Товар добавлен в корзину
Перейти в корзину
Разработка и поставка лазерно-оптических компонентов и оборудования.
Резидент Технопарка ИТМО
+7 (812) 612-99-82
Санкт-Петербург
+7 (964) 442-90-01
Новосибирск
+7 (964) 442-90-01
Владивосток
8 (800) 551-57-49
Звонок бесплатный по РФ
Перезвоните мне
Оставьте заявку
Ru En
0
Каталог
Системы профилирования выходного луча DataRay

Системы профилирования выходного луча DataRay

30.11.2021
332
Поделитеcь новостью:
1. Общее описание системы

Камеры профилирования выходного излучения от компании DataRay представляют особый интерес за счет своей многозадачности. DataRay разработал универсальный программный пакет, который позволяет выполнять огромный спектр задач для анализа выходного излучения. При этом программное обеспечение адаптировано под все выпускаемые модели систем профилирования.

В лаборатории АО «ЛЛС» в наличии имеется камера-профилометр BladeCam2-HR, на примере которой мы остановимся более подробно. 

Система профилирования луча BladeCam2-HR позволяет анализировать выходное излучение в диапазоне длин волн от 355 нм до 1100 нм. Определяющей функцией служит возможность измерения М2, корректирования динамического шума и детектирование не сфокусированного излучения. 


2. Комплектация

В стандартную комплектацию поставки камеры входят дополнительный фильтры для аттенюации излучения, чтобы не повредить матрицу камеры. На фотографии ниже (рис. 1) приведена стандартная комплектация, в которую входят:

  • Камера BladeCam2-HR;
  • Фильтр ND-1
  • Фильтр ND-2;
  • Фильтр ND-4;
  • Флеш-накопитель с программным обеспечением и основными документами пользователя; 
  • Кабель USB 3.0. 

комплектация камеры Dataray.jpeg

Рисунок 1 – Комплектация камеры DataRay BladeCam2-HR

По желанию заказчика могут быть приобретены дополнительные фильтры (с большим или меньшим коэффициентом пропускания), адаптеры для подключения объективов или фильтров с другим разъемом.


3. Принцип работы камеры профилометра

Для описания принципа работы камеры необходимо понимать основные характеристики, которые приведены в таблице 1. 

Таблица 1 – Технические характеристики камеры BladeCam2-HR 

Наименование характеристики

Параметры

Микросхема

CMOS

Количество пикселей

1,3 мегапикселя

Размер пикселя

5,2 х 5,2 мкм

Мин. луч (на 10 пикселей)

~ 52 мкм

Максимальная полная частота кадров

≥ 9 Гц

Сигнал к среднеквадратичному шуму

1,000:1

ADC

10-бит

Динамический диапазон

41 дБ


Камера работает на основе микросхемы CMOS (complementary metal-oxide-semiconductor), которая представляет собой комплементарную структуру: металл-оксид-полупроводник (рис. 2). Для разных диапазонов длин волн требуются разные типы датчиков. В данном случае установлен кремниевый датчик, который обеспечивает детектирование излучения до 1100 нм. 

Принципиальная структура матрицы CMOS.png

Рисунок 2 – Принципиальная структура матрицы CMOS

CMOS матрицы могут произвольно считывать ячейки, в чем выигрывает у CCD матриц (charge-coupled device), поскольку те могут считывать все ячейки за один раз. Благодаря этому у CMOS матриц нет эффекта размазывания, когда на картинке остаются засвеченные участки, например, от солнца или других источников постороннего света.  

CMOS матрицы имеют ряд преимуществ, например:

  • Низкая величина энергопотребления при статическом положении, которая является в 100 раз ниже, чем у CCD матриц. Именно данная характеристика обеспечивает применение матрицы CMOS в устройствах видеонаблюдения и датчиках движения, которые в течение длительного времени могут находиться в ожидании;
  • Высокая скорость записи, которая может составлять до 500 кадров в секунду;
  • Возможность кадрированного считывания – расшифровка выбранных групп пикселей. Такая технология обеспечивает уменьшение размера и увеличение скорости считывания;
  • Возможность преобразования, очистки и обработки полученного сигнала, не только захваченных матрицей, но и сторонних элементов;
  • Наличие усилительных схем позволяет повышать уровень чувствительности при низкой освещенности, а также корректировать цветовую гамму и баланс белых тонов;
  • Низкая себестоимость в сравнении с CCD матрицей.

