del haz láser es fundamental para lograr un rendimiento láser óptimo y aprovechar todo el potencial de la tecnología láser.
¿Qué es un perfil del haz láser?
Un perfil del haz láser es una medición de la distribución de intensidad de un haz láser en un punto específico del espacio. El perfil puede medirse utilizando un dispositivo denominado perfilómetro de haz láser, que detecta la luz del haz y crea una especie de mapa de la distribución de intensidad en el espacio. El perfil de un haz láser puede adoptar diferentes formas, como gaussiana, Top-Hat, Lorentziana o similar a Bessel, dependiendo de las características del láser y de la óptica utilizada para dar forma al haz.
La imagen superior presenta un perfil ideal de haz gaussiano 2D en color, utilizando un mapa de colores que se muestra en la parte derecha de la imagen.
El perfil del haz también puede cambiar con la distancia, o a lo largo de la trayectoria de propagación del haz; el ejemplo más común es la divergencia del haz. El perfil del haz es importante para muchas aplicaciones láser, ya que determina la cantidad de energía entregada a un objetivo, el tamaño y la forma del punto focal del láser, así como la intensidad y uniformidad de la luz en una ubicación determinada.
Uso de cámaras CMOS y CCD para medir el perfil del haz
Tanto las cámaras CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) como las CCD (charge-coupled device) pueden utilizarse para medir perfiles de haz láser. Estas cámaras son capaces de detectar la luz del haz láser y crear una imagen de la distribución de intensidad, que puede analizarse para determinar el perfil del haz.
Tanto las cámaras CMOS como las CCD funcionan convirtiendo la luz en cargas eléctricas. En una cámara CMOS, cada píxel del sensor dispone de su propio fotodetector y amplificador, que convierten la luz en una señal eléctrica. Las señales de todos los píxeles se leen y procesan para crear una imagen. Las cámaras CMOS presentan varias ventajas, como bajo consumo de energía, alta velocidad de lectura y la posibilidad de integrar otras funciones, como el procesamiento de imágenes, en el mismo chip.
Una cámara CCD, por otro lado, funciona acumulando las cargas generadas por los fotones entrantes en un semiconductor y leyéndolas mediante su desplazamiento de un registro a otro. Tradicionalmente, las cámaras CCD han sido conocidas por su alta calidad de imagen y bajo ruido, aunque las cámaras CMOS modernas han reducido considerablemente esta diferencia.
Ambos tipos de cámaras pueden utilizarse para medir perfiles de haz láser, pero presentan características diferentes que pueden hacer que una sea más adecuada que la otra para una aplicación específica. Por ejemplo, las cámaras CCD son conocidas por su excelente sensibilidad y bajo ruido, lo que las hace idóneas para aplicaciones con poca luz. Las cámaras CMOS, en cambio, destacan por sus altas velocidades de lectura y bajo consumo de energía, lo que las hace adecuadas para aplicaciones de alta velocidad. También se considera que son más resistentes a daños provocados por potencias láser demasiado elevadas.
En cualquier caso, la imagen capturada por la cámara debe ser procesada por un software que pueda analizar la imagen del punto láser y determinar el perfil del haz. El método más comúnmente utilizado es el ajuste gaussiano de la intensidad de la imagen.
Un ejemplo de la imagen de la superficie de una matriz CMOS se muestra en la imagen inferior. Esta imagen fue adquirida mediante SEM (microscopio electrónico de barrido) para investigar la geometría de los píxeles. Cada pequeño cuadrado que aparece en la imagen es un detector real sensible a la luz, es decir, un píxel.
La distribución de intensidad 3D es un perfil del haz láser
Un perfil del haz láser puede referirse a la distribución de intensidad bidimensional (2D) de un haz láser o a la distribución de intensidad tridimensional (3D).
La distribución de intensidad 2D, también conocida como distribución de intensidad transversal, es una medición de la intensidad del haz láser en un punto concreto del espacio, como en un punto focal o en un objetivo. Muestra cómo varía la intensidad del haz láser a lo largo del área transversal del haz.
La distribución de intensidad 3D, por otro lado, es una medición de la intensidad del haz láser en múltiples puntos del espacio y puede proporcionar una imagen más completa de las características del haz. Describe cómo varía la intensidad del haz láser no solo a lo largo del área transversal, sino también a lo largo del eje del haz, teniendo en cuenta la divergencia del haz o el punto de enfoque.
