تأثیر پالس های لیزری فوق کوتاه در اپتیک شکل دهی باریکه
از زمانی که لیزرهای پالسی فوق کوتاه[1] (USP)، لیزرهای فوق سریع نیز نامیده می شوند، در کاربردهای صنعتی متداول شده اند، کاربردهای شکل دهی باریکه[2] با استفاده از المان های اپتیکی پراشی[3] DOEs)) بسیار چالش انگیز شده است؛ مخصوصاً از زمانی که لیزرهای فمتوثانیه بسیار سریع، جایگزین لیزرهای USP پالسی نانوثانیه ای شده اند.
تأثیر پالس های لیزری فوق کوتاه در اپتیک شکل دهی باریکه
 
از زمانی که لیزرهای پالسی فوق کوتاه[1] (USP)، لیزرهای فوق سریع نیز نامیده می شوند، در کاربردهای صنعتی متداول شده اند، کاربردهای شکل دهی باریکه[2] با استفاده از المان های اپتیکی پراشی[3] DOEs)) بسیار چالش انگیز شده است؛ مخصوصاً از زمانی که لیزرهای فمتوثانیه بسیار سریع، جایگزین لیزرهای USP پالسی نانوثانیه ای شده اند.
با استفاده از نرم افزار شبیه سازی فیزیکی- اپتیکی VirtualLab که توسط شرکت بین المللی LightTrans آلمان تولید شده است (www.lighttrans.com) و بسیاری از انواع DOE (شامل تقسیم کننده ها[4] و شکل دهنده های[5] باریکه اپتیکی) را در خود جای داده است، تیمی از محققین در مورد اثر لیزرهای USP بر عملکرد DOE تحقیق کرده اند. نتایج تحقیقات بدین صورت بوده است که اثرات بر روی اغلب DOE های شکل دهنده باریکه قابل چشم پوشی بوده است اما در تقسیم کننده های باریکه با زاویه بزرگ مانند توری های پراش، اثرات رنگی نامطلوب قابل توجهی مشاهده شده است.

 
شکل 1- برای یک عدسی پیچشی[6] (a) با m=1 و قطر باریکه فرودی 4 میلیمتر، خروجی برای (b) یک پالس گوسین 800 نانومتر و (c) یک پالس لیزر فوق کوتاه 100 فمتوثانیه­ مقایسه شده است. اختلاف بسیار جزئی مشاهده می شود.

اساس DOE

در بسیاری از کاربردها، DOE برای انجام یکسری عملکرد اپتیکی خاص که توسط المان های بازتابی یا شکستی معمول امکان پذیر نیست، بکار گرفته می شوند. در مقایسه با المان های عبوری شکستی بعضی از مزایای DOE­ ها شامل رد اثر[7] جزئی، عملکرد اپتیکی چندگانه بر روی یک المان، دقت زاویه­ ای بالا، ضخامت کم و پاشندگی زمانی کم است.
نحوه عملکرد بدین صورت است: برای یک باریکه فرودی موازی، باریکه خروجی، DOE را با شدت و زاویه جداسازی مشخص طراحی شده ترک می کند. بوسیله شکل دهنده های باریکه، باریکه لیزر به صورت لکه ای که اندازه و شکل آن مهندسی شده است، متمرکز می شود. کاربردهای متداول DOE شامل سیستم های پزشکی، علم اندازه گیری، کاربردهای علمی- تحقیقاتی و به خصوص تکنیک های شکل دهی و همگن سازی باریکه مورد نیاز در فرآوری مواد است [1].
علی رغم اینکه DOE ها همه کاره و مقاوم هستند، به شدت چندفامی بوده و عملکردشان به طول موج نور وابسته است [2]. این امر زمانی بارزتر است که با لیزرهای USP کار شود؛ زیرا این گونه لیزرها ممکن است بدلیل عرض پالس کوتاهشان، مشخصه طیفی غیرمعمول داشته باشند. بازه طیفی وسیع USP در هنگام استفاده از DOE ها می تواند بر شکل دهی باریکه اثرگذار باشد زیرا طول موج آن ها با طول موج کاری که DOE برای آن طراحی شده، متفاوت است. این امر ایجاب می کند که شبیه سازی را برای طیف گسترده ای از طول موج انجام داده تا شکل لکه نهایی پیش بینی شود.
بر اساس تئوری فوریه، هرچقدر عرض پالس از نظر زمانی کوتاهتر باشد، پهنای طیفی در حوزه فرکانسی بزرگتر است. این امر سبب می شود لیزرهای USP اثرات پاشندگی رنگی وابسته به زمان از خود نشان دهند. برای یک پالس گوسین با طول موج مرکزی 800 نانومتر، پهن شدگی معمول پالس برای یک پالس 1000 فمتوثانیه، 1 نانومتر و برای یک پالس 100 فمتوثانیه، 10 نانومتر است.