Следствием низкого пространственного разрешения является то, что размеры пучка должны быть большими, что также приводит к большему значению длины волны Рэлея. По этой причине требуется больше места для полного измерения M2. Количество пикселей имеет также практическое значение, большее количество позволяет измерять диаметр пучка в большем диапазоне.

Когда используется лазерное излучение с высокой когерентностью, системы на основе камер особенно чувствительны к мешающим факторам, вызванным высокой временной когерентностью, следовательно, необходимо использовать дополнительный фильтры. Следует учитывать, что фильтры изготовлены из материалов, которые имеют разное пропускание в зависимости от длины волны, следовательно, при использовании того или иного фильтра необходимо учесть и его поведение на используемой длине волны (рис. 3).

Пропускание фильтров ND DataRay.jpg

Рисунок 3 – Пропускание фильтров ND DataRay

DataRay предлагает три различных типа фильтров нейтральной плотности (ND – neutral density), которые входят в комплект, каждый из которых подходит для своего диапазона длин волн. Значение ND для любого данного фильтра относится к его оптической плотности. Оптическая плотность (OD – optical density) фильтра определяется на основе процента от общей передаваемой мощности: 

α = 10 -OD

где α- пропускание.


Стандартные ND фильтры являются поглотителями и подходят для применения в диапазоне длин волн видимого, ближнего и инфракрасного диапазона (от 350 до 1550 нм). Они состоят из различных типов стекла Шотта (стеклянные фильтры представляют собой пористую пластинку, получаемую спеканием при высокой температуре стеклянного порошка определенной зернистости) с различной толщиной. В таблице 2 представлены характеристики всех фильтров линейки ND. 

Таблица 2 – Характеристики фильтров ND

Наименование фильтра

Целевая плотность @675 нм

Материал

Номинальная толщина, мм

Допуск, мм

ND-0.5-U

0.5

NG4

0.975

±0.05

ND-1-U

1

NG9

0.815

±0.05

ND-2-U

2

NG9

1.661

±0.05

ND-3-U

3

NG9

2.508

±0.05

ND-4-U

4

NG9

3.355

±0.05

ND-5-U

5

NG9

4.202

±0.05

При исследовании излучения с помощью камеры необходимо подобрать фильтр, а также подводить излучение к камере с некоторого расстояния. Сразу в упор подводить излучение не следует, особенно, если параметры выходного излучения неизвестны.


4. Программное обеспечение

Программное обеспечение оптимизировано под все камеры производителя, общий принцип работы одинаковый, что удобно для пользователей камер на разные диапазоны длин волн. Рассмотрим возможности программного обеспечения более подробно.

Диалоговое окно программного обеспечения разделено на семь условных частей (рис. 4):

  • Top – верхнее поле, в котором описываются основные параметры подключения, а также находятся основные настройки;
  • Left panel – левая панель, которая показывает геометрические параметры выходного пучка;
  • 2D image – поле для обзора излучения в формате 2D изображения;
  • 3D image – поле для обзора излучения в формате 3D изображения;
  • Palette bar – палитра изображения;
  • Slide controls – управление дополнительными параметрами;
  • Profiles – окно построения профиля.

Окно программного обеспечения камер DataRay.png

Рисунок 4 – Окно программного обеспечения камер DataRay

Для более детального понимая всего функционала программного обеспечения рассмотрим возможности каждой панели. 

4.1. Панель Top
В панели Top, как и в стандартных программных пакетах расположены основные настройки программного обеспечения. Так, в самом верху можно увидеть, что программа выносит основные параметры, установленные для камеры при исследуемом излучении (версия программного пакета, усреднение, время выдержки, установленный фильтр, длина волны, эффективный шаг пикселя, режим работы камеры). 

DataRay имеет мощный программный пакет, который покрывает универсальные возможности для анализа излучения, чтобы раскрыть каждую функцию остановимся немного подробнее на описании каждой иконки на рисунке 5. 

