¿Por qué usar un rayo láser de sombrero de copa/parte superior plana?

La mayoría de los rayos láser son gaussianos, pero en algunos casos puede ser beneficioso tener un perfil de irradiación no gaussiano. La distribución simétrica de la irradiancia de un haz gaussiano disminuye a medida que aumenta la distancia desde el centro de la sección transversal del haz láser. Los haces flat-top o top-hat tienen una distribución de irradiancia constante a lo largo de la sección transversal del haz láser (Figura 1). Algunas aplicaciones que se benefician de una intensidad constante en un área determinada incluyen el procesamiento de obleas de semiconductores, la conversión de frecuencia no lineal a niveles de alta potencia y el procesamiento de materiales. Los haces de parte superior plana generalmente producen resultados más precisos y predecibles, como cortes más nítidos y bordes más afilados, que los haces gaussianos, pero vienen con una complejidad y un costo adicional del sistema.

Figura 1: Los haces gaussianos desperdician energía a través de energía superflua superior al umbral requerido para la aplicación y energía inferior al umbral en las partes exteriores del haz gaussiano. Las vigas top hat/flat top son más eficientes porque superan el umbral y minimizan el desperdicio de energía.

 

 

Haces gaussianos
Los láseres monomodo de alta calidad producen una distribución de irradiancia gaussiana de bajo orden, el modo TEM00. Un rayo gaussiano con la misma potencia óptica promedio que un rayo láser de sombrero de copa/parte superior plana tiene el doble de densidad de energía máxima que un rayo láser de sombrero de copa/parte plana (figura 2). El haz gaussiano permanece constante bajo transformación; por lo tanto, a medida que el haz se propaga a través del sistema, el perfil del haz permanece con una distribución gaussiana incluso si cambia el tamaño del haz. Esto se debe a que la transformada de Fourier de una función gaussiana es otra función gaussiana. La luz sufre una transformada de Fourier propagándose hasta el infinito o enfocándose a través de una lente perfecta. Para obtener más información sobre los modos láser, como el TEM00, visite nuestra nota de aplicación del modo de resonador láser.

Figura 2: Haces superiores planos y gaussianos con la misma potencia óptica, que muestran que la intensidad máxima del haz gaussiano es el doble que la del haz superior plano.

Los láseres gaussianos son más comunes y rentables que otros láseres, pero tienen varios inconvenientes, como sus "alas" o regiones de baja intensidad que se extienden desde el centro utilizable del haz. Si la intensidad de las alas de un haz gaussiano está por debajo del umbral requerido para la aplicación, generalmente se desperdicia energía (Figura 1). También provocan daños en el área circundante y amplían la zona afectada por el calor, lo que puede ser perjudicial para aplicaciones como la cirugía láser y el procesamiento de materiales de precisión. Cortar o dar forma a características finas con un haz gaussiano da como resultado una menor precisión que con un haz superior plano/sombrero de copa debido a la mayor zona afectada por el calor del haz, lo que hace que los haces superiores planos/sombrero de copa sean una mejor opción para tales aplicaciones.

 

 

Sombrero de copa/vigas superiores planas

Una forma de evaluar qué tan cerca está una viga real de una viga superior plana ideal es mediante el factor de planitud (F_η). Esto se determina dividiendo el valor de irradiancia promedio por el valor de irradiancia máxima como se describe.

 

Fη=Irradiancia media / Irradiación máxima

 

La ausencia de alas y transiciones de borde más pronunciadas en vigas top hat/flat permite una transferencia de energía más eficiente y una zona afectada por el calor reducida. Esto es beneficioso para una amplia gama de aplicaciones donde la alta precisión y la minimización del daño al área circundante es una prioridad. En aplicaciones de metrología, como las pruebas de umbral de daños inducidos por láser (LIDT), el perfil uniforme y bien definido de un haz superior plano/sombrero de copa reduce la incertidumbre de medición y la variación estadística.

 

Los haces de sombrero de copa/superior plano no son tan rentables como los haces gaussianos porque se requiere un componente de forma de haz adicional para convertir la salida del láser en un haz de sombrero de copa/superior plano (Figura 3). Este componente de conformación de haz puede incorporarse a la fuente de láser o colocarse fuera del láser. Estos conformadores de haz adicionales son sensibles a la alineación xy y dependen del diámetro del haz de entrada. El rayo láser top hat/flat top no permanece constante bajo transformación. Por lo tanto, el perfil del haz del haz de sombrero de copa/plano superior incidente no se conserva de forma natural a medida que el haz se propaga. La transformada de Fourier de la función top hat/flat top es una función de punto Airy, lo que significa que la viga top hat/flat finalmente se convertirá en un punto Airy.

Figura 3: Animación de un perfil de haz que se convierte entre una distribución gaussiana y una distribución de parte superior plana.

 

 

El uso de rayos láser high-hat/flat-hat ofrece una gama de beneficios para una variedad de aplicaciones industriales y científicas. Con su distribución de energía uniforme y su capacidad para reducir la lente térmica y el tamaño del punto, este tipo de haz puede ayudar a mejorar la precisión, la consistencia y la eficacia de muchos procesos láser diferentes.

 

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