Johdanto
Lasersäteen kollimointi on perustavanlaatuinen näkökohta monissa analyyttisissa menetelmissä, joissa jatkuvan aallon (CW) laseria käytetään usein virityslähteenä. Tekniikat, kuten fluoresenssi, Raman-sironta, absorptio ja Rayleigh-sironta, käyttävät lasereita siirtämään energiaa molekyyleihin, mikä saa aikaan virityksen tai energian poiston. Lasertyypin valinta on kriittinen, sillä se vaikuttaa säteen tarkennettavuuden ja intensiteetin tasaisuuteen. Tietyntyyppiset CW-laserit ovat välttämättömiä korkearesoluutioisille ja tasaisille valaistusvaatimuksille.
CW-laserien tyypit analyyttisiin sovelluksiin
CW-laserit vaihtelevat tyypiltään ja rakenteeltaan, ja ne on räätälöity erilaisiin sovelluksiin näkyvän ja lähi-infrapunaspektrin (NIR) alueella. Kaksi ensisijaista tyyppiä hallitsevat: diodilaserit ja diodipumpatut solid-state (DPSS) -laserit. Diodilaserit ovat kompakteja ja taloudellisempia, kun taas DPSS-laserit tarjoavat usein korkeamman säteen laadun. Jokainen tyyppi voidaan konfiguroida eri moduuleiksi, kuten vapaa tila, yksimuotokuitu (SMF), monimuotokuitu (MMF) ja polarisaatiota ylläpitävä kuitu (PMF). Alla olevassa taulukossa verrataan diodi- ja DPSS-laserien kollimaatiotekniikoiden ominaisuuksia.
CW Laser Spatial Modes
CW-laserit toimivat joko Single-Spatial-Mode (SM) tai Multiple Spatial Modes (MM) -tilassa, joita kutsutaan myös "transversaaliseksi" tai "sädemoodiksi". Nämä tilat vaikuttavat säteen profiiliin ja ovat kriittisiä fokusoitavuuden ja säteen laadun määrittämisessä. Laserit valitaan usein käyttötarkoituksen perusteella, sillä SM-laserit tarjoavat yleensä paremman säteen laadun ja tarkentavuuden, kun taas MM-laserit tarjoavat suuremman tehon.
Lasersädekollimaatiomenetelmät
Säteen kollimaatioon kuuluu lasertehon säätäminen poikkeaman minimoimiseksi. Tämä on erityisen tärkeää mikroskopiassa ja spektroskopiassa, joissa eron on oltava alle 2 mrad. Esimerkiksi lyhytonteloiset diodilaserit tuottavat erittäin hajoavia säteitä, jotka vaativat kollimaatiota. Yksinkertaisin lähestymistapa käyttää yhtä asfääristä linssiä erojen vähentämiseksi; Kuitenkin monimutkaisempia kokoonpanoja, kuten kaksilinssisiä järjestelmiä, jotka tunnetaan myös kaukoputkina, käytetään usein suuremman tarkkuuden ja säteen koon hallinnan saavuttamiseksi.
Yksinkertaisin menetelmä lasersäteen kollimoimiseksi on käyttää yhtä asfääristä linssiä. Linssin polttoväli vaikuttaa suoraan säteen halkaisijaan kollimoinnin jälkeen, ja pidemmät polttovälit tuottavat suurempia säteen halkaisijoita. Tätä menetelmää käytetään laajalti sen yksinkertaisuuden vuoksi, vaikka se voi aiheuttaa poikkeamia, jos sitä ei ole kohdistettu oikein.
Kahden linssin järjestelmät
Kahden linssin järjestelmä tai kaukoputki käyttää yhtä negatiivista ja yhtä positiivista linssiä kollimoimaan ja laajentamaan tai kutistamaan säteen. Tätä asetusta suositaan sovelluksissa, jotka vaativat säteen säteen hienosäätöä, ja se on erityisen hyödyllinen parantamaan säteen laatua ja vähentämään hajataitteisuutta diodilasersäteissä.
Palkin laatu ja mittaus
Lasersäteen laatua arvioidaan usein säteen laatutekijällä M², joka mittaa kuinka lähelle säde vastaa Gaussin profiilia. M²-arvo 1 tarkoittaa ihanteellista Gaussin sädettä, kun taas korkeammat arvot tarkoittavat poikkeamia. Pienitehoiset DPSS-laserit osoittavat tyypillisesti korkeaa säteen laatua pienillä M²-kertoimilla, kun taas suuritehoisten DPSS-laserien ja diodilaserien säteen laatu on yleensä huonompi lämpövaikutusten vuoksi.
Elliptisten lasersäteiden kiertokulku
Diodilaserit lähettävät yleensä säteitä, joiden poikkileikkaus on elliptinen, mikä vaatii lisävaiheita säteen pyörittämiseksi tietyissä sovelluksissa. Yhdessä lähestymistavassa käytetään kahta ortogonaalista sylinterimäistä linssiä eri akseleiden poikkeamien korjaamiseksi, mikä johtaa pyöreämpään säteen profiiliin. Toinen tekniikka sisältää anamorfisia prismoja, jotka säätävät säteen muotoa laajentamalla tai puristamalla yhtä akselia. Jokaisella menetelmällä on vahvuutensa ja rajoituksensa, kuten taulukosta näkyy.
Osoitusvakaus ja säteen profiilin homogeenisuus
Säteen osoittamisen vakaus on välttämätöntä sovelluksissa, jotka vaativat suurta tarkkuutta. Sellaiset tekijät kuin mekaaninen tärinä ja komponenttien lämpölaajeneminen voivat aiheuttaa säteen heilahteluja. Optisten elementtien huolellinen kohdistus ja lämmitettyjen komponenttien lämpötilan säätö ovat ratkaisevan tärkeitä osoittimen epävakauden minimoimiseksi.
Vaikka diodilaserit osoittavat joskus huonon säteen profiilin lähikentässä, ne voivat saavuttaa hyvän tarkentavuuden pitemmillä etäisyyksillä. Tiukan testauksen avulla on osoitettu, että lasersäteet parantavat homogeenisuutta ja muuttuvat pyöreämmiksi lähellä polttopistettä, mikä tukee niiden käyttöä sovelluksissa, jotka vaativat korkeaa tarkennusta.
Viimeisiä ajatuksia
Laserkollimaatiotekniikat vaihtelevat suuresti riippuen laserin tyypistä ja sovelluksen vaatimuksista. Diodilaserit tarjoavat kustannustehokkaan ratkaisun moniin käyttötarkoituksiin, mutta ne saattavat vaatia lisäkomponentteja optimaalisen säteen laadun saavuttamiseksi. Vaikka DPSS-laserit ovat kalliimpia, ne tarjoavat erinomaisen säteen laadun ja tarkentavuuden. Integrated Optics tarjoaa joukon kollimaatiovaihtoehtoja ja kuitukytkettyjä ratkaisuja vaativiin sovelluksiin. Viime kädessä diodi- ja DPSS-laserien välillä valittaessa tulee ottaa huomioon sellaisia tekijöitä kuin säteen laatu, tarkennettavuus ja budjettirajoitukset.