Настройки панели Top.pngРисунок 5 – Настройки панели Top

Верхняя часть панели Top состоит из строки меню, которая содержит различные всплывающие подменю. В таблице 3 содержится описание возможности каждого меню.

Таблица 3 – Описание возможностей меню в панели Top

Наименование меню

Возможности меню

File

 - Открытие ранее сохраненных файлов WinCamData (.wcf);

 - Сохранение файлов WinCamData (.wcf);

 - Сохранение и загрузка job файлов с настройками программного обеспечения (.ojf);

 - Сброс настроек до значений по умолчанию с помощью Load Defaults

Device

Выпадающее меню устройства используется для выбора устройств и их конфигураций. Хотя существуют варианты для других устройств DataRay, с WinCamD можно использовать четыре варианта.

Palettes

 - Настройки палитры по умолчанию

 - Пользовательский вариант палитры

 - Дополнительные параметры палитры

 *Более подробно описано в п. 4,5 данного обзора

Average

В этом раскрывающемся меню можно выбрать различные методы усреднения:

 - No Averaging – Усреднение не производится.

 - Average 2 – Усреднить два изображения.

 - Average 5 – Усреднить 5 изображений.

 - Average 10 – Усреднить 10 изображений.

 - Average 20 – Усреднить 20 изображений.

  • Continuous – Создает кадры, которые представляют собой среднее значение всех захваченных изображений, даже за пределами размера буфера изображений.

Filter

Выпадающее меню фильтра предлагает три метода фильтрации излучения:

 - Без фильтрации (для лучей размером менее 20 пикселей);

 - Процентная фильтрация: Функция треугольного сглаживания с утяжелением, выполняемая как плавное сглаживание профиля. Есть семь выбираемых настроек.

В настройках по умолчанию используется фильтр = 0,2% от полной шкалы. FWHM треугольного фильтра может быть рассчитана как:

формула fwhm.png

 - Фильтрация по площади: Фильтрация по площади применяет свертку к пикселям. В настоящее время они усредняют количество соседних пикселей, по умолчанию установлен фильтр по площади 1 пикселя.

Camera

Это подменю выбирает камеру для использования. Нужно в случае использования нескольких камер одновременно.

View

В этом меню есть четыре подменю:

  • Toolbar – При выборе отображается панель инструментов.
  • Status Bar – При выборе отображается панель состояния.
  • Open/Close Log Dialog [CTR L] – Открывает диалоговое окно “Контроль и состояние регистрации данных”.
  • Open M2 Dialog – Открывает диалоговое окно M2.

Setup

В данном меню можно задать параметры захвата излучения камерой, а также дополнительные параметры отображения программного обеспечения чтобы пользователю было удобнее пользоваться программой.

Support

Предоставляет удобные актуальные ссылки на следующие объекты:

  • DataRay.com
  • Обновление программного обеспечения
  • Регистрация продукта
  • Техподдержка
  • Мануал WinCamD

Кроме того, в раскрывающемся меню поддержки есть возможность установить драйверы USB 2.0 и USB 3.0.


Нижняя часть панели Top отображает панель инструментов, более подробно функция и описание представлены в таблице 4.


Таблица 4 – Описание инструментов в панели Top

Инструменты

Описание

Select Centroid Mode

Select Centroid Mode.png

Определяет положение перекрестия X, Y одним из нескольких способов:

  • Xc – Центроид для всех точек выше уровня отбрасывания с взвешиванием по мощности;
  • Xg – Геометрический центроид для всех точек выше установленного уровня центроида без какого-либо взвешивания по степени;
  • Xp – Устанавливает перекрестие на вершину;
  • Xu – Позволяет пользователю установить перекрестие, щелкнув любое место на 2D-изображении.

Normal and Fast Mode

Normal and Fast Mode.png

Обычный (N) и быстрый режим (F) позволяют переключать режим отображения для камер LCM. Когда кнопка N неактивна – обычный режим; Для луча выполняются стандартные и запрошенные пользователем расчеты. Это ограничивает скорость обновления изображения. Если выбрать F – частота обновления кадра будет высокой, однако этот режим не рекомендуется использовать часто, так как он может вызвать сбои в считывании изображения.