شکل دهی و تقسیم باریکه

محصولات DOE به دو خانواده اصلی دسته بندی می شوند: تقسیم کننده های باریکه و شکل دهنده های باریکه. تقسیم کننده های باریکه، DOE هایی هستند که برای تقسیم یک باریکه لیزری به چندین باریکه با توان و زاویه انتشار مختلف، بکار می روند. تقسیم کننده باریکه بر اساس الگوی پراش سطح قطعه، می تواند یک آرایه یک بعدی از باریکه (1×N) و یا یک ماتریس دو بعدی از باریکه­ (M×N) ایجاد کند. تقسیم کننده های نوری برای نور تکفام بکار می روند و برای یک طول موج و زاویه جداسازی مشخص بین باریکه های خروجی طراحی می شوند.   
شکل دهنده های باریکه نوری، DOE هایی هستند که برای تبدیل باریکه لیزر فرودی با پروفایل نزدیک به گوسین به لکه ای با توزیع شدت دایره ای، مستطیلی، مربعی، خطی و یا اشکال دیگر با لبه های تیز در صفحه کاری بکار می روند. توزیع شدت یکنواخت که توسط شکل دهنده های باریکه بدست می آید، تابش همگنی بر روی سطح ایجاد می کند و هیچ قسمت از صفحه کاری در معرض تابش بیشتر یا کمتر قرار نمی گیرند. علاوه بر این، لکه دارای یک ناحیه عبور تیز است که مرز مشخصی بین ناحیه در حال کار و غیرکاری ایجاد می کند. شکل دهنده های باریکه شامل همگن سازها، بالا تخت[8] ها، عدسی های پیچشی (صفحات فازی مارپیچی) و اکسیکونهای پراشی[9] است.
تقسیم کننده و شکل دهنده های باریکه برای باریکه های ورودی تک مدی[10] (SM) و چند مدی[11] (MM) قابل استفاده هستند و همچنین در سیستم های لیزری پرتوان بکار گرفته می شوند؛ این امر به دلیل استفاده از موادی مانند فیوز سیلیکا، زینک سلناید (ZnSe) و سفایر است که آستانه تخریب بالایی دارند.  
شکل 2- (a) یک اکسیکون پراشی بر مبنای اصول ساده ردیابی پرتو یک حلقه ایجاد می کند؛ اینکه پالس ورودی به DOE اکسیکون یک پالس گوسین 800 نانومتر باشد (b) و یا یک USP 100 فمتوثانیه ای (c)، خروجی از اکسیکون برای دو پالس اختلاف جزئی دارد.
 

