شکل 1: توزیع شدت پرتوهای گاوسی اندازه گیری شده تجربی (سمت چپ) و پرتوهای کلاه بالا (سمت راست).
بیشتر پرتوهای لیزر توزیع شدت گاوسی دارند. با این حال ، در برخی از برنامه ها ، ممکن است استفاده از پرتوهای غیر گاوسی مفیدتر باشد. یک پرتوی گاوسی دارای یک مقطع توزیع شدت است که با افزایش فاصله از مرکز ، به صورت متقارن کاهش می یابد. در مقابل ، یک پرتوی کلاه بالا توزیع شدت ثابت را در سطح مقطع حفظ می کند و باعث می شود شدت تابش مداوم بر روی هدف در طول پردازش باشد (شکل 1 را ببینید). در نتیجه ، می توان نتایج دقیق تر و قابل پیش بینی تری را در برنامه هایی مانند پردازش ویفر نیمه هادی ، پردازش سایر مواد و تبدیل فرکانس غیرخطی برای لیزرهای با قدرت بالا بدست آورد.
پرتوهای کلاه بالا برش های تمیزتر و لبه های واضح تری نسبت به پرتوهای گاوسی تولید می کنند ، اما تولید تیرهای کلاه بالا هزینه و پیچیدگی سیستم اضافی را اضافه می کند. درک مزایای پرتوهای HAT TOP و روش های مختلف تولید آنها می تواند به یکپارچه سازنده های سیستم لیزر کمک کند تا نوع مناسب پرتو لیزر را برای نوع کاربرد خود انتخاب کنند.
خصوصیات پرتوهای گاوسی
لیزرهای گاوسی نسبت به سایر انواع پرتوهای منابع لیزر شایع تر و مقرون به صرفه تر هستند. بیشتر لیزرهای با کیفیت بالا و تک حالته پرتویی را منتشر می کنند که از یک پروفایل تابش گاوسی با مرتبه پایین پیروی می کند ، که به عنوان حالت TEM {4}} نیز شناخته می شود. منابع با کیفیت کمتر نیز دارای برخی از سایر حالت های لیزر هستند ، اما معمولاً فرض می کنند که لیزر دارای مشخصات گاوسی مطلوب برای ساده سازی مدل سازی سیستم است.
اگر پرتوی گاوسی دارای همان قدرت نوری متوسط با پرتوی کلاه بالا باشد ، اوج تابش پرتوی گاوسی دو برابر پرتوی کلاه بالا خواهد بود. همانطور که یک پرتو گاوسی از طریق یک سیستم نوری پخش می شود ، حتی اگر شدت اوج یا اندازه پرتو تغییر کند ، توزیع پروفایل تابش گاوسی را حفظ می کند. این بدان معنی است که پرتوی گاوسی با انتشار ثابت است.
مشکلات تیرهای گاوسی چیست؟
تیرهای گاوسی اشکالاتی دارند. در برنامه هایی که از قسمت با شدت زیاد پرتو در مرکز استفاده می شود ، قسمت با شدت کم پرتو در هر دو طرف (به اصطلاح "بالهای") غالباً هدر می رود ، زیرا شدت لیزر بالاتر از آستانه مورد نیاز برای کاربرد است ، خواه پردازش مواد ، جراحی لیزر یا سایر برنامه ها باشد.
علاوه بر این ، بال های پرتوی گاوسی همچنین ممکن است به مناطقی فراتر از منطقه هدف آسیب برساند و از این طریق منطقه تحت تأثیر گرما را بزرگ می کند. این برای کاربردهایی مانند جراحی لیزر و پردازش دقیق مواد مضر است ، جایی که با دقت بالا و حداقل مناطق تحت تأثیر گرما در اولویت قرار می گیرند. در نتیجه ، مواد پردازش شده با پرتوهای گاوسی دارای لبه های خاص و صاف نخواهند بود ، بنابراین دقت سیستم را کاهش می دهد.