Go, Stop, Single Shot and Refind Cameras

Go, Stop, Single Shot and Refind Cameras.png

Следующие кнопки используются для получения изображений:

  • G – запускает захват изображений;
  • S – останавливает захват изображений;
  • 1 – запускает режим одиночного захвата изображения;
  • R – повторно находит камеры и другие устройства (при подключении нескольких устройств).

Lock Baseline

Lock Baseline.png

Кнопки Lock и Unlock позволяют заблокировать и разблокировать базовую линию. Используется для измерения лучей, превышающих размер датчика.

Normalized and Regular Images

Normalized and Regular Images.png

Чтобы нормализовать отображение 2D и 3D до 100%, нажмите левую кнопку. Правая кнопка отображает фактические значения (не работает с ранее сохраненными файлами).

Display Modes

Display Modes.png

Переключает различные способы вывода излучения:

  • X – Отображает только профиль X;
  • Y – Отображает только профиль Y;
  • B – Отображает оба профиля;
  • L – Убирает профили и 3D-изображение, чтобы отобразить большое 2D-изображение.

Background Subtraction

Background Subtraction.png

Позволяет вычесть фон изображения:

Чтобы вычитание фона проходило эффективно необходимо щелкнуть правой кнопкой мыши на поле времени экспозиции и отключить автоэкспонирование.

HyperCal

HyperCal.png

HyperCal - это метод вычитания фона для удаления нежелательных фоновых рисунков из измерений. Темный кадр с минимально возможным временем экспозиции будет сниматься каждые 16 кадров во время захвата данных в реальном времени и постоянно усредняется с предыдущими темными кадрами до среднего значения из 5 кадров. Этот постоянно обновляемый темный кадр вычитается из каждой полной экспозиции во время захвата данных в реальном времени, чтобы удалить нежелательные фоновые шумы. HyperCal также имеет преимущество удаления «цветущих» или «кометных хвостов».

Image Selection

Image Selection.png

Кнопка в виде матрицы открывает диалог, позволяющий выбрать изображение из буфера. Стрелки вперед и назад переключают текущее отображаемое изображение.

Reset Averaging

Reset Averaging.png

Сбрасывает среднее значение, если задействована опция усреднения.

M2

M2.png

Эта кнопка запускает измерение M2 (подробнее в п. 5 данного обзора)

Log Data

Log Data.png

При выборе этой кнопки откроется диалоговое окно «Data Logging Control & Status», которое позволяет настроить и вызвать регистрацию данных в различных форматах (например, текст и Excel).

Beam Wander

Beam Wander.png

Открывает диалоговое окно «Beam Wander», которое позволяет отслеживать положение центроида с течением времени.

Fluence

Fluence.png

Кнопка открывает диалоговое окно «Fluence», позволяющая настроить плотность потока энергии. Для использования диалогового окна необходимо установить относительную мощность излучения.

Image log

Image log.png

Сохраняет указанное количество кадров до 64 изображений с заданными интервалами от 1 до 5000 секунд и объединяет их в файл .wcf.

Line laser dialog

Line laser dialog.png

Открывает диалоговое окно линейного лазера для использования с системой профилирования линейного лазера (LLPS) компании DataRay.

Strip chart

Strip chart.png

Открывает диалоговое окно ленточной диаграммы для отображения данных с течением времени.

Панель инструментов обеспечивает быстрый доступ к нескольким элементам. Если элемент панели инструментов не может быть использован, он отображается серым цветом. Некоторые кнопки неактивны, в режиме измерения, однако при остановке измерения они становятся активными. Некоторые настройки выделены серым цветом в любом режиме работы камеры, это означает, что функция неприменима к данной модели камеры.


4.2. Панель Left

Положение параметров указанные с левой стороны образуют Left panel (рис. 6).

Кнопки уровня отсечения: Clip[a] / Clip[b] – сравнивают интенсивность пикселя с пиковой интенсивностью для определения отсечения для диаметров луча 2Wa (Clip[a]) и 2Wb (Clip[b]). Левой кнопкой мыши по кнопке Clip[a] или Clip[b] откроет диалоговое окно Clip Level Entry dialog box, которое позволяет изменять выбранный уровень. Условно говоря, данными кнопками можно отрегулировать метод измерения параметров выходного излучения: 1/e2 (измерение выходного излучения по уровню 13,5 % от максимального); FWHM (измерение выходного излучения по уровню 50 % от максимального (на полувысоте)) и измерение выходного излучения по уровню 86,5 % от максимального. 

