Invoering
Laserbundelcollimatie is een fundamenteel aspect in veel analytische methoden, waarbij een continue golf (CW) laser vaak wordt gebruikt als excitatiebron. Technieken zoals fluorescentie, Raman-verstrooiing, absorptie en Rayleigh-verstrooiing gebruiken lasers om energie over te brengen naar moleculen, waardoor excitatie of energie-extractie wordt geïnduceerd. De keuze van het lasertype is cruciaal, omdat het de focusbaarheid en uniformiteit van de intensiteit van de bundel beïnvloedt. Voor hoge resolutie en uniforme verlichtingsvereisten zijn specifieke typen CW-lasers essentieel.
Soorten CW-lasers voor analytische toepassingen
CW-lasers variëren in type en structuur, afgestemd op verschillende toepassingen in het zichtbare en nabij-infrarode (NIR) spectrum. Twee primaire typen domineren: diodelasers en Diode-Pumped Solid-State (DPSS) lasers. Diodelasers zijn compacter en zuiniger, terwijl DPSS-lasers vaak een hogere straalkwaliteit leveren. Elk type kan worden geconfigureerd in verschillende modules, zoals free-space, single-mode fiber (SMF), multi-mode fiber (MMF) en polarization-maintaining fiber (PMF). De onderstaande tabel vergelijkt de kenmerken van collimatietechnieken voor diode- en DPSS-lasers.
CW Laser Ruimtelijke Modi
CW-lasers werken in ofwel Single-Spatial-Mode (SM) of Multiple Spatial Modes (MM), die ook wel "transversale" of "beam modes" worden genoemd. Deze modes hebben invloed op het beamprofiel en zijn cruciaal voor het bepalen van de focusbaarheid en beamkwaliteit. Lasers worden vaak geselecteerd op basis van de beoogde toepassing, aangezien SM-lasers over het algemeen een betere beamkwaliteit en focusbaarheid bieden, terwijl MM-lasers een hoger vermogen leveren.
Methoden voor laserbundelcollimatie
Bundelcollimatie houdt in dat de laseruitvoer wordt aangepast om divergentie te minimaliseren. Dit is met name belangrijk in microscopie en spectroscopie, waar de divergentie onder de 2 mrad moet liggen. Kortholtediodelasers produceren bijvoorbeeld sterk divergente bundels die collimatie vereisen. De meest eenvoudige aanpak gebruikt een enkele asferische lens om divergentie te verminderen; complexere configuraties zoals systemen met twee lenzen, ook wel telescopen genoemd, worden echter vaak gebruikt om een grotere precisie en controle over de bundelgrootte te bereiken.
De eenvoudigste methode voor het collimeren van een laserstraal is het gebruik van een enkele asferische lens. De brandpuntsafstand van de lens beïnvloedt direct de straaldiameter na collimatie, waarbij langere brandpuntsafstanden grotere straaldiameters opleveren. Deze methode wordt veel gebruikt vanwege de eenvoud, hoewel het aberraties kan introduceren als het niet goed is uitgelijnd.
Twee-lens systemen
Een systeem met twee lenzen, of telescoop, gebruikt één negatieve en één positieve lens om de bundel te collimeren en uit te breiden of te verkleinen. Deze opstelling is favoriet in toepassingen die een nauwkeurige controle over de straalradius vereisen en is met name handig voor het verbeteren van de straalkwaliteit en het verminderen van astigmatisme in diodelaserstralen.
Balkkwaliteit en meting
De kwaliteit van een laserstraal wordt vaak geëvalueerd met behulp van de straalkwaliteitsfactor, M², die meet hoe dicht een straal een Gaussisch profiel benadert. Een M²-waarde van 1 geeft een ideale Gaussische straal aan, terwijl hogere waarden afwijkingen aangeven. DPSS-lasers met laag vermogen vertonen doorgaans een hoge straalkwaliteit met lage M²-factoren, terwijl DPSS-lasers met hoog vermogen en diodelasers doorgaans een slechtere straalkwaliteit hebben vanwege thermische effecten.
Circularisatie van elliptische laserstralen
Diodelasers zenden doorgaans stralen uit met een elliptische doorsnede, wat extra stappen vereist om de straal voor bepaalde toepassingen te circulariseren. Eén aanpak gebruikt twee orthogonale cilindrische lenzen om divergentie langs verschillende assen aan te pakken, wat resulteert in een meer cirkelvormig straalprofiel. Een andere techniek omvat anamorfe prisma's, die de straalvorm aanpassen door één as uit te breiden of samen te drukken. Elke methode heeft zijn sterke punten en beperkingen, zoals weergegeven in de tabel.
Stabiliteit van de richting en homogeniteit van het balkprofiel
Stabiliteit van de straalaanwijzing is essentieel voor toepassingen die een hoge precisie vereisen. Factoren zoals mechanische trillingen en thermische uitzetting van componenten kunnen straalfluctuaties veroorzaken. Zorgvuldige uitlijning van optische elementen en temperatuurregeling van verwarmde componenten zijn cruciaal voor het minimaliseren van de instabiliteit van de aanwijzing.
Ondanks dat ze soms een slecht straalprofiel vertonen in het nabije veld, kunnen diodelasers een goede focusbaarheid bereiken op langere afstanden. Door middel van strenge testen is aangetoond dat laserstralen in homogeniteit verbeteren en cirkelvormiger worden nabij het brandpunt, wat hun gebruik ondersteunt in toepassingen die een hoge focusbaarheid vereisen.
Laatste gedachten
Lasercollimatietechnieken variëren sterk, afhankelijk van het type laser en de vereisten van de toepassing. Diodelasers bieden een kosteneffectieve oplossing voor veel toepassingen, maar vereisen mogelijk extra componenten voor optimale straalkwaliteit. DPSS-lasers zijn duurder, maar bieden superieure straalkwaliteit en focusseerbaarheid. Integrated Optics biedt een scala aan collimatieopties, met fiber-coupled oplossingen voor veeleisende toepassingen. Uiteindelijk moet de keuze tussen diode- en DPSS-lasers rekening houden met factoren zoals straalkwaliteit, focusseerbaarheid en budgetbeperkingen.
