Varför använda en hög hatt/flat top laserstråle?

De flesta laserstrålar är Gaussiska, men i vissa fall kan det vara fördelaktigt att ha en icke-Gaussisk bestrålningsprofil. Den symmetriska bestrålningsfördelningen för en Gaussstråle minskar när avståndet från laserstrålens mitttvärsnitt ökar. Flat-top- eller top-hat-strålar har en konstant irradiansfördelning över laserstrålens tvärsnitt (Figur 1). Vissa applikationer som drar nytta av konstant intensitet över ett givet område inkluderar bearbetning av halvledarskivor, icke-linjär frekvensomvandling vid höga effektnivåer och materialbearbetning. Platta balkar ger vanligtvis mer exakta och förutsägbara resultat, såsom skarpare skärningar och skarpare kanter, än gaussiska balkar, men de kommer med ytterligare systemkomplexitet och kostnad.

Figur 1: Gaussiska strålar slösar energi genom både överflödig energi högre än det tröskelvärde som krävs för applikationen och energi lägre än tröskeln i de yttre delarna av den gaussiska strålen. Balkar med hög hatt och platt topp är mer effektiva genom att de överskrider tröskeln samtidigt som de minimerar slöseri med energi.

 

 

Gaussiska strålar
Högkvalitativa singelmodslasrar producerar en låggradig gaussisk irradiansfördelning, TEM00-läget. En gaussisk stråle med samma genomsnittliga optiska effekt som en laserstråle med hög hatt/flat topp har dubbelt så hög energitäthet som en topphat/flat top laserstråle (figur 2). Den gaussiska strålen förblir konstant under transformation; därför, när strålen fortplantar sig genom systemet, förblir strålprofilen gaussisk fördelad även om strålens storlek ändras. Detta beror på att fouriertransformen av en gaussisk funktion är en annan gaussisk funktion. Ljus genomgår en fouriertransformation genom att fortplantas till oändligheten eller genom att fokusera genom en perfekt lins. För att lära dig mer om laserlägen som TEM00, besök vår anteckning om laserresonatorläge.

Figur 2: Gaussiska och platta toppstrålar med samma optiska effekt, som visar att toppintensiteten för den Gaussiska strålen är dubbelt så stor som den platta toppstrålen.

Gaussiska lasrar är vanligare och mer kostnadseffektiva än andra lasrar, men de har flera nackdelar, såsom deras "vingar" eller lågintensiva områden som sträcker sig från strålens användbara centrum. Om intensiteten på vingarna på en gaussisk stråle är under det tröskelvärde som krävs för applikationen, resulterar detta vanligtvis i slöseri med energi (Figur 1). De orsakar också skador på det omgivande området och utökar den värmepåverkade zonen, vilket kan vara skadligt för tillämpningar som laserkirurgi och precisionsmaterialbearbetning. Att skära eller forma fina detaljer med en gaussisk balk resulterar i mindre precision än med en topphatt/plattbalk på grund av den större värmepåverkade zonen av balken, vilket gör topphatten/plattbalkarna till ett bättre val för sådana applikationer.

 

 

top Hat/Platt Top Balkar

Ett sätt att utvärdera hur nära en verklig balk är en idealisk platt toppbalk är genom planhetsfaktorn (F_η). Detta bestäms genom att dividera det genomsnittliga irradiansvärdet med det maximala irradiansvärdet enligt beskrivningen.

 

Fη=Genomsnittlig bestrålning/maximal instrålning

 

Frånvaron av vingar och brantare kantövergångar i top hat/platt top balkar möjliggör effektivare energiöverföring och en reducerad värmepåverkad zon. Detta är fördelaktigt för ett brett spektrum av applikationer där hög noggrannhet och minimering av skador på det omgivande området är en prioritet. I metrologiapplikationer som laserinducerad skadetröskel (LIDT)-testning, minskar den enhetliga och väldefinierade profilen av en topphat/flat top-stråle mätosäkerhet och statistisk varians.

 

Strålar med hög hatt/platt topp är inte lika kostnadseffektiva som gaussiska strålar eftersom en extra strålformningskomponent krävs för att omvandla laserutgången till en topphat/flat top-stråle (Figur 3). Denna strålformande komponent kan byggas in i laserkällan eller placeras utanför lasern. Dessa ytterligare strålformare är känsliga för xy-inriktning och beror på ingångsstrålens diameter. Laserstrålen med hög hatt/flat topp förblir inte konstant under transformation. Därför bevaras inte strålprofilen för den infallande topphatten/flatbalken naturligt när strålen fortplantar sig. Fouriertransformen av funktionen för topphatt/flat top är en Airy spot-funktion, vilket innebär att topphatten/flat top-balken så småningom kommer att utvecklas till en Airy spot.

Figur 3: Animation av en strålprofil som konverterar mellan en Gauss-fördelning och en platt toppfördelning.

 

 

Användningen av laserstrålar med hög eller platt hatt erbjuder en rad fördelar för en mängd olika industriella och vetenskapliga tillämpningar. Med sin enhetliga energifördelning och förmåga att minska termisk linsning och punktstorlek kan denna typ av strålar bidra till att förbättra precisionen, konsistensen och effektiviteten hos många olika laserprocesser.

 

SDQY Laser är en laserrengöringsmaskinfabrik med teknisk styrka. Vi har ett professionellt FoU-team för att förse kunder med högkvalitativ, högpresterande laserrengöringsutrustning, inklusive 200w, 300w, 500w top-hat/flat-top strålar och 100w 200w 300w 1000w gaussisk strållaserrengöringsmaskiner. Samtidigt kan vi också tillhandahålla skräddarsydda automatiska laserrengöringslösningar enligt kundens behov för att möta kundernas olika behov.

I den framtida utvecklingen kommer vi att fortsätta att upprätthålla principen om "kvalitet först, service först", kontinuerligt förbättra kvaliteten på produkter och tjänster och ge kunderna bättre laserrengöringslösningar. Välkommen kunder från alla samhällsskikt att kontakta oss och skapa en bättre framtid tillsammans!