Окно программного обеспечения камер.png

Рисунок 6 – Окно программного обеспечения камер DataRay

Зеленое поле с наименованием камеры означает ее статус работы. Всего три статуса: Not Present (камера не подключена), Ready (камера готова к использованию) или Running (камера работает). Геометрия, указанная ниже в сером поле описана в таблице 5.

Таблица 5 – Характеристики геометрии

Параметры

Описание

Major/Minor, um

Minor Данные сначала отсекаются в Clip[a], а затем используется метод ISO 11146 для определения ориентации луча. Как только ориентация найдена, диаметр балки по Major и Minor осям определяется с использованием метода уровня отсечки.

Mean, um

Mean – средний диаметр луча, основанный на Major и Minor диаметрах. При расчете учитываются большой и малый диаметры, поэтому среднее значение также справедливо для эллиптических лучей:

mean.png

Eff_2W, um

Рассчитывается как:

Eff_.png

Где Np – количество пикселей с интенсивностью выше установленного уровня отсечения (13.5% по умолчанию), Ap – площадь пикселя

Ellip.

Эллиптичность = 2W[minor] / 2W[major].

Orient., deg.

Угол между горизонтальной осью x и большой или малой осью, ближайший к горизонтальной оси x.

Crosshair, deg.

Угол между горизонтальной осью x и сплошной линией перекрестия

Xc, Yc

Xg, Yg

Xp, Yp

Xu, Yu

Расположение центра перекрестия (мкм) в декартовых координатах от центра всего датчика.

Доступны четыре различных режима для определения положения прицела: Xc (по умолчанию) использует взвешенную интенсивность пикселей. Xg устанавливает положение геометрического центра тяжести всех точек, интенсивность которых падает выше геометрического уровня отсечения. Xp устанавливает положение пикселя с наибольшей интенсивностью. Xu устанавливает позицию в координаты, выбранные пользователем; это выбирается щелчком мыши и может быть уточнено с помощью клавиш со стрелками.

Rc

Rg

Rp

Ru

Радиальное расстояние от центра полного датчика до центра текущего положения перекрестия.

Доступны четыре различных режима для определения положения прицела: Xc (по умолчанию) использует взвешенную интенсивность пикселей. Xg устанавливает положение геометрического центра тяжести всех точек, интенсивность которых падает выше геометрического уровня отсечения. Xp устанавливает положение пикселя с наибольшей интенсивностью. Xu устанавливает позицию в координаты, выбранные пользователем; это выбирается щелчком мыши и может быть уточнено с помощью клавиш со стрелками.

ADC Peak, %

Пиковый уровень изображения в процентах от диапазона АЦП, определяемый как пиковое значение для среднего значения любой L-образной группы из трех пикселей в изображении. Он представляет собой исходный уровень, рассчитанный до вычитания фона.

Plateau Uniformity

Значение от 0 до 1, обозначающее, насколько луч похожа на теоретически идеальный луч с плоским верхом.

Image zoom

Текущее масштабирование 2D-экрана.

Каждый параметр имеет дополнительные настройки, которые доступны пользователю при нажатии правой кнопкой мыши. Эти параметры позволяют выбрать координаты или сделать настройки более точными под параметр излучения.


4.3. 2D Image

Данное поле позволяет видеть 2D изображение выходного излучения от источника. В нижней части поля можно увидеть основный параметры (табл. 6), которые необходимы для анализа результата изображения (рис. 7). 

Поле 2D изображения.png

Рисунок 7 – Поле 2D изображения

Таблица 6 – Параметры изображения в 2D поле

Параметры

Описание

Image validity

Статус изображения: действительное или недействительное.

Good/Bad

Frame Count

Количество хороших и плохих кадров, сделанных с момента начала выборки.

HyperCal status

Показывает, включен ли HyperCal.

