Figura 1: Distribución de intensidad de vigas gaussianas medidas experimentalmente (izquierda) y vigas de sombrero de copa (derecha).
La mayoría de los haces láser tienen distribuciones de intensidad gaussiana; Sin embargo, en algunas aplicaciones, puede ser más beneficioso usar vigas no gaussianas. Un haz gaussiano tiene una sección transversal de distribución de intensidad que disminuye simétricamente al aumentar la distancia desde el centro. En contraste, un haz de sombrero de copa mantiene una distribución de intensidad constante en la sección transversal, lo que permite una intensidad de irradiación constante en el objetivo durante el procesamiento (ver Figura 1). Como resultado, se pueden lograr resultados más precisos y predecibles en aplicaciones como el procesamiento de obleas de semiconductores, otros materiales y conversión de frecuencia no lineal para láseres de alta potencia.
Las vigas de sombrero de copa producen cortes más limpios y bordes más nítidos que las vigas gaussianas, pero la generación de vigas de sombrero de copa agrega costo y complejidad adicionales del sistema. Comprender los beneficios de las vigas del sombrero de copa y los diferentes métodos para generarlos puede ayudar a los integradores del sistema láser a seleccionar el tipo correcto de haz láser para su tipo de aplicación.
Características de los haces gaussianos
Los láseres gaussianos son más comunes y rentables que otros tipos de haz de fuentes láser. La mayoría de los láseres de alta calidad y modo único emiten un haz que sigue un perfil de irradiancia gaussiana de bajo orden, que también se conoce como el modo TEM 00. Las fuentes de calidad menor también tendrán algún grado de otros modos láser presentes, pero generalmente supone que el láser tiene un perfil gaussiano deseable para simplificar el modelado del sistema.
Si el haz gaussiano tiene la misma potencia óptica promedio que el haz de sombrero de copa, la irradiancia máxima del haz gaussiano será el doble que el haz de sombrero de copa. Como un haz gaussiano se propaga a través de un sistema óptico, mantiene una distribución del perfil de irradiancia gaussiana incluso si cambia la intensidad máxima o el tamaño del haz. Esto significa que el haz gaussiano permanece constante a medida que se propaga.
¿Cuáles son los problemas con las vigas gaussianas?
Las vigas gaussianas tienen sus inconvenientes. En las aplicaciones donde se usa la porción de alta intensidad del haz en el centro, la porción de baja intensidad del haz a cada lado (las llamadas "alas") a menudo se desperdicia, porque la intensidad del láser es más alta que el umbral requerido para la aplicación, ya sea procesamiento de material, cirugía láser u otras aplicaciones.
Además, las alas del haz gaussiano también pueden dañar las áreas más allá de la zona objetivo, ampliando así la zona afectada por el calor. Esto es perjudicial para aplicaciones como la cirugía láser y el procesamiento de materiales de precisión, donde se priorizan la alta precisión y las zonas mínimas afectadas por el calor. Como resultado, los materiales procesados con vigas gaussianas no tendrán bordes particularmente suaves, reduciendo así la precisión del sistema.
¿Por qué usar vigas de sombrero de copa?
En comparación con los haces gaussianos, los perfiles de haz de sombrero de copa no tienen secciones aladas y tienen transiciones de borde más pronunciadas, lo que resulta en una transferencia de intensidad más eficiente y una zona afectada por el calor más pequeña. [2] El grabado, la soldadura o el corte con un haz de sombrero de copa serán más precisos y menos dañinos para el área circundante.
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Esta gran ventaja de los vigas del sombrero de copa los hace adecuados para muchas situaciones diferentes. En las pruebas de umbral de daño inducido por láser (LIDT) y otros sistemas de metrología, la distribución de intensidad uniforme de los haces de sombrero de copa minimiza la incertidumbre de la medición y la varianza estadística. Los haces de sombrero de copa también son ventajosos en los sistemas de microscopía de fluorescencia, holografía e interferometría.
Una forma de evaluar si un haz láser real está cerca de un haz de sombrero de copa perfecto es analizar su factor de planitud (Fη), que se calcula dividiendo el valor de irradiancia promedio por el valor máximo de irradiancia del haz, como se describe en el estándar ISO 13694.
¿Cuáles son las desventajas de las vigas del sombrero de copa?