چرا از تیرهای کلاه بالا استفاده می کنیم؟
در مقایسه با پرتوهای گاوسی ، پروفایل های پرتو کلاه بالا دارای بخش بالدار نیستند و دارای انتقال لبه تندتر هستند و در نتیجه انتقال شدت کارآمدتر و یک منطقه تحت تأثیر گرمای کوچکتر قرار دارند. [2] اچینگ ، جوشکاری یا برش با پرتوی کلاه بالا برای محیط اطراف دقیق تر و کمتر مضر خواهد بود.
تصویر
این مزیت اصلی پرتوهای کلاه بالا باعث می شود که آنها برای بسیاری از موقعیت های مختلف مناسب باشند. در آزمایش آستانه آسیب ناشی از لیزر (LIDT) و سایر سیستم های اندازه گیری ، توزیع شدت یکنواخت پرتوهای HAT بالا باعث عدم اطمینان اندازه گیری و واریانس آماری می شود. پرتوهای HAT بالا در میکروسکوپ فلورسانس ، هولوگرافی و سیستم های تداخل سنجی نیز سودمند هستند.
یکی از راه های ارزیابی اینکه آیا یک پرتو لیزر واقعی نزدیک به یک پرتوی کلاه عالی است ، تجزیه و تحلیل فاکتور صافی آن (Fη) است که با تقسیم میانگین مقدار تابش با حداکثر مقدار تابش پرتو ، همانطور که در استاندارد ISO 13694 توضیح داده شده است.
مضرات پرتوهای کلاه بالا چیست؟
پرتوی کلاه بالا برای همه برنامه ها مناسب نیست. این به اندازه یک پرتو گاوسی مقرون به صرفه نیست زیرا برای شکل دادن پرتوی گاوسی به یک پرتوی کلاه بالا ، یک جزء شکل دهی پرتو اضافی لازم است. این مؤلفه می تواند مستقیماً در منبع لیزر ساخته شود یا در سیستم خارج از لیزر استفاده شود. این اجزای شکل دهنده پرتو به اندازه پرتو ورودی بستگی دارد و به تراز هواپیمای XY حساس هستند. علاوه بر این ، بر خلاف پرتوهای گاوسی ، پرتوهای کلاه بالا در حین تکثیر ثابت نیستند. این بدان معناست که یک پرتوی کلاه بالا حادثه شکل کلاه بالایی خود را در هنگام عبور از سیستم حفظ نمی کند و در نهایت تکامل می یابد تا شبیه به توزیع نقطه ای مطبوع باشد.
پرتو کلاه بالا چگونه تحقق می یابد؟
اگر یک پرتوی کلاه بالا مورد نظر باشد ، اما هزینه سیستم بسیار محدود است و نیازی به عملکرد بسیار زیاد نیست ، پرتوی گاوسی با استفاده از یک دیافراگم کوچک برای ایجاد یک پروفایل کلاه شبه بالا می تواند از نظر جسمی کوتاه شود. این روش انرژی را از هر دو بال پرتوی گاوسی کاهش می دهد و حتی توزیع شدت در مرکز پرتو را از بین نمی برد. این روش ممکن است مفید باشد اگر حفظ هزینه کم عامل اصلی باشد.
برای سیستم های با کارایی بالا که نیاز به استفاده کارآمد از انرژی لیزر دارند ، می توان از اجزای شکل دهی پرتو برای شکل دادن پرتوی گاوسی در یک پرتوی کلاه بالا استفاده کرد. چندین نوع مختلف از اجزای شکل دهنده پرتو وجود دارد ، از جمله دستگاه های انکسار ، بازتابنده ، هولوگرافی و پراکندگی. دستگاه های شکل دهی شکست از لنزهای آسفریکال یا فرم آزاد و سایر اجزای انکسار برای تعدیل فاز پرتو از لنزهای آسفریکال و یا سایر اجزای انکسار استفاده می کنند (شکل 2 را ببینید). مزیت توزیع شدت یکنواخت و یک جبهه فاز مسطح است. دامنه و فاز پرتو حادثه توسط عناصر نوری در مونتاژ لنزهای گالیله یا کپلری تعدیل می شود. این فرآیند به طور معمول بسیار کارآمد (بیشتر از 96 ٪) و طول موج مستقل از طیف وسیعی از طرح های دستگاه است. شکل دهنده های پرتوی انکسار پرتوهای دارای کلاهبرداری بالا و بالا را تولید می کنند که مخصوصاً برای برنامه هایی که در مسافت های طولانی کار می کنند ، مانند تصویربرداری هولوگرافی و سیستم های میکروسکوپی مناسب هستند.