Baseline

Уровень входной мощности, вычитаемый алгоритмом.

Baseline STD

Стандартное отклонение от базовой линии.

Frame Rate

Количество кадров в секунду.

Frames averaged

Среднее количество кадров.

ADC Offset

Регулировка входного диапазона АЦП для уменьшения шума на выходе.

Область 2D поля можно менять, то есть если настроить размер поля меньше, то неиспользуемая часть всего поля будет подсвечиваться серым цветом.

Если нажать правой кнопкой мыши в данном поле, то выйдет дополнительное поле настроек, в котором доступно несколько вариантов сохранения изображения, вариация ориентации перекрестия осей, масштабирования изображения, а также настройки сетки изображения.  

Важно! Если статус изображения подсвечивается оранжевым цветом, это значит, что изображение недействительно. Следовательно, необходимо провести проверку подключения камеры и излучения.  

4.4. 3D Image

Область с 3D изображением можно изменить при использовании правой клавиши мыши (рис. 8). Доступно два варианты трехмерной картинки: Solid и Wire Mesh. В первом случае качество изображения выше, необходимо учитывать требования к процессору, в то время как для формата Wire Mesh нет жестких требований к процессору, при этом изображение низкого качества.

Настройка 3D области изображения.png

Рисунок 8 – Настройка 3D области изображения

Auto-Rotate отвечает за вращение изображения, данная функция полезна для демонстрации результата.

Restore Default View – восстанавливает настройки по умолчанию.

3D изображение можно сохранить и экспортировать двумя способами:

  • Copy to Clipboard – копирует изображение в буфер обмена
  • Save To Image – открывает диалоговое окно с параметрами для сохранения изображения в каталог.

4.5. Palette bar

Данное меню позволяет выбрать цветовую палитру, которая будет использоваться как для 2D-изображения, так и для 3D-изображения. В настоящее время существует четыре варианта палитры от производителя:

  • High color palette – палитра DataRay по умолчанию;
  • Monochrome palette – черно-белая палитра;
  • 32 color palette – палитра, в которой всего 32 цвета;
  • 10 color palette – палитра, в которой всего 10 цветов.

Помимо готовых вариантов палитры, пользователь может самостоятельно создать палитру, для этого параметры палитры должны быть сохранены в формате .CSV, и импортированы в программное обеспечение кнопкой «Import file».


4.6. Slide controls

Дополнительными параметрами изображения: полоса мощности, управление, усиление изображения и экспозиция, управление происходит на панели Slide controls (панель с «бегающим» управлением) (рис. 9).

Панель Slide controls.png

Рисунок 9 – Панель Slide controls

Функция автоматического масштабирования шкалы мощности показывает относительную мощность в виде прокручиваемой гистограммы из десяти выборок. Мощность рассчитывается как интеграл энергии изображения при фиксированной экспозиции. Мощность указывается в соответствии с измерительным прибором. При этом программное обеспечение распознает единицы измерения и если указать дБ или дБм, то оно перестраивается на работу в логарифмическом режиме.

Усиление изображения – это дополнительное усиление, которое можно применить к сигналу. Использование данной функции рекомендуется только для работы с импульсными лазерами, где увеличение времени экспозиции не является эффективным способом увеличения мощности сигнала. Увеличение усиления также приведет к увеличению шума в сигнале. Диапазон регулировки усиления зависит от камеры.

Управление экспозицией – позволяет контролировать и отображать время экспозиции. 

Функция управления необходима для работы с импульсным излучением. Для детектирования импульсного режима необходимо внимательно ознакомиться с руководством пользователя, чтобы подстроить режим работы камеры (Глава 6 Руководство пользователя). 


4.6. Profiles

Два окна профиля предоставляют информацию о луче вдоль каждой оси перекрестия. При щелчке правой кнопкой мыши на любом из отображаемых профилей открывается диалоговое окно «Profile Settings» (настройки профиля), с помощью которого настраивается поле профилей.

С профилями можно работать непосредственно во время измерений в программном обеспечении, а также при сохранении в отдельном файле. Анализ можно проводить в двух окошках одновременно, а также в одном из них, при необходимости.

