레이저 빔 프로파일러

레이저 빔 프로파일러는 빔 전파 경로를 가로지르는 특정 평면에서 레이저 빔의 공간 강도 프로파일을 캡처, 표시 및 기록한다. 레이저에는 자외선, 가시, 적외선, 연속파, 펄스, 고출력, 저전력 등 많은 종류가 있기 때문에 레이저 빔 프로필 측정을 위한 다양한 계측기가 있다. 모든 출력 수준, 펄스 지속 시간, 반복률, 파장 및 빔 크기를 처리할 수 있는 단일 레이저 빔 프로파일러는 없다.

개요

레이저 빔 프로파일링 기구는 다음과 같은 양을 측정한다.

• 보 폭: 빔 폭에 대한 정의는 5가지가 넘는다.
• 빔 품질: 빔 품질 파라미터 M으로² 정량화.
• 빔 발산: 이는 빔이 거리를 두고 퍼지는 척도다.
• 빔 프로파일: 빔 프로파일은 빔 경로를 따라 지정된 위치에 있는 빔의 2D 강도 그림이다. 가우스 또는 플랫탑 프로필을 원하는 경우가 많다. 빔 프로필은 빔의 핫 스팟뿐만 아니라 레이저 캐비티에서 고차 공간 모드를 방해한다는 것을 나타낸다.
• 빔 난시: 빔의 수직 및 수평 부분이 빔 경로를 따라 다른 위치에 집중될 때 빔은 난시적이다.
• 빔 방황 또는 지터: 빔 프로파일의 중심 또는 피크 값이 시간에 따라 이동하는 양.

위에 열거한 빔 특성을 얻기 위해 계측기와 기법이 개발되었다. 여기에는 다음이 포함된다.

• 카메라 기법: 여기에는 카메라 센서의 직접 조명이 포함된다. CCD 센서에 맞는 최대 스폿 크기는 10mm이다. 또는 레이저로 평평한 확산 표면을 조명하고 렌즈를 사용하여 CCD에 빛을 이미징하면 더 큰 지름의 빔을 프로파일링할 수 있다. 레이저를 확산 표면에서 멀리 보는 것은 큰 빔 폭에 우수하지만 조명 표면의 반사율(<1% 변동)이 균일한 확산 표면이 필요하다.
• 칼날 기술: 회전하는 블레이드나 슬릿은 전력계량기로 탐지하기 전에 레이저 빔을 절단한다. 전력계는 시간의 함수로서 강도를 측정한다. 통합 강도 프로파일을 여러 컷에서 취함으로써 단층촬영을 위해 개발된 알고리즘을 사용하여 원래 빔 프로파일을 재구성할 수 있다. 이는 일반적으로 펄스 레이저에는 적용되지 않으며, 진정한 2D 빔 프로필을 제공하지 않지만 분해능이 뛰어난 경우도 있다 <1μm.
• 위상-전면 기법: 빔은 섀크-하트만 파동전면 센서에 있는 2D의 작은 렌즈 배열을 통과한다. 각 렌즈는 빔의 일부를 리디렉션하며, 굴절된 빔의 위치에서 원래 빔의 위상을 재구성할 수 있다.
• 과거 기법: 이것들은 사진판과 화상판의 사용을 포함한다. 예를 들어, 고출력 이산화탄소 레이저를 아크릴산 블록에서 느린 화상을 관찰하여 프로파일링하였다.

2002년^[update] 현재 상용 칼날 측정 시스템은 $5000–$12,000 USD, CCD 빔 프로파일러는 $4000–9,000 USD이다.^[1] CCD 빔 프로파일러의 비용은 최근 몇 년 동안 하락했는데, 주로 실리콘 CCD 센서 비용이 낮아져서 2008년^[update] 현재 그것들은 1,000달러 미만으로 발견될 수 있다.

적용들

레이저 빔 프로파일링의 적용은 다음과 같다.

