¿Cuál es la diferencia? Tamaño del haz frente a apertura útil

Comprender los diseños de los sistemas de rayo láser: Tamaño del rayo frente a apertura libre

A la hora de configurar un sistema, es importante comprender el diseño de los sistemas de haz láser que utilizan tecnología de orientación del haz. Más concretamente, resulta fundamental combinar un conjunto de orientación del haz con un láser. Durante la configuración, es fundamental alinear la apertura libre del conjunto de orientación del haz con el tamaño del haz del láser. Esto suele plantear la duda entre el tamaño del haz y la apertura libre. Analicemos esta cuestión en esta entrada del blog y le ayudaremos a realizar los cálculos adecuados.

Configuración de sistemas de haz láser

Existen muchos conceptos erróneos sobre la configuración de un láser y un sistema de orientación del haz. El error más común es pensar que el valor de la apertura libre debe ser igual al tamaño máximo permitido del haz láser. Los componentes ópticos tienen un parámetro conocido como «apertura libre», que define estrictamente el rendimiento óptico dentro de dicha apertura. El rendimiento óptico fuera de la apertura libre no está especificado. Una iluminación significativa más allá de este límite no solo provoca una pérdida de potencia, sino que también hace que la óptica sufra lo siguiente:

1. Deformación de la óptica debido a un calentamiento excesivo
2. Cambio en el índice de refracción con la temperatura (solo en ópticas transmisivas)
3. Deslaminación entre el recubrimiento y el sustrato
4. Luz parásita que puede dañar otros componentes del sistema

Tamaño del haz frente a la apertura libre: el perfil gaussiano

Normalmente, los láseres emiten haces de forma circular con un perfil gaussiano. Mediante la aplicación de tecnologías de modelado del haz, el perfil gaussiano puede transformarse en un perfil uniforme (de sombrero de copa), con el haz de salida con forma cuadrada, rectangular, etc. El tamaño del haz para un parámetro uniforme es sencillo de determinar (véase la figura siguiente). Por su parte, la medición del diámetro del haz de perfil gaussiano es más subjetiva y depende en gran medida de la metodología que se siga. Algunos de los diferentes criterios utilizados para expresar el tamaño de un haz gaussiano son: D4σ, borde de cuchilla 10/90 o 20/80,^1/e², FWHM y D86. De ellos,^1/e² y FWHM (ancho a la mitad del máximo) son los más utilizados. Es importante comprender el perfil y el tamaño del haz láser. De hecho, un mismo haz láser tendrá un tamaño diferente según su^{definición¹}.

Diferentes tamaños de haz

¿Qué ocurre cuando se aplica la misma apertura libre a diferentes tamaños de haz? Es bastante sencillo, tal y como se muestra en la figura siguiente. Si el haz láser desborda la apertura libre, se recortará la parte del anillo exterior del haz láser. Lo que nos lleva a la siguiente pregunta: ¿qué diámetro de haz se debe aplicar para una determinada apertura libre?

Si profundizamos un poco más en las ecuaciones matemáticas y tomamos^como ejemplo un haz gaussiano típico cuyo tamaño viene definido por^1/e² , podemos garantizar una pérdida de potencia inferior al 1 % debida al recorte del haz. Véanse las fórmulas siguientes:

Por lo tanto, el diámetro del haz incidente en la apertura debería ser:

 Y, con el mismo cálculo para garantizar una pérdida de potencia inferior al 10 %, la apertura libre debería ser al menos 1,07 veces mayor que el tamaño^{del haz 1/e²}; para una pérdida de potencia inferior al 5 %, debería ser 1,22; y para una pérdida de potencia inferior al 0,1 %, debería ser 1,86.   Es importante señalar que, dado que el valor del tamaño del haz láser definido por^{1/e² es}aproximadamente 1,7 veces el diámetro definido por el FWHM, los cálculos para determinar el tamaño adecuado del haz y las relaciones de apertura libre pueden realizarse a partir de los ejemplos anteriores.   En este caso, definimos el tamaño del haz en términos de FWHM tomando como ejemplo un haz gaussiano. Para garantizar una pérdida de potencia inferior al 1 % debida al recorte del haz, la apertura libre debería ser:  

Importancia del tamaño del haz láser

Otro punto que hay que aclarar es la idea errónea habitual de que el tamaño del haz láser de entrada sea exactamente igual a la apertura libre. Si se aplica la misma fórmula y se supone que el tamaño del haz viene definido por^1/e², se corre el riesgo de recortar un 13,5 % de la potencia. Es fundamental tener en cuenta que la potencia que se escapa por los espejos no solo provocará calentamiento, delaminación, quemaduras en los recubrimientos y dispersión de la luz, como se ha mencionado anteriormente, sino que también se depositará en las piezas internas del recinto del cabezal de escaneo o será absorbida por el anillo de sujeción de la lente DFM (con pegamento) y el soporte de la lente DFM. En cualquiera de los dos casos, esto causará daños importantes a los sistemas actuales durante la integración, lo cual es especialmente importante cuando se trabaja con un láser de alta potencia. Por último, pero no menos importante, los cálculos anteriores parten de la base de una alineación perfecta. Si existen errores de alineación reales, se debe considerar dejar algunos márgenes.

Recuerda las diferencias entre el tamaño del haz y la apertura libre

En conclusión, recuerde siempre que la definición del tamaño del haz de entrada y la del tamaño de la apertura libre NO es la misma. Si se confunden ambos conceptos, puede producirse un recorte de potencia inesperado que afectará negativamente a su sistema durante la integración, provocando fallos de funcionamiento o incluso una explosión del sistema. Cuando los usuarios nos compran una solución de orientación del haz láser, les proporcionamos la información sobre la apertura libre, mientras que la definición del tamaño del haz láser debería figurar en la ficha técnica del láser. Además, la ficha técnica del láser también puede incluir especificaciones de alineación, como la posición de salida del láser y el error de apuntado. Si no se facilitan estos datos, asegúrese de consultar con el fabricante del láser para confirmar estos parámetros con el fin de obtener el mejor rendimiento. Tras haber probado e integrado con éxito diferentes sistemas en múltiples aplicaciones, podemos garantizar que estas recomendaciones ayudarán a aclarar cualquier confusión y a prevenir daños futuros.

1. Algunos láseres pueden presentar un perfil de irradiancia central que se asemeja mucho a un perfil gaussiano, pero que también contiene «lóbulos» adicionales de irradiancia en los extremos. A alta potencia, estos lóbulos pueden ser significativos y deben tenerse en cuenta.