Программное обеспечение DataRay предлагает два типа алгоритмов аппроксимации при отображении профиля. Первый – это подгонка по Гауссу, а вторая – подгонка Top-Hat. Для обоих алгоритмов подгонки необходимо отклонение Dj. Отклонение Dj определяется в каждой позиции j (0 ≤ j ≤ S) на профиле относительно подгонки по Гауссу или Top-Hat – в зависимости от выбранного алгоритма:

Отклонение Dj.png

где Fj – подогнанное значение, а Pj – значение профиля. Например, если Pj = Fj, то Dj = 0 %, а если Pj = 2Fj, то Dj = 100 %.


5. Измерение M2

Коэффициент качества луча M2 – это безразмерный параметр, который характеризует степень несовершенства реального лазерного луча. Чем ближе значение M2 к 1,0 (т.е. чем ближе луч к гауссовскому совершенству TEM00), тем ближе луч может быть сфокусирован до размера его пятна, ограниченного дифракцией.

Из-за ограничений оптического резонатора, среды генерации и, или выходной и, или вспомогательной оптики, большинство лучей не являются “идеальными”, ограниченными дифракцией, с гауссовым профилем и чистой модой TEM00, Сложные лучи могут содержать несколько вкладов TEMxy, что приводит к высоким значениям M2.

В простейшем случае M2 может быть определен как: отношение расходимости фактического луча к расходимости теоретического, ограниченного дифракцией луча TEM00 с тем же диаметром перетяжки:

определение качества пучка.png

где Θ – это измеренная полноугольная расходимость реального луча в дальней зоне, а θ – это теоретическая расходимость в дальней зоне “идеального” гауссова луча TEM00, который имеет такой же диаметр перетяжки, что и измеряемый луч.

расходимость.png

где λ длина волны пучка, а W0 - радиус перетяжки второго момента пучка (2σ). Форма кривой M2 – гиперболическая и определяется формулой:

форма кривой М2.png

где zR – длина Рэлея, определяемая как расстояние, на котором диаметр луча на √ 2?больше, чем диаметр в перетяжке. zR может быть рассчитано, как:

длина Рэлея.png

Определение M2 как измеренного диаметра:

определние М2 как измерение диаметра.png

Максимальный диаметр входного луча для различных длин волн.png

Рисунок 10 – Максимальный диаметр входного луча для различных длин волн

Международный стандарт: «Лазеры и связанное с лазером оборудование. методы тестирования для параметров лазерного луча. ширины луча, угол расхождения и фактор распространения луча (ISO 11146:1999)» требует, чтобы учитывались следующие параметры:

  • Использование второго момента (4σ или дисперсии) для определения диаметра пучка;
  • Усреднение 5 измерений в каждой позиции по z;
  • Минимум десять измерений по z. «... половина из них должна быть распределена в пределах одной длины Рэлея по обе стороны от перетяжки луча, а половина из них должна быть распределена за пределами двух длин Рэлея от перетяжки луча.» (DataRay предлагает от 10 до 60 измерений по z). В данном случае полагаем, что, в пределах одной длины Рэлея это |z| < zR, и за пределами двух длин Рэлея – это |z| > 2zR.

Для равноотстоящих измерений по z и изначально неизвестного положения перетяжки пучка эти требования стандарта к положению образца удовлетворяют как минимум 18-ти измерениям с интервалами zR/3 вокруг перетяжки, например, с 3zR по +2.67zR. Чтобы обеспечить пространственную выборку фактического диаметра перетяжки пучка с точностью до 1 %, требуется выборка z вокруг перетяжки пучка, которая должна располагаться с интервалом zR/3.5. (Для равноотстоящих образцов образцы в диапазоне zR до 2zR являются дополнительными к конкретным требованиям стандарта, но все же могут использоваться в расчетах).

  • Гиперболическая аппроксимация данных методом наименьших квадратов. 

Данная система профилирования выходного излучения находится в лаборатории ЛЛС и ее можно взять на тест.

Оборудование протестировано инженерами АО «ЛЛС» и при наличии дополнительных вопросов – просим обратиться к специалистам компании. 


Понравилось?
Обязательно поделитесь статьей в социальных сетях!
Связаться с инженером Бесплатный звонок