El haz de sombrero de copa no es adecuado para todas las aplicaciones. No es tan rentable como un haz gaussiano porque se requiere un componente de modelado adicional para dar forma al haz gaussiano en un haz de sombrero de copa. Este componente se puede construir directamente en la fuente del láser o usarse en un sistema fuera del láser. Estos componentes de conformación del haz dependen del tamaño del haz de entrada y son sensibles a la alineación del plano XY. Además, a diferencia de los haces gaussianos, los haces de sombrero de copa no permanecen constantes durante la propagación. Esto significa que un haz de sombrero de copa incidente no mantendrá la forma de su sombrero de copa a medida que viaja a través del sistema, y eventualmente evolucionará para parecerse a una distribución de manchas aireada.
¿Cómo se realiza un haz de sombrero de copa?
Si se desea un haz de sombrero de copa, pero el costo del sistema es muy limitado y el rendimiento no necesita ser muy alto, el haz gaussiano se puede truncar físicamente utilizando una pequeña apertura para crear un perfil de sombrero pseudo-top. Este método corta y desperdicia energía de ambas alas del haz gaussiano y ni siquiera supera la distribución de intensidad en el centro del haz. Este método puede ser útil si mantener un bajo costo es un factor importante.
Para los sistemas de alto rendimiento que requieren un uso eficiente de la energía láser, se pueden usar componentes de conformación del haz para dar forma al haz gaussiano en un haz a la cabeza. Existen varios tipos diferentes de componentes de modelado de haz, incluidos dispositivos refractivos, reflexivos, holográficos y difractivos. Los dispositivos de conformidad del haz de refracción usan lentes asféricas o de forma libre mapeadas de campo y otros componentes refractivos para modular la fase del haz (ver Figura 2). La ventaja es una distribución de intensidad uniforme y un frente de fase plana. La amplitud y la fase del haz incidente están modulados por elementos ópticos en un ensamblaje de lentes galileanos o keplerianos. Este proceso es típicamente altamente eficiente (superior al 96%) y una longitud de onda independiente en el rango de diseños de dispositivos. Los formas de haz de refracción producen vigas aisperadas colimadas que son particularmente adecuadas para aplicaciones que funcionan a largas distancias, como los sistemas de imágenes holográficas y microscopía.
Figura 2: Dar forma a un haz gaussiano en un haz de sombrero de copa utilizando el shaper de haz de combate adlóptico πhaper de Adloptics of Edmund Optics, basado en principios operativos como aberraciones en el frente de onda y condiciones de conservación de energía.
Otros tipos de formas de haz de refracción que dan forma al haz gaussiano en una mancha aireada cuasi-heterosexual. La ventaja de esto es que el lugar aireado, cuando se enfoca en un conjunto de lentes de difracción limitada, forma un punto de enfoque con un perfil de sombrero de copa. En muchas aplicaciones como micromachina, litografía y microondas, el punto de enfoque requiere un perfil de sombrero de copa.
Por otro lado, los formas de haz difractiva utilizan la difracción, en lugar de la refracción, para cambiar la distribución de intensidad del haz láser incidente. Las micro y nanoestructuras específicas se preparan en un sustrato utilizando un proceso de grabado para formar elementos difractivos. El efecto y el rango de longitud de onda del elemento difractivo generalmente dependen de la altura y el espacio de región de la estructura. Por lo tanto, los elementos ópticos difractivos deben usarse dentro del rango de longitud de onda diseñado para evitar errores de rendimiento.
Los formas de haz difractiva son más sensibles al ángulo de divergencia, la alineación y la posición del haz que los formas de haz de refracción. Sin embargo, los formas de haz difractiva tienen una ventaja particular en los sistemas láser con restricciones espaciales, ya que generalmente consisten en un solo elemento difractivo en lugar de múltiples lentes refractivas, y pueden formar vigas de sombrero de copa y puntos aireados.
Los integradores de haz láser, o homogenizadores, son otro tipo de componente de modelado de haz. Consisten en una variedad de lentes pequeñas que separan la luz incidente en vigas más pequeñas. Una lente de enfoque luego superpone las vigas más pequeñas en el plano objetivo. El haz de salida final es la suma de los patrones de difracción producidos por cada lente pequeña en la matriz. Pueden dar forma al incidente del haz gaussiano en un perfil de sombrero de copa uniforme. Sin embargo, estos sistemas a menudo encuentran fluctuaciones de irradiancia aleatoria, lo que resulta en un perfil de haz de salida que no es uniforme de intensidad perfectamente. La Tabla 1 compara varios formas de haz.
Las vigas de sombrero de copa son adecuadas para una variedad de sistemas láser donde la precisión y la eficiencia son más importantes que el costo. Con refractivos, difractivos y otros tipos de formas de haz actualmente en el mercado, los integradores del sistema láser tienen una variedad de opciones al seleccionar un shaper de haz.