• 레이저 커팅: 타원형 빔 프로필을 가진 레이저의 한 방향은 다른 방향보다 더 넓은 커팅이 있다. 빔의 폭은 절단부 가장자리에 영향을 미친다. 빔 폭이 좁아지면 가공된 부분이 녹기 보다는 이온화되며 높은 유량을 산출한다. 이온화된 가장자리는 용해된 가장자리보다 깨끗하고 너울이 적다.
• 비선형 광학: 비선형 광학 재료의 주파수 변환 효율은 입력 광도의 사각형(때로는 정사각형 이상)에 비례한다. 따라서 효율적인 주파수 변환을 얻으려면 입력 빔 허리가 작고 비선형 재료 안에 위치해야 한다. 빔 프로파일러는 적당한 크기의 허리를 적당한 위치에 만들도록 도울 수 있다.
• 정렬: 보 프로파일러는 홍채보다 각 정확도가 큰 보의 순서로 정렬한다.
• 레이저 모니터링: 장시간 작동 후 빔 프로필이 변경되는지 여부를 확인하기 위해 레이저 출력을 모니터링해야 하는 경우가 많다. 특정 빔 모양을 유지하는 것은 적응형 광학, 비선형 광학 및 레이저 대 광섬유 전달에 매우 중요하다. 또한 펌프 다이오드 레이저 바의 방출체를 영상화하고 고장 난 방출체의 수를 세거나 레이저 앰프 체인을 따라 다양한 지점에 여러 개의 빔 프로파일러를 배치하여 레이저 상태를 측정할 수 있다.
• 레이저 및 레이저 앰프 개발: 맥박 증폭기의 열적 이완은 게인 결정의 시간적 공간적 변화를 유발하여 증폭된 빛의 빔 프로필을 효과적으로 왜곡시킨다. 증폭기의 출력에 배치된 빔 프로파일러는 결정의 과도 열 효과에 대한 풍부한 정보를 산출한다. 펌프 전류를 앰프로 조정하고 입력 전력 레벨을 튜닝함으로써 출력 빔 프로필을 실시간으로 최적화할 수 있다.
• 원거리 측정: 레이저 레이더나 장거리 자유 공간 광통신용 레이저의 빔 프로필, 이른바 '원거리'를 아는 것이 중요하다. 원거리 빔의 폭은 통신 수신기에 의해 수집되는 에너지의 양과 라다의 목표물에 발생하는 에너지의 양을 결정한다. 원거리 빔 프로파일을 직접 측정하는 것은 요구되는 긴 경로 길이 때문에 실험실에서 불가능한 경우가 많다. 반면에 렌즈는 빔을 변형시켜 원지가 초점 근처에 생기도록 한다. 렌즈의 초점 근처에 배치된 빔 프로파일러는 훨씬 적은 벤치탑 공간에서 원거리 빔 프로필을 측정한다.
• 교육: 빔 프로파일러는 학생 실험실에서 회절 이론을 검증하고 프라운호퍼 또는 프레스넬 회절 적분 근사치를 시험하는데 사용할 수 있다. 다른 학생 실험실 아이디어에는 불투명한 디스크의 포아송의 지점을 측정하고 투명한 디스크의 에어리 디스크 회절 패턴을 매핑하기 위해 빔 프로파일러를 사용하는 것이 포함된다.

측정

보폭

빔 폭은 레이저 빔 프로필의 가장 중요한 단일 특성이다. 최소 5개의 빔 폭 정의가 공통적으로 사용된다: D44, 10/90 또는 20/80 칼날, 1/e², FWHM, D86. D4σ 빔 폭은 ISO 표준 정의로 M² 빔 품질 파라미터의 측정은 D4σ 폭을 측정해야 한다.^[2][3][4] 다른 정의는 D4σ에 보완적인 정보를 제공하며 다른 환경에서 사용된다. 정의 선택은 획득한 빔 폭 수에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 주어진 적용에 대해 올바른 방법을 사용하는 것이 중요하다.^[5] D4σ 및 칼날 폭은 검출기의 배경 소음에 민감하지만 1/e² 및 FWHM 폭은 민감하지 않다. 빔 폭에 포함되는 총 빔 전력의 비율은 어떤 정의가 사용되는지에 따라 달라진다.

보 품질

보 품질 매개변수, M²

M² 매개변수는 빔 품질의 척도로, M 값이² 낮으면 빔 품질과 좁은 지점에 집중될 수 있는 능력을 나타낸다. 값 M은 동일한 D4σ 허리 폭을 가진 가우스 빔의 각도와 빔의 각도의 비율과 동일하다. 가우스 빔은 다른 어떤 빔 형태보다 더 느리게 분산되기 때문에 M 매개변수는² 항상 1보다 크거나 같다. 빔 품질에 대한 다른 정의는 과거에 사용되었지만, 두 번째 모멘트 폭을 사용하는 정의는 가장 일반적으로 받아들여진다.^[6]

빔 품질은 많은 용도에서 중요하다. 광섬유 통신 빔에서² M이 1에 가까운 광섬유 빔은 단일 모드 광섬유와 결합하기 위해 필요하다. 레이저 기계 가게는 레이저의 M 매개변수에² 대해 많은 관심을 기울인다. 왜냐하면 빔은 초점을 맞추기 전에 파장과 허리 폭이 같은 가우스 빔보다 M배⁴ 큰 영역에 집중하기 때문이다. 즉, 광도는 1/M로⁴ 스케일된다. 경험의 법칙은 레이저 파워가 증가함에 따라 M이² 증가한다는 것이다. 레이저 게인 매질 내 열렌즈링으로 인해 우수한 빔 품질과 높은 평균 전력(100W~kWs)을 얻기 어렵다.