تأثیر USP در شکل دهی باریکه

وقتی نور لیزر USP با پالسهای فوق کوتاه در حد چند فمتوثانیه از یک DOE تقسیم کننده باریکه با ساختار شبیه توری تناوبی عبور می کند، پدیده های متفاوت بسیاری از قبیل لکه های بیضی شکل نسبت به لکه های دایروی شکل، اندازه لکه بزرگتر و یا قرار گرفتن بیشتر توان در مرتبه صفر[12]، ممکن است مشاهده شود.
یک DOE تقسیم کننده باریکه برای یک طول موج مشخص λ1 طراحی و ساخته می شود. فاز آن در فضا قابل تکرار است و بنابراین یک ساختار توری شکل تناوبی را شکل می دهد. زمانی که طول موج متفاوت λ2 استفاده شود، زاویه پراش طبق معادله توری تغییر می کند.
برای زوایای پراش کوچک θ (زوایای کوچکتر از 12 درجه)، رابطه بین زاویه پراش و طول موج مربوطه، به صورت زیر تعریف شده است:

Δd = ƒ · (θλ1 - θλ2) = ƒ · θλ1 · (1 - λ1 / λ2)
که Δd انحراف از مراکز لکه برای λ1  و λ2، f فاصله کانونی عدسی مورد استفاده وθλi  زاویه پراش مربوط به طول موج λi است. طبق معادله، هر طول موج دارای زاویه پراش متفاوت است و بنابراین لکه متناظر با آن در یک موقعیت نسبتاً متفاوتی قرار می گیرد. اگر مرتبه بزرگی انحراف مرکزی مشابه با اندازه لکه در صفحه کانونی باشد، لکه بیضوی می شود.
این بیضوی بودن برای یک بازه طول موجی وسیعتر (یا عرض پالس کوتاهتر) بیشتر می شود؛ زیرا هر طول موجی از طیف پالس زاویه پراش متفاوتی دارد.
همانطور که می دانید مرتبه صفر (آن بخشی از نور که بدون پراش از میان DOE عبور می کند) وابسته به طول موج است. بنابراین وقتی از یک USP استفاده می شود، می توان یک مرتبه صفر قابل توجهی مشاهده کرد.
با استفاده از شبیه سازی های نرم افزار VirtualLab، اثرات USP در انواع مختلفی از DOE ها مورد مطالعه قرار گرفت. برای هر شبیه سازی DOE، یک چیدمان اپتیکی که شامل یک منبع گوسین (با یک طول موج یا طیفی از طول موجها)، یک DOE، یک عدسی کانونی کننده غیر حساس به طول موج[13] و یک صفحه فرضی در محل کانون برای نشان دادن نتایج، طراحی و قرار داده شد. سپس نور از میان چیدمان با استفاده از انتشار ردیابی پرتو کلاسیک منتشر می شود (بوسیله یک ابزار انتشار اپتیکی-فیزیکی میدان دور). برای اهداف نمایشی، قطرهای متفاوتی از باریکه ورودی انتخاب می شوند تا تمام نتایج امکانپذیر، نمایش داده شوند.

عدسی های پیچشی (حلقوی)

این عدسی ها که صفحات فازی مارپیچی نیز نامیده می شوند، شکل باریکه ورودی گوسین را به شکل دونات و یا حلقه انرژی مربعی تبدیل می کنند. کاربردهای متداول عدسی پیچشی شامل به دام اندازی اپتیکی[14]، اپتیک کوانتومی و میکروسکوپی دقیق است.
صفحه فازی مارپیچی، یک المان اپتیکی منحصر به فرد است که ساختار آن از مارپیچ ها یا پله های فازی پیچ مانند تشکیل شده است و هدف آن کنترل فاز باریکه عبوری است. مکان در این صفحه، که در کتاب ها با حرف m شناخته می شود، به تعداد سیکل های 2π که در هر یک سطح پراش را به صورت دورهای ۳۶۰ درجه ای اچ[15] می کند، اشاره دارد. 
برای یک عدسی پیچشی با m=1، شبیه سازی های VirtualLab بدون توجه به اینکه پالس فرودی گوسین است یا یک پالس فوق کوتاه 100 فمتوثانیه ای، اثر اندکی بر روی DOE نشان می دهد (شکل 1). برای المان های با تقارن دایروی، شدت در سرتاسر لکه حلقوی توزیع می شود که مشاهده هرگونه تغییر در اندازه لکه را غیر ممکن می سازد. به عبارت دیگر، تغییرات در صفحه سمتی رخ نمی دهند بلکه در صفحه شعاعی اتفاق می افتد (که این تغییرات به شکل گیری لکه مربوط نمی شود). همچنین از آنجا که اینها یک ساختار تناوبی نیستند، اثراتی مانند بیضوی بودن و یا مرتبه صفر، مشاهده نمی شود.