شکل 2: شکل دادن یک پرتوی گاوسی به یک پرتوی کلاه بالا با استفاده از adloptica πshaper πshaper hat beam shaper از Adloptics of Edmund Optics ، بر اساس اصول عملیاتی مانند ناهنجاری های موج و شرایط حفاظت از انرژی.
انواع دیگر شکل دهنده های پرتوی انکسار که پرتو گاوسی را به یک نقطه هوای شبه مستقیم شکل می دهد. مزیت این امر این است که نقطه هوایی ، هنگامی که توسط یک مجموعه لنزهای پراش محدود متمرکز می شود ، یک نقطه تمرکز را با مشخصات کلاه بالا تشکیل می دهد. در بسیاری از برنامه های کاربردی مانند میکرومانگینگ ، لیتوگرافی و مایکروویلینگ ، نقطه تمرکز نیاز به مشخصات کلاه بالا دارد.
از طرف دیگر ، شکل های پرتو پراکنده از پراش ، به جای انکسار ، برای تغییر توزیع شدت پرتو لیزر حادثه استفاده می کنند. میکرو و نانوساختارهای خاص بر روی یک بستر با استفاده از یک فرآیند اچینگ برای تشکیل عناصر پراکنده تهیه می شوند. اثر و دامنه طول موج عنصر پراکندگی معمولاً به ارتفاع و فاصله منطقه سازه بستگی دارد. بنابراین ، برای جلوگیری از خطاهای عملکرد ، باید از عناصر نوری پراکنده در محدوده طول موج طراحی شده استفاده شود.
شکل دهنده های پرتو پراکنده نسبت به زاویه واگرایی ، تراز و موقعیت پرتو نسبت به شکل دهنده های پرتو انکسار حساس تر هستند. با این حال ، شکل دهنده های پرتو پراکنده در سیستم های لیزر با محدودیت فضا از مزیت خاصی برخوردار هستند ، زیرا معمولاً از یک عنصر پراکنده به جای لنزهای انکسار متعدد تشکیل می شوند و می توانند هم تیرهای کلاه بالا و هم لکه های هوایی را تشکیل دهند.
یکپارچه سازنده پرتو لیزر یا همگن سازنده نوع دیگری از مؤلفه شکل دهی پرتو است. آنها از مجموعه ای از لنزهای کوچک تشکیل شده اند که نور حادثه را در پرتوهای کوچکتر از هم جدا می کنند. یک لنز متمرکز سپس پرتوهای کوچکتر را بر روی صفحه هدف قرار می دهد. پرتو خروجی نهایی مجموع الگوهای پراش تولید شده توسط هر لنز کوچک در آرایه است. آنها می توانند پرتو گاوسی را به یک پروفایل کلاه بالا یکنواخت شکل دهند. با این حال ، این سیستم ها غالباً با نوسانات تابش تصادفی روبرو می شوند و در نتیجه مشخصات پرتو خروجی که کاملاً یکنواخت نیست. جدول 1 شکل دهنده های مختلف پرتو را مقایسه می کند.
پرتوهای کلاه بالا برای انواع سیستم های لیزر مناسب هستند که در آن دقت و کارآیی از هزینه مهمتر است. با انکسار ، پراکندگی و انواع دیگر شکل دهنده های پرتو که در حال حاضر در بازار هستند ، یکپارچه سازنده های سیستم لیزر هنگام انتخاب یک پرتوی پرتو گزینه های مختلفی دارند.