M² 매개변수는 다음과 같이 실험적으로 결정된다.^[2]

1. 빔 허리에 가까운 5개의 축 위치(빔이 가장 좁은 위치)에서 D4㎛ 폭을 측정한다.
2. 최소 1개의 Rayley 길이에서 허리에서 5개의 축 위치에서 D4㎛ 폭을 측정한다.
3. σ 2(z)=σ의 10를 측정 데이터 포인트를 02+는 distribu의 M4(λ π σ 0)2(z− z0)어디 σ 2(z){\displaystyle \sigma ^{2}(z)2{\displaystyle \sigma ^{2}(z)=\sigma _ᆲ^ᆳ+M^ᆴ\left({\frac{\lambda}{\pi \sigma_{0}}}\right)^ᆵ(z-z_{0})^{2}},[7]}은 2차 모멘트.회부 등빔 웨이스트의 2σ 0{\displaystyle 2\sigma_{0}의 두번째 순간과 N은 x나 y방향(D4σ 빔 너비에 섹션을 참조)에서, 그리고 z0{\displaystyle z_{0}}위치}. Fitting 10데이터 포인트 수익률 M2, z0{\displaystyle z_{0}}, σ 0{\displaystyle \sigma_{0}}. Siegman sho.w빔 반경이 빔 폭의 D4σ 정의를 사용한다면 모든 빔 프로파일(가우스, 플랫 탑, TEM_XY 또는 임의 형상)은 위의 방정식을 따라야 한다. 10/90 칼날, D86 또는 FWHM 너비를 사용하면 작동하지 않는다.

E-필드 빔 프로파일링 완료

빔 프로파일러는 레이저 빔 프로파일의 강도 E-필드 를 측정하지만 E-필드 단계에 대한 정보는 제공하지 않는다. 주어진 평면에서 E-필드의 특성을 완전히 파악하려면 위상과 진폭 프로필을 모두 알아야 한다. 전기장의 실제 부분과 가상 부분은 캡처된 데이터에 위상 복구 알고리즘을 적용하여 두 개의 개별 전파 평면에서 빔을 샘플링하는 두 개의 CCD 빔 프로파일러를 사용하여 특성화할 수 있다. 한 평면에서 E-필드의 완전한 특성화의 이점은 E-필드 프로파일이 회절 이론을 가진 다른 평면에 대해 계산될 수 있다는 것이다.

빔 품질에 대한 버킷 내 전원 또는 스트렐 정의

M² 매개변수는 빔 품질을 지정하는 데 있어 전부가 아니다. 낮은² M은 빔 프로파일의 두 번째 모멘트가 천천히 팽창한다는 것을 의미할 뿐이다. 그럼에도 불구하고 동일한 M을² 가진 두 빔은 주어진 영역에서 전달된 전력의 분율이 같지 않을 수 있다. 버킷 내 파워 인 더 버킷과 스트렐 비율은 빔 품질을 주어진 영역에 얼마나 많은 전력이 공급되는지의 함수로 정의하기 위한 두 가지 시도다. 아쉽게도 표준 버킷 크기(D86 폭, 가우스 빔 폭, 에어리 디스크 너비 등)나 버킷 형태(원형, 직사각형 등)가 없고 스트렐 비율에 대해 비교할 표준 빔도 없다. 따라서, 이러한 정의는 숫자가 주어지기 전에 항상 명시되어야 하며 레이저를 비교하려고 할 때 많은 어려움을 나타낸다. 또한² M, 버킷의 파워 인 더 버킷, 스트렐 비율의 단순한 변환도 없다. 예를 들어 Strehl 비율은 이상 및 이상적인 점 확산 함수에서 피크 초점 강도의 비율로 정의되었다. 다른 경우, 동일한 총 플럭스를 가진 회절 제한 이미지의 피크 강도로 나눈 이미지의 피크 강도의 비율로 정의되었다.^[8][9] 문헌에 정의된 버킷 내 파워 인 더 버킷과 스트렐 비율은 여러 가지 방법이 있으므로, 권장사항은 빔 품질 파라미터에 대한 ISO 표준 M 정의를² 고수하고, 예를 들어 스트렐 비율이 정의를 동반하지 않는 한, 0.8의 스트렐 비율은 아무런 의미가 없다는 것을 알고 있어야 한다.