Para medir la distribución de intensidad 3D puede utilizarse una combinación de métodos. Por ejemplo, midiendo la intensidad en múltiples puntos del espacio mediante el desplazamiento controlado de un sensor o del propio haz, o utilizando un sistema de imagen especializado, como un sensor Shack-Hartmann o un sistema de rendija de escaneo. Estos métodos pueden proporcionar una caracterización más detallada y precisa del haz láser, lo cual resulta útil en aplicaciones como el procesamiento de materiales con láser, donde la distribución de intensidad 3D puede afectar a la calidad del material procesado.
La combinación de estas imágenes permite trazar las “cáusticas” del haz láser, que se muestran de forma esquemática en la imagen inferior.
Este tipo de curva (cáusticas) permite, por ejemplo, estimar uno de los factores de calidad del haz: M².
Ejemplos de artefactos en el perfil del haz láser
Existen varios tipos de artefactos que pueden aparecer en un perfil del haz láser, dependiendo de las características específicas del láser y del sistema de medición utilizado. Algunos ejemplos de artefactos comunes incluyen:
RUIDO:
Se refiere a cualquier variación no deseada en la intensidad del haz láser, como las causadas por fluctuaciones en la fuente de alimentación o cambios de temperatura. El ruido puede dificultar la medición precisa del perfil del haz y puede manifestarse como variaciones aleatorias en la distribución de intensidad.
RECORTE (CLIPPING):
Se refiere al fenómeno de recortar las regiones de alta intensidad del haz láser. Ocurre cuando el sensor utilizado para medir el perfil del haz se satura, es decir, no puede detectar las regiones de mayor intensidad del haz. El recorte puede dar lugar a una subestimación de la verdadera intensidad máxima del haz.
DISPERSIÓN (SCATTERING):
Se refiere a la propagación del haz debido a la difracción o reflexión en superficies o materiales presentes en la trayectoria del haz. La dispersión puede provocar la distorsión del haz, dando lugar a un cambio en el perfil del haz.
PÉRDIDAS DEPENDIENTES DE LA FRECUENCIA ESPACIAL:
Pueden estar causadas por componentes ópticos que no están completamente optimizados para la longitud de onda del láser y pueden dar lugar a una distribución de intensidad no uniforme.
DESAJUSTE DEL HAZ DE REFERENCIA:
Puede producirse, por ejemplo, en un sensor Shack-Hartmann. El sensor utiliza una matriz de microlentes para muestrear el haz láser y compararlo con un haz de referencia. Si el haz de referencia no coincide con las características del haz láser que se está midiendo, pueden producirse imprecisiones en el perfil del haz medido.
POLVO:
Un problema muy común en los sistemas láser es el polvo. Puede aparecer en los elementos ópticos. Estas pequeñas partículas pueden afectar a la calidad del haz láser, provocando difracción sobre ellas, pero si la intensidad del haz aumenta, las partículas de polvo pueden absorber excesivamente la radiación y transferir el calor al espejo, lo que finalmente puede provocar su rotura.
Cabe destacar que Huaris Laser Cloud, respaldado por inteligencia artificial, detecta el polvo en el haz de forma totalmente automática en una fase muy temprana, cuando el riesgo de dañar los componentes ópticos es bajo. El sistema avisará al usuario del láser y recomendará la limpieza de los elementos ópticos antes de que se dañen de forma irreversible.
DIFRACCIÓN:
Existen varios tipos de difracción que pueden observarse en haces láser, por ejemplo, lineal o circular, dependiendo de la estructura que el haz láser haya encontrado en su trayectoria de propagación. El haz también puede encontrar bordes redondeados, como el borde de un espejo. En ese caso, el patrón de difracción resultante tendrá una forma redondeada.
De manera similar a la detección de polvo, nuestra IA también puede detectar diversos tipos de patrones de difracción en una fase muy temprana, a menudo incluso antes de que el ojo humano pueda reconocerlos, e indicará claramente que algo no funciona correctamente en el láser. En este caso, Huaris Cloud también recomendará acciones de mantenimiento, por ejemplo, la comprobación de la alineación del haz.
Un ejemplo de un haz difractado se muestra en la imagen inferior. En este caso, se trata de una difracción lineal sobre un haz gaussiano presentada en la aplicación local del software de perfilado de Huaris.
Cabe señalar que estos artefactos no tienen por qué aparecer en todas las mediciones; además, un sistema bien diseñado y calibrado puede reducirlos de manera considerable.
Enlaces útiles de Huaris
El sistema Huaris es un excelente ejemplo de los últimos avances en el perfilado del haz láser mediante el uso de inteligencia artificial. Consulta nuestros productos y software:
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