Profilo del fascio laser – che cos’è?
Il laser beam profiling è uno strumento essenziale per la misurazione e l’analisi delle proprietà dei fasci laser. In questo articolo esploreremo il concetto di laser beam profiling e spiegheremo l’importanza di comprendere le caratteristiche dei fasci laser. Discuteremo i vari metodi utilizzati per misurare e analizzare i fasci laser, inclusi l’uso di telecamere, sensori e software, illustrando i vantaggi e i limiti di ciascun approccio. Inoltre, esamineremo le diverse applicazioni del laser beam profiling, dalla progettazione e produzione di sistemi laser fino alla ricerca scientifica e alle applicazioni mediche. Che tu sia nuovo nel mondo dei laser o un professionista esperto, comprendere il laser beam profiling è fondamentale per ottenere prestazioni laser ottimali e sfruttare appieno il potenziale della tecnologia laser.
Che cos’è un profilo del fascio laser?
Un profilo del fascio laser è una misurazione della distribuzione di intensità di un fascio laser in un determinato punto nello spazio. Il profilo può essere misurato utilizzando un dispositivo chiamato laser beam profiler, che rileva la luce del fascio e crea una sorta di mappa della distribuzione di intensità nello spazio. Il profilo di un fascio laser può avere forme diverse, come Gaussiana, Top-Hat, Lorentziana o simile a Bessel, a seconda delle caratteristiche del laser e delle ottiche utilizzate per modellare il fascio.
L’immagine sopra presenta un profilo ideale di fascio Gaussiano 2D, rappresentato a colori utilizzando la mappa cromatica mostrata nella parte destra dell’immagine.
Il profilo del fascio può inoltre variare con la distanza, ovvero lungo il percorso di propagazione del fascio; l’esempio più comune è la divergenza del fascio. Il profilo del fascio è importante per molte applicazioni laser, poiché determina la quantità di energia fornita a un bersaglio, la dimensione e la forma dello spot di messa a fuoco del laser, nonché l’intensità e l’uniformità della luce in una determinata posizione.
Utilizzo di telecamere CMOS e CCD per misurare il profilo del fascio
Sia le telecamere CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor) sia le telecamere CCD (charge-coupled device) possono essere utilizzate per misurare i profili dei fasci laser. Queste telecamere sono in grado di rilevare la luce del fascio laser e creare un’immagine della distribuzione di intensità, che può essere analizzata per determinare il profilo del fascio.
Sia le telecamere CMOS che quelle CCD funzionano convertendo la luce in cariche elettriche. In una telecamera CMOS, ogni pixel del sensore dispone di un proprio fotodiodo e amplificatore, che converte la luce in un segnale elettrico. I segnali provenienti da tutti i pixel vengono quindi letti ed elaborati per creare un’immagine. Le telecamere CMOS offrono diversi vantaggi, tra cui basso consumo energetico, elevata velocità di lettura e la possibilità di integrare altre funzioni, come l’elaborazione dell’immagine, sullo stesso chip.
Una telecamera CCD, invece, funziona accumulando le cariche generate dai fotoni incidenti su un semiconduttore e leggendo tali cariche trasferendole da un registro all’altro. Le telecamere CCD sono state tradizionalmente apprezzate per l’elevata qualità dell’immagine e il basso rumore, ma le moderne telecamere CMOS hanno ormai colmato questo divario.
Entrambi i tipi di telecamere possono essere utilizzati per misurare i profili dei fasci laser, ma presentano caratteristiche diverse che possono rendere una soluzione più adatta a una specifica applicazione. Ad esempio, le telecamere CCD sono note per l’eccellente sensibilità e il basso rumore, che le rendono ideali per applicazioni a bassa luminosità. Le telecamere CMOS, invece, sono note per l’elevata velocità di lettura e il basso consumo energetico, caratteristiche che le rendono adatte ad applicazioni ad alta velocità. Si ritiene inoltre che siano più resistenti ai danni causati da potenze laser troppo elevate.
In entrambi i casi, l’immagine acquisita dalla telecamera deve essere elaborata da un software in grado di analizzare l’immagine dello spot laser e determinare il profilo del fascio. Il metodo più comunemente utilizzato è l’adattamento Gaussiano (Gaussian fit) dell’intensità dell’immagine.
Un esempio dell’immagine della superficie di un array CMOS è mostrato nella figura sottostante. Questa immagine è stata acquisita utilizzando un SEM (Scanning Electron Microscope) per analizzare la geometria dei pixel. Ogni piccolo quadrato visibile nell’immagine è un vero rivelatore fotosensibile, ovvero un pixel.
La distribuzione di intensità 3D è un profilo del fascio laser
Il profilo di un fascio laser può riferirsi alla distribuzione di intensità bidimensionale (2D) del fascio laser, oppure alla distribuzione di intensità tridimensionale (3D).
La distribuzione di intensità 2D, nota anche come distribuzione di intensità trasversale, è una misurazione dell’intensità del fascio laser in un determinato punto nello spazio, ad esempio in un punto focale o su un bersaglio. Essa mostra come l’intensità del fascio laser varia attraverso la sezione trasversale del fascio.
