Wstęp
Kolimacja wiązki laserowej jest podstawowym aspektem wielu metod analitycznych, w których laser fali ciągłej (CW) jest często używany jako źródło wzbudzenia. Techniki takie jak fluorescencja, rozpraszanie Ramana, absorpcja i rozpraszanie Rayleigha wykorzystują lasery do przenoszenia energii do cząsteczek, indukując wzbudzenie lub ekstrakcję energii. Wybór typu lasera jest krytyczny, ponieważ wpływa na ogniskowanie i jednorodność intensywności wiązki. W przypadku wymagań dotyczących wysokiej rozdzielczości i jednorodnego oświetlenia niezbędne są określone typy laserów CW.
Rodzaje laserów CW do zastosowań analitycznych
Lasery CW różnią się typem i strukturą, dostosowaną do różnych zastosowań w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni (NIR). Dominują dwa główne typy: lasery diodowe i lasery Diode-Pumped Solid-State (DPSS). Lasery diodowe są bardziej kompaktowe i ekonomiczne, podczas gdy lasery DPSS często zapewniają wyższą jakość wiązki. Każdy typ można skonfigurować w różnych modułach, takich jak wolna przestrzeń, światłowód jednomodowy (SMF), światłowód wielomodowy (MMF) i światłowód utrzymujący polaryzację (PMF). Poniższa tabela porównuje cechy technik kolimacji dla laserów diodowych i DPSS.
Tryby przestrzenne lasera CW
Lasery CW działają w trybie Single-Spatial-Mode (SM) lub Multiple Spatial Mode (MM), które są również nazywane „transversal” lub „beam modes”. Tryby te wpływają na profil wiązki i są kluczowe w określaniu ogniskowalności i jakości wiązki. Lasery są często wybierane na podstawie zamierzonego zastosowania, ponieważ lasery SM zazwyczaj zapewniają lepszą jakość wiązki i ogniskowalność, podczas gdy lasery MM oferują wyższą moc wyjściową.
Metody kolimacji wiązki laserowej
Kolimacja wiązki polega na dostosowaniu wyjścia lasera w celu zminimalizowania rozbieżności. Jest to szczególnie ważne w mikroskopii i spektroskopii, gdzie rozbieżność musi być mniejsza niż 2 mrad. Na przykład lasery diodowe o krótkiej wnęce wytwarzają bardzo rozbieżne wiązki, które wymagają kolimacji. Najprostsze podejście wykorzystuje pojedynczą soczewkę asferyczną w celu zmniejszenia rozbieżności; jednak bardziej złożone konfiguracje, takie jak systemy dwusoczewkowe, znane również jako teleskopy, są często stosowane w celu uzyskania większej precyzji i kontroli nad rozmiarem wiązki.
Najprostszą metodą kolimacji wiązki laserowej jest użycie pojedynczej soczewki asferycznej. Ogniskowa soczewki bezpośrednio wpływa na średnicę wiązki po kolimacji, przy czym dłuższe ogniskowe powodują większe średnice wiązki. Ta metoda jest szeroko stosowana ze względu na swoją prostotę, chociaż może wprowadzać aberracje, jeśli nie jest prawidłowo wyrównana.
Systemy dwusoczewkowe
System dwusoczewkowy, czyli teleskop, wykorzystuje jedną soczewkę ujemną i jedną dodatnią do kolimacji i rozszerzania lub kurczenia wiązki. Ta konfiguracja jest preferowana w zastosowaniach wymagających precyzyjnej kontroli nad promieniem wiązki i jest szczególnie przydatna do poprawy jakości wiązki i redukcji astygmatyzmu w wiązkach laserów diodowych.
Jakość i pomiar wiązki
Jakość wiązki laserowej jest często oceniana przy użyciu współczynnika jakości wiązki, M², który mierzy, jak blisko wiązka przybliża profil Gaussa. Wartość M² równa 1 oznacza idealną wiązkę Gaussa, podczas gdy wyższe wartości oznaczają odchylenia. Lasery DPSS o niskiej mocy zazwyczaj wykazują wysoką jakość wiązki przy niskich współczynnikach M², podczas gdy lasery DPSS o dużej mocy i lasery diodowe mają tendencję do gorszej jakości wiązki ze względu na efekty termiczne.
Okrągłość eliptycznych wiązek laserowych
Lasery diodowe zazwyczaj emitują wiązki o przekroju eliptycznym, co wymaga dodatkowych kroków w celu kołowego ukształtowania wiązki w przypadku niektórych zastosowań. Jedno podejście wykorzystuje dwie ortogonalne soczewki cylindryczne w celu rozwiązania problemu rozbieżności wzdłuż różnych osi, co skutkuje bardziej kołowym profilem wiązki. Inna technika obejmuje pryzmaty anamorficzne, które dostosowują kształt wiązki poprzez rozszerzanie lub ściskanie jednej osi. Każda metoda ma swoje mocne strony i ograniczenia, jak pokazano w tabeli.
Stabilność wskazywania i jednorodność profilu belki
Stabilność ukierunkowania wiązki jest niezbędna w przypadku zastosowań wymagających wysokiej precyzji. Czynniki takie jak drgania mechaniczne i rozszerzalność cieplna komponentów mogą powodować wahania wiązki. Staranne ustawienie elementów optycznych i kontrola temperatury podgrzewanych komponentów są kluczowe dla zminimalizowania niestabilności ukierunkowania.
Mimo że czasami wykazują słaby profil wiązki w polu bliskim, lasery diodowe mogą osiągnąć dobrą ogniskowalność na większych odległościach. Dzięki rygorystycznym testom wykazano, że wiązki laserowe poprawiają jednorodność i stają się bardziej okrągłe w pobliżu punktu ogniskowego, co wspiera ich wykorzystanie w zastosowaniach wymagających wysokiej ogniskowalności.
Ostatnie myśli
Techniki kolimacji laserowej różnią się znacznie w zależności od rodzaju lasera i wymagań aplikacji. Lasery diodowe stanowią ekonomiczne rozwiązanie dla wielu zastosowań, ale mogą wymagać dodatkowych komponentów dla optymalnej jakości wiązki. Lasery DPSS, choć droższe, oferują lepszą jakość wiązki i możliwość ogniskowania. Integrated Optics zapewnia szereg opcji kolimacji, z rozwiązaniami sprzężonymi światłowodowo dla aplikacji o dużym zapotrzebowaniu. Ostatecznie wybór między laserami diodowymi a laserami DPSS powinien uwzględniać takie czynniki, jak jakość wiązki, możliwość ogniskowania i ograniczenia budżetowe.