اکسیکون ­های پراشی

یک اکسیکون، باریکه لیزری را به شکل حلقوی تبدیل می کند (با توزیع شدت بسل در میدان نزدیک). همچنین یک چشمه نقطه ای را به یک خط در طول محور اپتیکی تصویر می کند و عمق فوکوس را افزایش می دهد. اکسیکونهای پراشی بدلیل ویژگی های خاصشان، در کاربردهای زیادی مانند به دام اندازی اتمی، تلسکوپ ها و سوراخ کاری لیزری مورد استفاده قرار می گیرند.
خروجی اکسیکون پراشی نیز مانند عدسی های پیچشی بر حسب اینکه باریکه ورودی گوسین و یا فوق کوتاه باشد، تغییرات بسیار جزئی نشان می دهد (شکل 2). شبیه سازی با استفاده از نرم افزار VirtualLab و آزمایشات تجربی به نتایج مشابهی در عدسی های پیچشی اشاره می کند یعنی هیچ مرتبه صفری و هیچ تغییری در اندازه و شکل لکه ها ایجاد نمی شود.

شکل دهنده های بالا-تخت

شکل دهنده های بالا-تخت برای تبدیل یک باریکه فرودی لیزری نزدیک به گوسین به لکه ای با توزیع شدت یکنواخت (تخت) به صورت دایروی، مستطیلی، مربعی، خطی و یا شکل های دیگر با لبه های تیز در صفحه کاری استفاده می شوند. کاربردهای رایج آن عمدتاً فرآوری مواد مانند کنده کاری لیزری[16]، جوشکاری لیزری و حکاکی برای نمایشگرهای لیزری و نیز فیلترهای سیگار و کاربردهای لیزر در پزشکی و زیبایی است.
به منظور عملکرد بهینه شکل دهنده باریکه، خروجی لیزر باید تک مد (TEM00) با کیفیت باریکه (M2) کمتر از 1.3 باشد. این نوع DOE بالا-تخت برای ورودی های لیزر USP منجر به تغییرات بسیار جزئی در ابعاد لکه شکل گرفته می شود (شکل 3). چنین تغییراتی فقط در لبه های لکه و نه در مرکز آن، ایجاد می شود.

شکل 3- (a) DOE های بالا تخت، باریکه گوسین را به پروفایل بالا تخت مربعی/دایروی (توزیع شدت یکنواخت در کل صفحه) تبدیل می کنند. (b) باریکه خروجی بالا تخت زمانی که باریکه ورودی گوسین 800 نانومتر به یک DOE 0.1×0.1 میلیمتر برخورد می کند و (c) زمانی که باریکه ورودی یک USP 100 فمتوثانیه ای است. در اینجا یک اختلاف 1.05% در ابعاد فیزیکی شکل لکه مشاهده می شود.

تقسیم کننده های چند لکه ­ای

در یک تقسیم کننده 1×2 (دو لکه ای)، از یک DOE برپایه توری با ساختاری تناوبی استفاده شده است. به طور کلی، تقسیم کننده های باریکه در کاربردهای زیادی از قبیل لیتوگرافی، سوراخکاری، برش ظریف، علامت گذاری و دیگر کاربردهای فرآوری مواد استفاده می شوند.
 