빔 발산

레이저 빔의 빔 분비는 빔이 빔 허리에서 멀리 확장되는 속도를 측정하는 척도다. 그것은 보통 멀리 있는 들판의 축 위치에 관해서, 즉 레일리 길이보다 훨씬 더 큰 빔 허리에서 떨어져 있는 빔 반경의 파생물로 정의된다. 이 정의는 반각의 차이를 낳는다.(때로는 문헌에 전체 각도가 사용되기도 한다; 이것들은 두 배나 크다.) 회절제한 가우스 빔의 경우 빔 발산량은 λ/(πw₀)이며, 여기서 λ은 파장(중간)이며 빔 허리에서 빔 반지름(반경 1/e² 강도의 반지름)이다₀. 주어진 빔 반경에 대한 큰 빔 분비는 빔 품질 저하에 해당한다. 낮은 빔의 차이는 포인팅 또는 자유 공간 광통신과 같은 애플리케이션에 중요할 수 있다. 매우 작은 발산, 즉 상당한 전파 거리에 걸쳐 대략적으로 일정한 빔 반경을 갖는 빔을 시준 빔이라고 한다. 빔 발산 측정의 경우, 일반적으로 빔 프로파일러를 사용하여 빔 반경을 다른 위치에서 측정한다. 또한 빔의 복잡한 진폭 프로파일에서 빔의 분산을 단일 평면에서 유도할 수 있다: 공간 푸리에 변환은 전파 각도와 직접 관련된 가로 공간 주파수의 분포를 전달한다. 렌즈와 CCD 카메라로 레이저 빔의 차이를 측정하는 방법에 대한 자습서는 미국 레이저 군단 애플리케이션 노트를^[10] 참조하십시오.

빔 난시

레이저 빔의 난시는 빔의 수평 및 수직 단면이 빔 경로를 따라 다른 위치에 집중될 때 발생한다. 난시는 원통형 렌즈로 교정할 수 있다. 난시의 척도는 가로와 세로 단면의 초점을 함께 맞추는 데 필요한 원통형 렌즈의 힘이다. 난시는 다음에 의해 발생한다.

• 열 렌즈(Nd):YAG 슬래브 증폭기 두 개의 금속 열제거원 사이에 끼어 있는 슬래브에는 열제거원 사이에 온도 구배가 있게 된다. 열 구배는 원통형 렌즈와 매우 유사한 굴절 구배 지수를 유발한다. 증폭기에 의해 발생하는 원통형 렌즈는 빔을 난시하게 만들 것이다.
• 이러한 광학 장치의 배치에서 일치하지 않는 원통형 렌즈 또는 오류.
• 비선형 단색 결정(비선형 시신 결정에서 공통)을 통한 전파. x-극화와 y-극화 E-필드들은 서로 다른 굴절 지수를 경험한다.
• 구형 렌즈나 거울의 중앙을 통해 전파되지 않음.

난시는 프로파일러가 빔 경로를 따라 번역될 때 x와 y 빔 웨이스트가 발생하는 위치를 관찰함으로써 CCD 빔 프로파일러로 쉽게 특성화할 수 있다.

빔 방황 또는 지터

모든 레이저 빔은 비록 적은 양이지만 방황하고 떨린다. 일반적인 키네마틱 팁틸트 마운트는 실험실 환경에서 하루에 약 100μrad씩 표류한다(광학 테이블을 통한 진동 격리, 일정한 온도 및 압력, 부품의 열을 유발하는 일조 없음). 이 거울에 비친 레이저 빔은 1000km 범위에서 100m로 변환될 것이다. 이것은 지구에서 통신 위성을 타격하는 것과 그렇지 않은 것의 차이를 만들 수 있다. 따라서 레이저 빔의 빔 방랑(저속 시간 척도) 또는 지터(고속 시간 척도)의 특성화에 관심이 많다. 빔의 방랑과 지터는 CCD 빔 프로파일러에서 빔의 중심 또는 피크를 추적하여 측정할 수 있다. CCD 프레임률은 일반적으로 초당 30프레임이기 때문에 30Hz보다 느린 빔 지터를 캡처할 수 있다. 즉, 사람의 음성, 60Hz 팬 모터의 웅성거림 또는 기타 빠른 진동원으로 인해 빠른 진동을 볼 수 없다. 다행히도 이는 대부분의 실험실 레이저 시스템에서는 큰 문제가 되지 않으며 CCD의 프레임률은 최대 소음 전력을 포함하는 대역폭에서 빔을 방황할 수 있을 만큼 충분히 빠르다. 일반적인 빔 이동 측정에는 몇 분 동안 빔의 중심을 추적하는 것이 포함된다. 중심 데이터의 rms 편차는 안정성을 가리키는 레이저 빔의 명확한 그림을 제공한다. 빔 지터 측정의 통합 시간은 항상 계산된 rms 값에 수반되어야 한다. 카메라의 픽셀 분해능이 몇 마이크로미터일 수 있지만 신호 대 잡음 비율이 양호하고 빔이 CCD 활성 영역의 대부분을 채울 때 하위 픽셀 중심 분해능(아마도 수십 나노미터 분해능)이 달성된다.^[11]

빔 방황의 원인은 다음과 같다.

• 레이저의 열화 속도가 느림. 레이저 제조사는 보통 시동 후 레이저가 평형으로 표류할 수 있도록 예열 사양을 갖추고 있다.
• 열 구배, 압력 및 스프링의 헐거움으로 인한 팁 틸트 및 광학 마운트 드리프트.
• 비강성 장착 광학
• 팬으로 인한 진동, 보행/소음/호흡, 워터 펌프, 실험실 외부에서 차량 이동

레이저 시스템에 대한 빔 프로파일러 측정값의 잘못된 표시

비록 이것이 고객을 오도하는 것을 수반한다 하더라도, 그들의 제품을 가장 좋은 시각으로 보여주는 방법으로 사양을 제시하는 것은 대부분의 레이저 제조업체의 장점이다. 레이저 성능 사양은 다음과 같은 질문을 통해 명확히 할 수 있다.

