Úvod
Kolimace laserového paprsku je základním aspektem mnoha analytických metod, kde se jako zdroj buzení často používá laser s kontinuální vlnou (CW). Techniky jako fluorescence, Ramanův rozptyl, absorpce a Rayleighův rozptyl využívají lasery k přenosu energie na molekuly, čímž dochází k excitaci nebo extrakci energie. Výběr typu laseru je kritický, protože ovlivňuje zaostřitelnost a rovnoměrnost intenzity paprsku. Pro požadavky na vysoké rozlišení a rovnoměrné osvětlení jsou zásadní specifické typy CW laserů.
Typy CW laserů pro analytické aplikace
CW lasery se liší typem a strukturou a jsou přizpůsobeny různým aplikacím ve viditelném a blízkém infračerveném (NIR) spektru. Dominují dva primární typy: diodové lasery a DPSS (diode-Pumped Solid-State) lasery. Diodové lasery jsou kompaktnější a ekonomičtější, zatímco lasery DPSS často poskytují vyšší kvalitu paprsku. Každý typ lze konfigurovat v různých modulech, jako je volné místo, jednovidové vlákno (SMF), vícevidové vlákno (MMF) a vlákno udržující polarizaci (PMF). Níže uvedená tabulka porovnává vlastnosti kolimačních technik pro diodové a DPSS lasery.
CW laserové prostorové režimy
CW lasery pracují buď v režimu Single-Spatial-Mode (SM) nebo v režimu Multiple Spatial Mode (MM), které jsou také označovány jako „transverzální“ nebo „režimy paprsku“. Tyto režimy ovlivňují profil paprsku a jsou rozhodující při určování zaostřitelnosti a kvality paprsku. Lasery jsou často vybírány na základě zamýšlené aplikace, protože lasery SM obecně poskytují lepší kvalitu paprsku a zaostřitelnost, zatímco lasery MM nabízejí vyšší výkon.
Metody kolimace laserového paprsku
Kolimace paprsku zahrnuje úpravu výstupu laseru tak, aby se minimalizovala divergence. To je zvláště důležité v mikroskopii a spektroskopii, kde divergence musí být pod 2 mrad. Diodové lasery s krátkou dutinou například produkují vysoce divergentní paprsky, které vyžadují kolimaci. Nejpřímější přístup používá jedinou asférickou čočku ke snížení divergence; k dosažení větší přesnosti a kontroly nad velikostí paprsku se však často používají složitější konfigurace, jako jsou systémy se dvěma čočkami, známé také jako teleskopy.
Nejjednodušší metodou pro kolimaci laserového paprsku je použití jediné asférické čočky. Ohnisková vzdálenost čočky přímo ovlivňuje průměr paprsku po kolimaci, přičemž delší ohniskové vzdálenosti produkují větší průměry paprsku. Tato metoda je široce používána kvůli své jednoduchosti, i když může způsobit aberace, pokud není správně zarovnána.
Systémy se dvěma čočkami
Dvoučočkový systém neboli dalekohled využívá jednu negativní a jednu pozitivní čočku ke kolimaci a rozšíření nebo zmenšení paprsku. Toto nastavení je upřednostňováno v aplikacích vyžadujících jemné ovládání poloměru paprsku a je zvláště užitečné pro zlepšení kvality paprsku a snížení astigmatismu v paprscích diodového laseru.
Kvalita a měření paprsku
Kvalita laserového paprsku se často hodnotí pomocí faktoru kvality paprsku M², který měří, jak blízko se paprsek blíží Gaussovu profilu. Hodnota M² 1 označuje ideální Gaussův paprsek, zatímco vyšší hodnoty znamenají odchylky. Lasery DPSS s nízkým výkonem obvykle vykazují vysokou kvalitu paprsku s nízkými faktory M², zatímco lasery DPSS s vysokým výkonem a diodové lasery mají tendenci mít horší kvalitu paprsku kvůli tepelným vlivům.
Cirkularizace eliptických laserových paprsků
Diodové lasery obecně emitují paprsky s eliptickým průřezem, což pro určité aplikace vyžaduje další kroky ke cirkulaci paprsku. Jeden přístup používá dvě ortogonální cylindrické čočky k řešení divergence podél různých os, což má za následek kruhovější profil paprsku. Další technika zahrnuje anamorfní hranoly, které upravují tvar paprsku roztažením nebo stlačením jedné osy. Každá metoda má své přednosti a omezení, jak ukazuje tabulka.
Stabilita nasměrování a homogenita profilu paprsku
Stabilita směrování paprsku je nezbytná pro aplikace vyžadující vysokou přesnost. Faktory, jako jsou mechanické vibrace a tepelná roztažnost součástí, mohou způsobit kolísání paprsku. Pečlivé vyrovnání optických prvků a regulace teploty zahřívaných součástí jsou klíčové pro minimalizaci nestability nasměrování.
Přestože někdy vykazují špatný profil paprsku v blízkém poli, diodové lasery mohou dosáhnout dobré zaostřitelnosti na delší vzdálenosti. Přísným testováním bylo prokázáno, že laserové paprsky se zlepšují v homogenitě a stávají se více kruhovými v blízkosti ohniska, což podporuje jejich použití v aplikacích vyžadujících vysokou zaostřitelnost.
Závěrečné myšlenky
Techniky laserové kolimace se značně liší v závislosti na typu laseru a požadavcích aplikace. Diodové lasery poskytují nákladově efektivní řešení pro mnoho použití, ale mohou vyžadovat další komponenty pro optimální kvalitu paprsku. Lasery DPSS, i když jsou dražší, nabízejí vynikající kvalitu paprsku a zaostřitelnost. Integrovaná optika poskytuje řadu možností kolimace s řešeními s vlákny pro aplikace s vysokou poptávkou. Nakonec by volba mezi diodovými a DPSS lasery měla vzít v úvahu faktory, jako je kvalita paprsku, zaostřitelnost a rozpočtová omezení.
