Introduktion
Laserstrålekollimation är en grundläggande aspekt i många analysmetoder, där en kontinuerlig våglaser (CW) ofta används som excitationskälla. Tekniker som fluorescens, Raman-spridning, absorption och Rayleigh-spridning använder laser för att överföra energi till molekyler, vilket inducerar excitation eller energiextraktion. Valet av lasertyp är avgörande, eftersom det påverkar fokuseringsförmågan och enhetligheten hos strålens intensitet. För krav på hög upplösning och enhetlig belysning är specifika typer av CW-lasrar nödvändiga.
Typer av CW-lasrar för analytiska tillämpningar
CW-lasrar varierar i typ och struktur, skräddarsydda för olika applikationer över det synliga och nära-infraröda (NIR) spektrumet. Två primära typer dominerar: diodlasrar och Diode-Pumped Solid-State (DPSS) lasrar. Diodlasrar är mer kompakta och ekonomiska, medan DPSS-lasrar ofta ger högre strålkvalitet. Varje typ kan konfigureras i olika moduler såsom fritt utrymme, singelmodsfiber (SMF), multimodefiber (MMF) och polarisationsbibehållande fiber (PMF). Tabellen nedan jämför funktionerna hos kollimeringstekniker för diod- och DPSS-lasrar.
CW Laser Spatial Modes
CW-lasrar fungerar i antingen Single-Spatial-Mode (SM) eller Multiple Spatial Modes (MM), som också kallas "transversal" eller "beam modes". Dessa lägen påverkar strålens profil och är avgörande för att bestämma fokusbarhet och strålkvalitet. Lasrar väljs ofta utifrån den avsedda applikationen, eftersom SM-lasrar generellt ger bättre strålkvalitet och fokuserbarhet, medan MM-lasrar erbjuder högre effekt.
Metoder för laserstrålekollimation
Strålkollimation innebär justering av laserutgången för att minimera divergensen. Detta är särskilt viktigt vid mikroskopi och spektroskopi, där divergensen måste vara under 2 mrad. Diodlasrar med kort kavitet producerar till exempel mycket divergerande strålar som kräver kollimering. Det mest enkla tillvägagångssättet använder en enda asfärisk lins för att minska divergensen; Men mer komplexa konfigurationer som tvålinssystem, även kända som teleskop, används ofta för att uppnå större precision och kontroll över strålstorleken.
Den enklaste metoden för att kollimera en laserstråle är att använda en enda asfärisk lins. Linsens brännvidd påverkar direkt stråldiametern efter kollimering, med längre brännvidder som ger större stråldiametrar. Denna metod används ofta på grund av sin enkelhet, även om den kan introducera aberrationer om den inte är korrekt justerad.
Tvålinssystem
Ett tvålinssystem, eller teleskop, använder en negativ och en positiv lins för att kollimera och expandera eller krympa strålen. Denna inställning är att föredra i tillämpningar som kräver fin kontroll över strålens radie och är särskilt användbar för att förbättra strålkvaliteten och minska astigmatism i diodlaserstrålar.
Strålkvalitet och mätning
Kvaliteten på en laserstråle utvärderas ofta med hjälp av strålkvalitetsfaktorn, M², som mäter hur nära en stråle närmar sig en Gaussisk profil. Ett M²-värde på 1 indikerar en idealisk Gaussstråle, medan högre värden betyder avvikelser. DPSS-lasrar med låg effekt uppvisar vanligtvis hög strålkvalitet med låga M²-faktorer, medan DPSS-lasrar med hög effekt och diodlasrar tenderar att ha sämre strålkvalitet på grund av termiska effekter.
Cirkularisering av elliptiska laserstrålar
Diodlasrar avger i allmänhet strålar med ett elliptiskt tvärsnitt, vilket kräver ytterligare steg för att cirkulera strålen för vissa tillämpningar. Ett tillvägagångssätt använder två ortogonala cylindriska linser för att adressera divergens längs olika axlar, vilket resulterar i en mer cirkulär strålprofil. En annan teknik involverar anamorfa prismor, som justerar strålformen genom att expandera eller komprimera en axel. Varje metod har sina styrkor och begränsningar, som visas i tabellen.
Pekstabilitet och balkprofilhomogenitet
Strålens pekstabilitet är avgörande för applikationer som kräver hög precision. Faktorer som mekaniska vibrationer och termisk expansion av komponenter kan orsaka strålfluktuationer. Noggrann inriktning av optiska element och temperaturkontroll av uppvärmda komponenter är avgörande för att minimera pekinstabiliteten.
Trots att de ibland uppvisar en dålig strålprofil i närområdet, kan diodlasrar uppnå god fokusbarhet på längre avstånd. Genom rigorösa tester har det visat sig att laserstrålar förbättras i homogenitet och blir mer cirkulära nära brännpunkten, vilket stödjer deras användning i applikationer som kräver hög fokuseringsförmåga.
Slutliga tankar
Laserkollimationstekniker varierar mycket beroende på typen av laser och applikationens krav. Diodlasrar ger en kostnadseffektiv lösning för många användningsområden men kan kräva ytterligare komponenter för optimal strålkvalitet. Även om DPSS-lasrar är dyrare erbjuder de överlägsen strålkvalitet och fokuseringsförmåga. Integrated Optics tillhandahåller en rad kollimeringsalternativ, med fiberkopplade lösningar för applikationer med hög efterfrågan. I slutändan bör valet mellan diod- och DPSS-lasrar beakta faktorer som strålkvalitet, fokusbarhet och budgetbegränsningar.