• 사양은 일반적인 성능인가, 최악의 성능인가?
• 어떤 빔 너비 정의를 사용했는가?
• M² 매개변수는 수직 및 수평 단면 모두에 대한 것인가, 아니면 단지 더 나은 단면만을 위한 것인가?
• M은² ISO 표준 기법 또는 다른 방법(예: 버킷의 전원)을 사용하여 측정되었다.
• 지정된 RMS 빔 지터를 만들기 위해 데이터가 얼마나 오래 걸렸는가. (RMS 빔 지터는 측정 간격이 증가함에 따라 악화된다.) 레이저 환경(광학 테이블 등)은 무엇이었습니까?
• 지정된 M², 빔 폭, 발산, 난시, 지터를 달성하는 데 필요한 준비 시간은?

기술

빔 프로파일러는 일반적으로 두 가지 등급으로 분류된다. 첫 번째 등급은 빔 위로 스캔되는 구멍 뒤에 있는 간단한 광검출기를 사용한다. 두 번째 클래스는 카메라를 사용하여 빔을 이미지화한다.^[12]

스캐닝-어퍼처링 기법

가장 일반적인 스캐닝 조리개 기법은 칼날 에지 기법과 스캐닝 슬릿 프로파일러이다. 전자는 칼로 빔을 쪼고 칼날이 빔을 가르면서 전달되는 힘을 측정한다. 측정된 강도 대 칼 위치는 한 방향으로 통합된 빔 강도인 곡선을 산출한다. 여러 방향으로 강도 곡선을 측정함으로써 X선 단층촬영을 위해 개발된 알고리즘을 사용하여 원래의 빔 프로파일을 재구성할 수 있다. 측정 기구는 회전 드럼에 각각 전개되는 고정밀 복수 칼 가장자리에 기초하며 빔 방향에 대해 다른 각도를 가진다. 그런 다음 단층 알고리즘을 사용하여 스캔한 빔을 재구성하고 2D 또는 3D 고해상도 에너지 분포도를 제공한다. 특수 스캐닝 기법 때문에 시스템은 자동으로 현재 빔 크기로 확대되어 10mm 이상의 상대적 대형 빔뿐만 아니라 하위 마이크론 빔의 고해상도 측정을 가능하게 한다. 다양한 파장의 측정을 얻기 위해 다양한 검출기를 사용하여 깊은 UV에서 먼 IR까지 레이저 빔을 측정할 수 있다. 다른 카메라 기반 시스템과 달리 스캐닝-슬릿 프로파일러는 칼날 하나 대신 좁은 슬릿을 사용해 실시간 전력 측정이 가능하다. 이 경우 슬릿 너비에 걸쳐 강도가 통합된다. 결과 측정은 슬릿의 프로필과 결합된 원래의 단면과 동일하다.

이 기법은 1μm 이하의 매우 작은 스폿 크기를 측정할 수 있으며, 고출력 빔을 직접 측정하는 데 사용할 수 있다. 반복률이 20헤르츠에 달할 수 있지만 연속 판독값을 제공하지 않는다. 또한 프로필은 실제 2D 공간 프로필이 아닌 x와 y 방향으로 통합 강도를 제공한다(복합 강도는 복잡한 빔 프로필의 경우 해석하기 어려울 수 있음). 그것들은 일반적으로 구멍과 레이저 펄스의 움직임을 동기화하는 추가적인 복잡성 때문에 펄스 레이저 소스에서는 작동하지 않는다.^[13]

CCD 카메라 기법

CCD 카메라 기법은 레이저를 감쇠시켜 CCD에 비추고 빔 프로필을 직접 측정하는 간단하다. 카메라 기법이 레이저 빔 프로파일링에 가장 많이 사용되는 것도 이 때문이다. 가장 인기 있는 카메라는 최대 25mm(1인치)에 이르는 센서 직경과 몇 마이크로미터 이하의 픽셀 크기를 가진 실리콘 CCD이다. 이 카메라는 또한 깊은 UV, 200 nm, 근적외선, 1100 nm에 이르는 광범위한 파장에 민감하다; 이 파장의 범위는 광범위한 레이저 이득 매체를 포함한다. CCD 카메라 기법의 장점은 다음과 같다.