شکل 4- برای یک تقسیم کننده باریکه 1×2 با ساختار تناوبی 100 میکرون، خروجی ها برای (a) یک پالس ورودی گوسین 800 نانومتری، (b) یک USP 100 فمتوثانیه ای و (c) یک USP 5 فمتوثانیه ای، با قطر باریکه ورودی 0.4 میلیمتر، متفاوت است. نتایج خروجی همچنین برای یک DOE چند لکه ای با ساختار تناوبی 78.25 میکرون برای (d) باریکه گوسین، (e) USP 100 فمتوثانیه ای و (f) USP 5 فمتوثانیه ای با قطر باریکه ورودی 5 میلیمتر نشان داده شده است.
 
ساختار M×N بر روی ورودی های لیزر USP (مثلاً 5 فمتوثانیه ای) و یا لیزرهای با واگرایی بالا، یک لکه بیضی گون در خروجی DOE ایجاد کرده (در حالی که به طور معمول دایروی شکل می شود) و یک مرتبه صفر آشکار در مرکز لکه نشان می دهد (شکل 4). از آنجا که این ساختار یک توری پراش تناوبی است، هر طول موج بر اساس معادله توری زیر پراشیده می شود:
dsin (θm) = m · λ
که d فاصله بین شکاف ها، θm زاویه پراش طول موج λm، m مرتبه پراش و λ طول موج اعمالی است. وقتی از یک لیزر USP با چندین طول موج استفاده می شود، هر طول موج زاویه پراش متفاوتی دارد و در مکان متفاوتی قرار می گیرد. بنابراین انتظار داریم لکه ها بجای دایروی متقارن، بیضی شکل شوند.
اثر دیگر، مرتبه صفر افزایش یافته است که همانطور که قبلاً گفته شد به طول موج وابسته است. وقتی طول موجی متفاوت از طول موجی که یک DOE برای آن طراحی شده استفاده می شود، باید انتظار داشت که مرتبه صفر در طرح مشاهده شود. این اثر برای تعداد زوج لکه ها که مرتبه صفر بخشی از طرح نیست، اهمیت بیشتری دارد (برخلاف تعداد فرد لکه ها).
بر اساس نتایج شبیه سازی، ورودی ­های لیزر USP تأثیر اندکی در انواع DOE ها دارند، مگر اینکه پالس ها بسیار کوتاه باشند (چند فمتوثانیه). با این حال، کیفیت باریکه لیزر USP باید مورد توجه قرار گیرد. در یک لیزر چند مد، پارامتر M2 بیشتر از یک لیزر تک مد است که پدیده چند لکه ای شدن باریکه را کاهش می دهد و اثر بیضی گون شدن لکه در تقسیم کننده های باریکه با زاویه بزرگ را پنهان می کند. بیضی گون بودن باریکه ورودی در شکل لکه خروجی اثر می گذارد (شکل لکه بیشتر کشیده می شود تا دایروی)، و همچنین قطر باریکه بر اندازه لکه و زوایای جداسازی اثر دارد.
 
References
1. E. J. Hulbert, "What is ultrashort pulse laser technology? Applications of ultra-short laser pulses," Femtotechnology News (Oct. 30, 2014); https://goo.gl/mZzCpn.
2. See https://goo.gl/dXXkRf.
 
Source: http://www.laserfocusworld.com/articles/print/volume-53/issue-09/features/diffractive-optics-how-ultrashort-laser-pulses-influence-beam-shaping-optics.html
 
 

[1] Ultrashort-Pulse
[2] Beam-Shaping
[3] Diffractive Optical Elements
[4] Beamsplitters
[5] Beam Shapers
[6] Vortex Lens
[7] Footprint
[8] Top-hat
[9] Diffractive Axicon
[10] Single-mode
[11] Multimode
[12] Zero Order
[13] Achromatic
[14] Optical trapping
[15] Etched
[16] Laser Ablation
 
منبع :  www.laserfocusworld.com    |   

   |    1397/8/30