Qual è la differenza? Dimensione del fascio vs. apertura libera

Comprendere la progettazione dei sistemi a raggio laser: dimensione del raggio e apertura libera

Per la configurazione dei sistemi, è importante comprendere la progettazione dei sistemi a raggio laser che utilizzano la tecnologia di orientamento del raggio. Più specificamente, l’abbinamento di un sistema di orientamento del raggio con un laser è fondamentale. Durante la configurazione, è essenziale allineare l’apertura libera del sistema di orientamento del raggio con la dimensione del raggio del laser. Ciò solleva spesso la questione del rapporto tra dimensione del raggio e apertura libera. Analizziamo questo argomento in questo post del blog e vi aiutiamo a effettuare i calcoli corretti.

Configurazione dei sistemi a raggio laser

Esistono molti malintesi riguardo alla configurazione di un laser e di un sistema di orientamento del raggio. Il malinteso più comune è che il valore dell’apertura libera debba essere pari alla dimensione massima consentita del raggio laser. I componenti ottici presentano un parametro noto come apertura libera, che definisce rigorosamente le prestazioni ottiche all’interno di tale apertura. Le prestazioni ottiche al di fuori dell’apertura libera non sono specificate. Un’illuminazione significativa oltre questo limite non solo causa una perdita di potenza, ma provoca anche i seguenti effetti sui componenti ottici:

1. Deformazione dell’ottica a causa di un surriscaldamento eccessivo
2. Variazione dell’indice di rifrazione in funzione della temperatura (solo ottiche trasmissive)
3. Delaminazione tra il rivestimento e il substrato
4. Luce parassita che può danneggiare altri componenti del sistema

Dimensione del fascio rispetto all’apertura libera: il profilo gaussiano

In genere, i laser emettono fasci di forma circolare con un profilo gaussiano. Applicando tecnologie di modellazione del fascio, il profilo gaussiano può essere trasformato in un profilo uniforme (a cilindro), con il fascio in uscita modellato in forma quadrata, rettangolare, ecc. La dimensione del fascio per un parametro uniforme è semplice da determinare (vedi figura sotto). La misurazione del diametro del fascio con profilo gaussiano è invece più soggettiva e dipende in larga misura dalla metodologia seguita. Tra i diversi criteri utilizzati per indicare la dimensione di un fascio gaussiano figurano: D4σ, 10/90 o 20/80 “knife-edge”,^1/e², FWHM e D86. Tra questi,^1/e² e FWHM (larghezza a metà altezza) sono quelli più comunemente utilizzati. È importante comprendere il profilo e la dimensione del raggio laser. Infatti, lo stesso raggio laser avrà una dimensione diversa a seconda della^{definizione utilizzata¹}.

Dimensioni del fascio diverse

Cosa succede quando la stessa apertura libera viene applicata a diverse dimensioni del fascio? È piuttosto semplice, come illustrato nella figura sottostante. Se il fascio laser supera i limiti dell’apertura libera, la parte esterna del fascio verrà troncata. Il che ci porta alla domanda successiva: quale diametro del fascio si dovrebbe applicare per una determinata apertura libera?

Approfondendo un po’ le equazioni matematiche e utilizzando^come esempio un tipico fascio gaussiano con una dimensione del fascio definita da^1/e² , possiamo garantire una perdita di potenza inferiore all’1% dovuta al taglio del fascio. Si vedano le formule riportate di seguito:

Pertanto, il diametro del fascio incidente sull’apertura dovrebbe essere:

 E con lo stesso calcolo per garantire una perdita di potenza <10%, l’apertura libera dovrebbe essere almeno 1,07 volte più grande della dimensione^{del fascio 1/e²}; per una perdita di potenza inferiore al 5%, dovrebbe essere pari a 1,22; e per una perdita di potenza inferiore allo 0,1%, dovrebbe essere pari a 1,86.   È importante notare che, poiché il valore della dimensione del fascio laser definito da^{1/e² è}approssimativamente 1,7 volte il diametro definito dall’FWHM, i calcoli relativi alla dimensione appropriata del fascio e ai rapporti dell’apertura libera possono essere effettuati sulla base degli esempi sopra riportati.   In questo caso, definiamo la dimensione del fascio in termini di FWHM utilizzando come esempio un fascio gaussiano. Per garantire una perdita di potenza <1% dovuta al clipping del fascio, l’apertura libera dovrebbe essere:  

Importanza della dimensione del raggio laser

Un altro punto da chiarire riguarda il tipico malinteso secondo cui la dimensione del fascio laser in ingresso dovrebbe essere esattamente uguale all’apertura libera. Applicando la stessa formula e supponendo che la dimensione del fascio sia definita da^1/e², si corre il rischio di clipping del 13,5% della potenza. È fondamentale notare che la quantità di potenza che fuoriesce dagli specchi non solo causerà surriscaldamento, delaminazione, bruciatura dei rivestimenti e dispersione della luce, come menzionato in precedenza, ma si depositerà anche sulle parti interne all’alloggiamento della testina di scansione o verrà assorbita dall’anello di fissaggio della lente DFM (con colla) e dal supporto della lente DFM. In entrambi i casi, ciò causerà gravi danni ai sistemi attuali durante l’integrazione ed è particolarmente importante quando si lavora con un laser ad alta potenza. Infine, ma non meno importante, i calcoli di cui sopra presuppongono un allineamento perfetto. Se sono presenti effettivi errori di allineamento, è opportuno considerare di lasciare alcuni margini di sicurezza. .

Ricordate le differenze tra dimensione del fascio e apertura libera

In conclusione, ricordate sempre che la definizione di dimensione del fascio in ingresso e quella di dimensione dell’apertura libera NON sono la stessa cosa. Se si commette questo errore, si può verificare un clipping di potenza imprevisto che influirà negativamente sul sistema durante l’integrazione, causando malfunzionamenti o addirittura l’esplosione del sistema. Quando gli utenti acquistano da noi una soluzione per la deviazione del raggio laser, forniamo le informazioni relative all’apertura libera, mentre la definizione della dimensione del raggio laser dovrebbe essere riportata nella scheda tecnica del laser. Inoltre, la scheda tecnica del laser potrebbe fornire anche le specifiche di allineamento, quali la posizione di uscita del raggio e l’errore di puntamento. Se tali dati non sono forniti, assicuratevi di verificare con il produttore del laser per confermare questi parametri al fine di ottenere le migliori prestazioni. Avendo testato e integrato con successo diversi sistemi in molteplici applicazioni, possiamo garantire che queste raccomandazioni contribuiranno a chiarire eventuali confusioni e a prevenire danni futuri.

1. Alcuni laser possono presentare un profilo di irradianza centrale che si avvicina molto a un profilo gaussiano, ma contengono anche “lobi” aggiuntivi di irradianza ai margini. Ad alta potenza, questi lobi possono essere significativi e devono essere presi in considerazione.