• 2D 빔 프로필을 실시간으로 캡처
• 높은 동적 범위. 웹캠의 CCD 칩도 2가량의⁸ 동적 범위를 가지고 있다.^[14]
• 소프트웨어는 일반적으로 D4m³ 폭과 같은 중요 빔 메트릭을 실시간으로 표시
• 민감한 CCD 검출기는 약한 레이저의 빔 프로파일을 포착할 수 있다.
• 화소 크기에 따라 분해능을 약 4μm까지 낮추십시오. 특별한 경우 ±1.1μm의 분해능이 입증되었다.^[14]
• 트리거 입력이 있는 CCD 카메라는 저듀티 사이클 펄스 레이저의 빔 프로필을 캡처하는 데 사용할 수 있다.
• CCD의 파장 민감도는 200~1100nm이다.

CCD 카메라 기법의 단점은 다음과 같다.

• 고출력 레이저의 경우 감쇠 필요
• CCD 센서의 크기는 약 1인치로 제한된다.
• CCD는 민감도 가장자리 근처에서 사용할 때 꽃을 피우기 쉽다(예: 1100nm에 근접함).^[15]

D4σ 폭 측정을 위한 기준선 뺄셈

D4 from 폭은 빔 중심에서 멀리 떨어져 있는 픽셀이 거리 제곱에 따라 D4 width 폭에 기여하기 때문에 펄스 꼬리 부분의 빔 에너지 또는 노이즈에 민감하다. D4³ 폭 추정치의 오류를 줄이기 위해 기준 픽셀 값을 측정 신호에서 뺀다. 픽셀의 기준값은 입사광 없이 CCD 픽셀의 값을 기록하여 측정한다. 유한한 값은 암류, 판독 소음 및 기타 소음원에 기인한다. 촬영 노이즈 제한 노이즈 소스의 경우 기준선 감산은 D4³ 너비 추정치를 $N{\displaystyle \sqrt{}}$ ${\$로 개선하며$,$ $여기$서 N ${\displaystyle N}$은 윙의 픽셀 수입니다. 기준선 뺄셈이 없으면 D4σ 폭은 과대평가된다.

더 나은 측정값을 얻기 위한 평균 산출

연속된 CCD 영상을 평균화하면 보다 깨끗한 프로필을 얻을 수 있으며 CCD 이미저 노이즈와 레이저 빔 강도 변동 모두를 제거할 수 있다. 빔 프로파일에 대한 픽셀의 신호 대 잡음 비율(SNR)은 픽셀의 평균 값을 루트 평균 제곱(rms) 값으로 나눈 값으로 정의된다. SNR은 촬영 소음 프로세스를 위해 캡처된 프레임 수(암류 소음, 판독 소음, Poissonian 탐지 소음)의 제곱근으로 개선된다. 예를 들어, 평균 수를 100배 증가시키면 빔 프로파일이 10배 부드러워진다.

감쇠 기법

CCD 센서는 매우 민감하기 때문에 적절한 빔 프로파일링을 위해 거의 항상 감쇠가 필요하다. 예를 들어 40dB(ND 4 또는 10⁻⁴)의 감쇠는 밀리와트 HeNe 레이저의 경우 일반적이다. 적절한 감쇠는 다음과 같은 특성을 갖는다.

• CCD 센서에 고스트 이미지를 남기는 다중 반사가 발생하지 않음
• 평행 표면 사이의 반사로 인한 간섭이나 결함에 의한 회절은 발생하지 않는다.
• 그것은 파장을 왜곡하지 않고 충분한 광학적 평탄성(파장의 10분의 1 미만)과 동질성을 갖는 광학적 소자가 될 것이다.
• 필요한 광전력을 처리할 수 있다.

CCD 센서를 사용한 레이저 빔 프로파일링의 경우 일반적으로 중성 밀도 필터와 웨지 또는 두꺼운 광학 평판이라는 두 가지 유형의 감쇠기가 사용된다.

중성밀도필터

중성 밀도(ND) 필터는 흡수성과 반사성의 두 가지 유형으로 나온다.

흡수성 필터는 보통 틴티드 유리로 만들어진다. 그것들은 평균 약 100 mW의 전력을 포함하는 저전력 애플리케이션에 유용하다. 이러한 전력 수준 이상에서는 기질(보통 유리)의 열전도율이 낮기 때문에 보 크기 변경이나 변형을 유발하는 열 렌즈가 발생할 수 있다. 높은 출력으로 인해 용해 또는 균열이 발생할 수 있다. 흡수성 필터 감쇠 값은 일반적으로 가시 스펙트럼(500–800 nm)에 유효하며 해당 스펙트럼 영역 밖에서는 유효하지 않다. 일부 필터는 기질의 긴 파장 흡수 에지(안경의 경우 약 2.2μm)까지 근적외선 파장에 대해 주문 및 교정이 가능하다. 일반적으로 제조업체가 별도로 지정하지 않는 한 2인치(51 mm) ND 필터에 걸쳐 감쇠의 약 5-10% 변동을 예상할 수 있다. ND 필터의 감쇠 값은 로그로 지정된다. ND 3 필터는 인시던트 빔의 전원을 10개⁻³ 전송한다. CCD 센서보다 가장 큰 감쇠기를 가장 마지막에 두면 다중 반사로 인해 고스트 이미지가 가장 잘 제거된다.

