Εισαγωγή
Η ευθυγράμμιση δέσμης λέιζερ είναι μια θεμελιώδης πτυχή σε πολλές αναλυτικές μεθόδους, όπου ένα λέιζερ συνεχούς κύματος (CW) χρησιμοποιείται συχνά ως πηγή διέγερσης. Τεχνικές όπως ο φθορισμός, η σκέδαση Raman, η απορρόφηση και η σκέδαση Rayleigh χρησιμοποιούν λέιζερ για τη μεταφορά ενέργειας στα μόρια, προκαλώντας διέγερση ή εξαγωγή ενέργειας. Η επιλογή του τύπου λέιζερ είναι κρίσιμη, καθώς επηρεάζει την εστίαση και την ομοιομορφία της έντασης της δέσμης. Για απαιτήσεις υψηλής ανάλυσης και ομοιόμορφου φωτισμού, είναι απαραίτητοι συγκεκριμένοι τύποι λέιζερ CW.
Τύποι CW Laser για Αναλυτικές Εφαρμογές
Τα λέιζερ CW ποικίλλουν ως προς τον τύπο και τη δομή, προσαρμοσμένα για διαφορετικές εφαρμογές στο φάσμα του ορατού και του εγγύς υπέρυθρου (NIR). Δύο κύριοι τύποι κυριαρχούν: τα λέιζερ διόδου και τα λέιζερ στερεάς κατάστασης με αντλία διόδου (DPSS). Τα λέιζερ διόδου είναι πιο συμπαγή και οικονομικά, ενώ τα λέιζερ DPSS συχνά παρέχουν υψηλότερη ποιότητα δέσμης. Κάθε τύπος μπορεί να διαμορφωθεί σε διάφορες μονάδες, όπως ίνα ελεύθερου χώρου, ίνα μονής λειτουργίας (SMF), ίνα πολλαπλών λειτουργιών (MMF) και ίνα διατήρησης πόλωσης (PMF). Ο παρακάτω πίνακας συγκρίνει τα χαρακτηριστικά των τεχνικών ευθυγράμμισης για λέιζερ διόδου και DPSS.
Χωρικοί τρόποι λειτουργίας λέιζερ CW
Τα λέιζερ CW λειτουργούν είτε σε Single-Spatial-Mode (SM) είτε σε Multiple Spatial Mode (MM), τα οποία αναφέρονται επίσης ως "εγκάρσιες" ή "beam modes". Αυτές οι λειτουργίες επηρεάζουν το προφίλ δέσμης και είναι κρίσιμες για τον προσδιορισμό της ικανότητας εστίασης και της ποιότητας της δέσμης. Τα λέιζερ επιλέγονται συχνά με βάση την προβλεπόμενη εφαρμογή, καθώς τα λέιζερ SM παρέχουν γενικά καλύτερη ποιότητα δέσμης και δυνατότητα εστίασης, ενώ τα λέιζερ MM προσφέρουν υψηλότερη απόδοση ισχύος.
Μέθοδοι για παραμόρφωση δέσμης λέιζερ
Η παραμόρφωση δέσμης περιλαμβάνει προσαρμογή της εξόδου λέιζερ για την ελαχιστοποίηση της απόκλισης. Αυτό είναι ιδιαίτερα σημαντικό στη μικροσκοπία και τη φασματοσκοπία, όπου η απόκλιση πρέπει να είναι κάτω από 2 mrad. Τα λέιζερ διόδου μικρής κοιλότητας, για παράδειγμα, παράγουν πολύ αποκλίνουσες δέσμες που απαιτούν ευθυγράμμιση. Η πιο απλή προσέγγιση χρησιμοποιεί έναν μόνο ασφαιρικό φακό για τη μείωση της απόκλισης. Ωστόσο, πιο περίπλοκες διαμορφώσεις όπως συστήματα δύο φακών, γνωστά και ως τηλεσκόπια, χρησιμοποιούνται συχνά για να επιτευχθεί μεγαλύτερη ακρίβεια και έλεγχος του μεγέθους της δέσμης.
Η απλούστερη μέθοδος για την ευθυγράμμιση μιας δέσμης λέιζερ είναι η χρήση ενός μόνο ασφαιρικού φακού. Η εστιακή απόσταση του φακού επηρεάζει άμεσα τη διάμετρο της δέσμης μετά την παραμόρφωση, με μεγαλύτερες εστιακές αποστάσεις που παράγουν μεγαλύτερες διαμέτρους δέσμης. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιείται ευρέως λόγω της απλότητάς της, αν και μπορεί να εισάγει εκτροπές εάν δεν ευθυγραμμιστεί σωστά.