La distribuzione di intensità 3D, invece, è una misurazione dell’intensità del fascio laser in più punti nello spazio e può fornire un quadro più completo delle caratteristiche del fascio. Descrive come l’intensità del fascio laser varia non solo sulla sezione trasversale, ma anche lungo l’asse di propagazione del fascio, tenendo conto della divergenza o del punto di fuoco.
Per misurare la distribuzione di intensità 3D, è possibile utilizzare una combinazione di metodi. Ad esempio, misurando l’intensità in più punti nello spazio spostando un sensore o il fascio in modo controllato, oppure utilizzando un sistema di imaging specializzato, come un sensore Shack-Hartmann o un sistema a fenditura di scansione. Questi metodi possono fornire una caratterizzazione più dettagliata e accurata del fascio laser, utile in applicazioni come la lavorazione laser dei materiali, dove la distribuzione di intensità 3D può influenzare la qualità del materiale lavorato.
La combinazione di queste immagini consente di tracciare le “caustiche” del fascio laser, rappresentate schematicamente nell’immagine sottostante.
Una tale curva (caustiche) consente, ad esempio, di stimare uno dei fattori di qualità del fascio: M².
Esempi di artefatti nel profilo del fascio laser
Esistono vari tipi di artefatti che possono essere presenti in un profilo del fascio laser, a seconda delle caratteristiche specifiche del laser e del sistema di misura utilizzato. Alcuni esempi di artefatti comuni includono:
RUMORE:
Si riferisce a qualsiasi variazione indesiderata dell’intensità del fascio laser, come quelle causate da fluttuazioni dell’alimentazione o da variazioni di temperatura. Il rumore può rendere difficile la misurazione accurata del profilo del fascio e può apparire come variazioni casuali nella distribuzione di intensità.
CLIPPING:
Si riferisce al fenomeno del taglio delle regioni ad alta intensità del fascio laser. Si verifica quando il sensore utilizzato per misurare il profilo del fascio va in saturazione, ovvero non è in grado di rilevare le regioni di massima intensità del fascio. Il clipping può portare a una sottostima della reale intensità di picco del fascio.
DIFFUSIONE (SCATTERING):
Si riferisce alla dispersione del fascio dovuta alla diffrazione o alla riflessione su superfici o materiali presenti lungo il percorso del fascio. La diffusione può causare una distorsione del fascio, con conseguente modifica del profilo del fascio.
PERDITA DIPENDENTE DALLA FREQUENZA SPAZIALE:
Può essere causata da componenti ottici non completamente ottimizzati per la lunghezza d’onda del laser e può portare a una distribuzione di intensità non uniforme.
DISALLINEAMENTO DEL FASCIO DI RIFERIMENTO:
Può verificarsi, ad esempio, nei sensori Shack-Hartmann. Il sensore utilizza una matrice di microlenti per campionare il fascio laser e confrontarlo con un fascio di riferimento. Se il fascio di riferimento non corrisponde alle caratteristiche del fascio laser misurato, possono verificarsi imprecisioni nel profilo del fascio misurato.
POLVERE:
Un problema molto comune nei sistemi laser è la polvere, che può depositarsi sugli elementi ottici. Questi piccoli granelli possono influenzare la qualità del fascio laser causando diffrazione; inoltre, se l’intensità del fascio aumenta, la particella di polvere può assorbire eccessivamente la radiazione e trasferire calore allo specchio, portando infine alla sua rottura.
È importante sottolineare che Huaris Laser Cloud, supportato dall’intelligenza artificiale, rileva automaticamente la presenza di polvere nel fascio già in una fase molto precoce, quando il rischio di danneggiamento dei componenti ottici è ancora basso. Il sistema avviserà l’utente del laser e consiglierà la pulizia degli elementi ottici prima che subiscano danni irreversibili.
DIFFRAZIONE:
Esistono vari tipi di diffrazione osservabili nei fasci laser, ad esempio lineare o circolare, a seconda della struttura incontrata dal fascio lungo il suo percorso di propagazione. Il fascio può inoltre incontrare bordi arrotondati, come il bordo di uno specchio; in tal caso, il pattern di diffrazione risultante avrà una forma arrotondata.
In modo simile al rilevamento della polvere, la nostra intelligenza artificiale è in grado di individuare automaticamente diversi tipi di pattern di diffrazione in una fase molto precoce, spesso prima ancora che l’occhio umano possa riconoscerli. Il sistema fornisce una chiara indicazione che qualcosa non sta funzionando correttamente nel laser. In questi casi, Huaris Cloud suggerirà anche azioni di manutenzione, ad esempio il controllo dell’allineamento del fascio.
Un esempio di fascio diffratto è mostrato nell’immagine sottostante. In questo caso si tratta di una diffrazione lineare su un fascio Gaussiano, presentata nell’applicazione software locale di profilazione Huaris.
È importante notare che questi artefatti potrebbero non comparire in tutte le misurazioni; inoltre, un sistema ben progettato e correttamente calibrato può ridurli in modo significativo.
Link utili Huaris
Il sistema Huaris è un eccellente esempio dei più recenti risultati nel campo della profilazione dei fasci laser con l’utilizzo dell’intelligenza artificiale. Scopri i nostri prodotti e software:
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