반사 필터는 얇은 금속 코팅으로 만들어지므로 더 큰 대역폭에서 작동한다. ND 3 금속 필터는 200–2000 nm 이상일 것이다. 감쇠는 유리 기질 내의 흡수로 인해 이 스펙트럼 영역 밖에서 빠르게 증가한다. 이러한 필터는 입사 전력을 흡수하기 보다는 반사하므로 더 높은 입력 평균 전력을 처리할 수 있다. 하지만 그것들은 펄스 레이저의 높은 피크 파워에 잘 맞지 않는다. 이러한 필터는 가열 시 균열이 발생하기 전에 약 5W의 평균 전력(약 1cm의² 조명 면적 이상)까지 정상 작동한다. 이러한 필터는 빛을 반사하기 때문에 여러 ND 필터를 쌓을 때 주의해야 한다. 필터 사이의 다중 반사로 인해 유령 이미지가 원래 빔 프로파일에 간섭을 일으키기 때문이다. 이 문제를 완화하는 한 가지 방법은 ND 필터 스택을 기울이는 것이다. 금속성 ND 필터의 흡수가 미미하다고 가정하면 흡수성 필터처럼 ND 필터 스택의 순서는 문제가 되지 않는다.

확산형 빔 샘플러

확산형 빔 샘플러는 광학적 손실과 전송된 빔의 파동 전선의 왜곡을 최소한으로 유지해야 하는 고출력 레이저를 감시하기 위해 사용된다. 대부분의 적용에서 입사광의 대부분은 "영향을 받지 않은" 순서에서 "영향을 받지 않은" 전방으로 계속되어야 하며, 반면 소량의 빔은 보다 높은 확산 순서로 분해되어 빔의 "샘플"을 제공한다. 샘플링된 빛을 더 높은 순서로 검출기로 유도하면 레이저 빔의 출력 수준뿐만 아니라 프로필 및 기타 레이저 특성을 실시간으로 모니터링할 수 있다.

광학 쐐기

코팅되지 않은 광학 유리 표면의 광학 쐐기와 반사판은 고출력 레이저 빔을 감쇠시키는 데 사용된다. 공기/유리 인터페이스에서 약 4%가 반사되며 여러 웨지를 사용하여 빔을 ND 필터로 감쇠할 수 있는 수준으로 크게 감쇠시킬 수 있다. 쐐기 각도는 일반적으로 표면으로부터의 두 번째 반사가 CCD의 활성 영역에 닿지 않고 간섭 프링(fring)이 보이지 않도록 선택된다. CCD가 쐐기에서 멀리 있을수록 필요한 각도가 작아진다. 웨지는 빔 방향을 변환하고 구부릴 수 있는 단점이 있다. 경로가 편리한 직사각형 좌표에 더 이상 있지 않다. 쐐기를 사용하는 대신 빔으로 기울어진 광학 품질의 두꺼운 유리판도 작동할 수 있다. 실제로 이것은 0° 각도의 쐐기와 같다. 두꺼운 유리는 빔을 변환시키지만 출력 빔의 각도는 바꾸지 않는다. 유리는 빔이 간섭 프링(fring)을 생성하기 위해 빔과 중첩되지 않도록 충분히 두꺼워야 하며, 가능하다면 2차 반사가 CCD의 활성 영역을 비추지 않도록 해야 한다. 유리판에서 빔의 프레스넬 반사는 s- 및 p-극화에 대해 다르며(s는 유리 표면에 평행하며 p는 s에 수직이다) 발생 각도 함수로서 변화한다. 두 편광화가 서로 다른 빔 프로파일을 가질 것으로 예상할 경우 이 점을 명심하십시오. 빔 프로필의 왜곡을 방지하기 위해 유리는 광학 품질이어야 한다. 표면 평탄도는 λ/10(λ=633nm)이고 스크래치 디지는 40-20 이상이어야 한다. 편광 빔 스플리터가 뒤따르는 반파 플레이트는 가변 감쇠기를 형성하며 이 조합은 광학 시스템에서 자주 사용된다. (1) 두 직교 편광의 빔 프로파일이 다를 수 있고, (2) 양극화 빔 큐브에 낮은 광학적 손상 임계값이 있을 수 있으며, (3) 매우 높은 감쇠에서 큐브 편광기에서 빔이 왜곡될 수 있으므로, 이러한 방식으로 만들어진 가변 감쇠기는 빔 프로파일링 애플리케이션의 감쇠에 권장되지 않는다.이온. 값싼 큐브 편광기는 두 개의 직각 프리즘을 함께 시멘트로 만들어진다. 접착제는 높은 파워와 잘 맞지 않는다. 강도는 500mW/mm² 이하로 유지해야 한다. 고출력에는 단일 소자 편광기가 권장된다.