Συστήματα δύο φακών
Ένα σύστημα δύο φακών, ή τηλεσκόπιο, χρησιμοποιεί έναν αρνητικό και έναν θετικό φακό για να συγκεντρώνει και να διαστέλλει ή να συρρικνώνει τη δέσμη. Αυτή η ρύθμιση ευνοείται σε εφαρμογές που απαιτούν λεπτό έλεγχο της ακτίνας δέσμης και είναι ιδιαίτερα χρήσιμο για τη βελτίωση της ποιότητας της δέσμης και τη μείωση του αστιγματισμού στις ακτίνες λέιζερ διόδου.
Ποιότητα και μέτρηση δέσμης
Η ποιότητα μιας δέσμης λέιζερ συχνά αξιολογείται χρησιμοποιώντας τον παράγοντα ποιότητας δέσμης, M², ο οποίος μετρά πόσο κοντά μια δέσμη προσεγγίζει ένα προφίλ Gauss. Μια τιμή M² 1 υποδεικνύει μια ιδανική δέσμη Gauss, ενώ υψηλότερες τιμές δηλώνουν αποκλίσεις. Τα λέιζερ χαμηλής ισχύος DPSS συνήθως παρουσιάζουν υψηλή ποιότητα δέσμης με χαμηλούς συντελεστές M², ενώ τα λέιζερ υψηλής ισχύος DPSS και τα λέιζερ διόδου τείνουν να έχουν χαμηλότερη ποιότητα δέσμης λόγω θερμικών επιδράσεων.
Κυκλοφορία Ελλειπτικών Ακτίνων Λέιζερ
Τα λέιζερ διόδου εκπέμπουν γενικά δέσμες με ελλειπτική διατομή, που απαιτούν πρόσθετα βήματα για την κυκλοποίηση της δέσμης για ορισμένες εφαρμογές. Μια προσέγγιση χρησιμοποιεί δύο ορθογώνιους κυλινδρικούς φακούς για την αντιμετώπιση της απόκλισης κατά μήκος διαφορετικών αξόνων, με αποτέλεσμα ένα πιο κυκλικό προφίλ δέσμης. Μια άλλη τεχνική περιλαμβάνει αναμορφικά πρίσματα, τα οποία προσαρμόζουν το σχήμα της δέσμης με επέκταση ή συμπίεση ενός άξονα. Κάθε μέθοδος έχει τα πλεονεκτήματα και τους περιορισμούς της, όπως φαίνεται στον πίνακα.
Σταθερότητα κατάδειξης και ομοιογένεια προφίλ δοκού
Η σταθερότητα κατάδειξης δέσμης είναι απαραίτητη για εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ακρίβεια. Παράγοντες όπως οι μηχανικοί κραδασμοί και η θερμική διαστολή των εξαρτημάτων μπορεί να προκαλέσουν διακυμάνσεις της δέσμης. Η προσεκτική ευθυγράμμιση των οπτικών στοιχείων και ο έλεγχος της θερμοκρασίας των θερμαινόμενων εξαρτημάτων είναι ζωτικής σημασίας για την ελαχιστοποίηση της αστάθειας κατάδειξης.
Παρά το γεγονός ότι μερικές φορές παρουσιάζουν κακό προφίλ δέσμης στο κοντινό πεδίο, τα λέιζερ διόδου μπορούν να επιτύχουν καλή εστίαση σε μεγαλύτερες αποστάσεις. Μέσω αυστηρών δοκιμών, έχει αποδειχθεί ότι οι ακτίνες λέιζερ βελτιώνουν την ομοιογένεια και γίνονται πιο κυκλικές κοντά στο εστιακό σημείο, υποστηρίζοντας τη χρήση τους σε εφαρμογές που απαιτούν υψηλή ικανότητα εστίασης.
Τελικές Σκέψεις
Οι τεχνικές ευθυγράμμισης με λέιζερ ποικίλλουν σημαντικά ανάλογα με τον τύπο του λέιζερ και τις απαιτήσεις της εφαρμογής. Τα λέιζερ διόδου παρέχουν μια οικονομικά αποδοτική λύση για πολλές χρήσεις, αλλά μπορεί να απαιτούν πρόσθετα εξαρτήματα για βέλτιστη ποιότητα δέσμης. Τα λέιζερ DPSS, ενώ είναι πιο δαπανηρά, προσφέρουν ανώτερη ποιότητα δέσμης και δυνατότητα εστίασης. Το Integrated Optics παρέχει μια σειρά από επιλογές ευθυγράμμισης, με λύσεις συζευγμένες με ίνες για εφαρμογές υψηλής ζήτησης. Τελικά, η επιλογή μεταξύ λέιζερ διόδου και DPSS θα πρέπει να λαμβάνει υπόψη παράγοντες όπως η ποιότητα δέσμης, η δυνατότητα εστίασης και οι περιορισμοί του προϋπολογισμού.