CCD 검출기의 최적 빔 크기

CCD 검출기에서 최적의 빔 크기를 결정하는 두 가지 경쟁 요건이 있다. 한 가지 요건은 레이저 빔의 전체 에너지 또는 가능한 한 많은 에너지가 CCD 센서에 충돌하는 것이다. 이것은 빔의 꼬리가 바깥쪽 픽셀에 의해 잡히도록 하기 위해 우리가 가능한 한 작은 지점에 모든 에너지를 집중해야 한다는 것을 의미한다. 이건 극단적이야. 두 번째 요건은 빔 프로파일 모양을 적절하게 샘플링해야 한다는 것이다. 경험으로 볼 때, 우리는 빔 에너지의 80%를 가장 많이 포함하는 영역을 가로질러 최소한 10픽셀을 원한다. 따라서 최적의 빔 크기를 선택하는 단단하고 빠른 규칙은 없다. CCD 센서가 빔 에너지의 90% 이상을 캡처하고 최소 10픽셀을 가로지르는 한 빔 폭 측정은 어느 정도 정확성을 갖는다.

픽셀 크기 및 픽셀 수

CCD 센서가 클수록 프로파일링할 수 있는 빔의 크기가 커진다. 때때로 이것은 더 큰 픽셀 크기의 비용으로 발생한다. 초점 빔을 관찰하려면 작은 픽셀 크기가 필요하다. 컴퓨터 판독 시간이 불편할 정도로 길 수 있기 때문에 메가픽셀이 많은 CCD가 항상 작은 배열보다 나은 것은 아니다. 실시간으로 어레이를 판독하는 것은 레이저 프로필을 수정하거나 최적화하기 위해 필수적이다.

원거리 빔 프로파일러

원거리 빔 프로파일러는 렌즈의 초점에서 빔을 프로파일링하는 것에 지나지 않는다. 이 평면은 때때로 푸리에 평면으로 불리며, 빔이 아주 멀리 전파되는지 볼 수 있는 프로필이다. 푸리에 평면의 빔은 입력장의 푸리에 변환이다. 원거리 측정에 주의해야 한다. 초점 크기는 여러 픽셀에 걸쳐 충분히 커야 한다. 스폿 크기는 대략 fλ/D이며, 여기서 f는 렌즈의 초점 길이, λ은 빛의 파장, D는 렌즈에 시준된 빔의 직경이다. 예를 들어 빔 직경이 1mm인 헬륨 니온 레이저(633nm)는 500mm 렌즈로 317μm 지점에 초점을 맞춘다. 5.6 μm 크기의 레이저 빔 프로파일러는 56개 위치에서 지점을 적절하게 샘플링할 수 있다.

특수 응용 프로그램

과거에 CCD 레이저 빔 프로파일러들의 엄청난 비용은 저비용 빔 프로파일러들에게 주어졌다. 저가 빔 프로파일러들은 초정확한 정렬을 위해 홍채 교체와 레이저 시스템의 동시 다중 포트 모니터링 등 많은 새로운 응용 분야를 열었다.

홍채 교체와 마이크로라디안 정렬 정확도

과거에는 레이저 빔의 정렬이 홍채로 이루어졌다. 두 개의 홍채는 독특하게 빔 경로를 정의했다; 홍채는 멀리 떨어져 있고 홍채 구멍은 작을수록 더 잘 정의된다. 홍채에서 정의할 수 있는 가장 작은 구멍은 약 0.8mm이다. 이에 비해 레이저 빔의 중심은 레이저 빔 프로파일러로 미크로미터 미만의 정확도로 결정할 수 있다. 레이저 빔 프로파일러의 유효 조리개 크기는 홍채의 그것보다 3배 더 작다. 따라서 광학 경로를 정의하는 능력은 홍채보다 빔 프로파일러를 사용할 때 1000배 더 좋다. 마이크로라디안 정렬 정확도가 필요한 애플리케이션에는 지구 대 공간 통신, 지구 대 공간 레이더, 오실레이터 정렬에 대한 마스터 오실레이터 및 멀티패스 증폭기가 포함된다.

레이저 시스템의 동시 다중 포트 모니터링

실험용 레이저 시스템은 여러 레이저 빔 프로파일러를 사용하여 예를 들어 커-렌즈 모델코커 이후 레이저 시스템의 중간 위치에서 펌프 빔, 출력 빔 및 빔 모양을 특성화함으로써 이득을 얻는다. 펌프 레이저 빔 프로필의 변화는 레이저 모드가 게인 결정에서 흥분되는 펌프 레이저의 상태를 나타내며, 브레드보드를 기준으로 빔의 중심을 위치시켜 레이저가 예열되는지 여부도 결정한다. 출력 빔 프로파일은 게인 매체의 열광학적 효과로 인해 펌프 출력의 강력한 기능인 경우가 많다.

참고 항목

• 레이저 빔 품질

참조

• 레이저 빔 프로파일링 측정