پروفایلرهای باریکه
-
تعریف: دستگاه‌هایی برای تعیین مشخصات شدت باریکه لیزر
 

پروفایلر باریکه (آنالیز کننده باریکه، پروفایلر حالت)، ابزارتشخیصی است که می­تواند تمام مشخصات شدت نوری یک باریکه لیزر یعنی نه تنها شعاع بلکه شکل دقیق باریکه را نیز اندازه ­گیری کند.
از پروفایلرهای باریکه به روش­های گوناگون استفاده می­شود. برداشت کیفی از مشخصات یک باریکه در طی تنظیم لیزر می­تواند کمک کننده باشد، درحالیکه اندازه­ گیری­های شعاع باریکه در موقعیت­های مختلف در طول محور باریکه اجازه محاسبه فاکتور M2یا حاصلضرب پارامتر باریکه را می­دهد که به صورت کمی به توصیف کیفیت باریکه کمک می‌کند.

 
شکل 1: پروفایل­های شدت باریکه گاوسی (سمت چپ) و باریکه چند مدیلیزر(سمت راست).دومی تغییرات پیچیده­ تری از شدت را نشان می­دهد. چنین باریکه‌های چند مدی می­توانند در لیزرهایی تولید شوند که در آن­ها مدهای اصلی تشدید بطور قابل ملاحظه­ای کوچکتر از ناحیه تحت دمش در مادة فعال است.
کنترل کیفیت باریکه با روش‌های تشخیص مناسب باریکه لیزر  در بسیاری از کاربردهای لیزری نظیر فراوری مواد مهم فرایندی مهم است. بعنوان مثال در صورتی که کیفیت باریکه کنترل شود کیفیت سوراخکاری‌های انجام شده توسط لیزر یکنواخت و بی‌نقص خواهد بود.
 
پروفایلرهای باریکه مبتنی بر دوربین
بسیاری از پروفایلرهای باریکه بر مبنای برخی از انواع دوربین­های دیجیتالی هستند. برای ناحیه طیف مرئی و مادون قرمزنزدیک، دوربین­های CCD و CMOSرایج­ترین دوربین­ها هستند. دستگاه­های CMOS قیمت کمتری دارند اما CCDها عموماً خطی‌تر بوده و نویزکمتری ایجاد می­کنند.وضوح (با اندازه پیکسل مشخص می‌شود) در حدود mm5 با هر دو دوربین CCD و CMOS امکان­پذیر است در نتیجه شعاع باریکهمی‌تواند به کوچکی mm50 یا حتی کمتر باشد. ناحیه فعال می­تواند دارای ابعادی تا چندین میلی­متر باشد به طوریکه برای باریکه های بسیار پهن نیز قابل استفاده هستند.
شکل 2: پروفایلر باریکه لیزر برای اندازه­ گیری های مربوط به M2، متشکل از یک دوربین CCD نصب شده بر روی یک پایه انتقال موتوری. عکس توسط الکترواُپتیک­های Gentec تهیه شده است.
 
نواحی مختلف طول موج به انواع گوناگونی از حسگرها نیاز دارند. حسگرهای سیلیکونی، انتخاب خوبی برای طول موج­هایی در ناحیه طیفی مادون قرمز نزدیک تا تقریباً 1 یا 1/1 میکرومتر هستند، در حالیکه آشکارسازهای مبتنی بر InGaAs می‌توانند در طول موج‌های تا mm7/1 استفاده شوند. برای طول موج­های باز هم بلندتر برای مثال در تعیین مشخصات باریکه لیزرهای CO2، دوربین‌های تابش سنج میکرونی[1]و پیروالکتریک مناسب هستند که سیستم‌هایی نسبتاً گرانقیمت نیز هستند. پاسخگویی نسبتاً پایین آنها با توجه به توان خروجی بالای لیزر نمی‌تواند یک نقطه ضعف به حساب آید. برای لیزرهای فرابنفش، آرایه‌های CMOS و CCD می‌توانند در اتصال با صفحات تبدیلUV، برای تبدیل این اشعه به طول موج‌های بلندتری که به آرایه‌ها آسیب نمی‌زند،استفاده شوند.
تفکیک پذیری فضایی حسگر دوربین یک کمیت مهم است. با حسگرهای سیلیکونی، اندازه‌های پیکسلی کمتر از mm10 امکان‌پذیر بوده که اندازه‌گیری قطر باریکه کمتر از حدود  mm50 را ممکن می‌کند. آشکارسازهایInGaAs پیکسل‌های اساساً بزرگتری با پهنایی حدود mm30 دارند در حالیکه آرایه‌های پیروالکتریک چندان پایین‌تر از mm100 رانمی‌روند. نتیجه تفکیک پذیری فضایی کم این است که باید اندازه‌های باریکه بزرگ نگه داشته شوند که منجر به بلندی طول ریلی می‌شود. لذا فضای بیشتری برای اندازه‌گیری کامل M2 مورد نیاز است. تعداد پیکسل‌ها همچنین اهمیت عملی دارد، تعداد زیاد به فرد اجازه می‌دهد که قطرباریکه‌ها را در گسترة وسیع‌تری اندازه‌گیری کند.
در زمان استفاده از اشعه لیزر با پهنای خط باریک، سیستم‌های مبتنی بر دوربین بخصوص به آثار ایجاد شده از هم دوسی زمانی بالا حساس هستند. یک طراحی نوری دقیق (بدون دریچه، با ایجاد انعکاس‌های پارازیتی)برای فرونشاندن چنین آثاری و/یا برای حذف اثرات آنها بر روی اطلاعات اندازه‌گیری‌شده، نیاز است.
اکثر دوربین‌ها بسیار به نور حساس هستند، غالباً بسیار بیشتر از آنچه مورد نیاز است. پس باریکه لیزر  قبل از برخورد به دوربین باید تضعیف شود. برخی از عناصر اپتیکی تصویر برداری نیز (بعنوان مثال بسط‌دهنده‌های باریکه یا کاهنده‌های باریکه برای گسترش بازه شعاع مجازباریکه) می‌توانند استفاده شوند، بطوریکه دوربین پروفایل باریکه را هنگامی که در برخی از مکان‌های دیگر رخ می‌دهد، ثبت کند (صفحه تصویر برداری). این روش همچنین محافظ خوبی در برابر نور محیط ایجاد می‌کند. هر چند باید در نظر داشت که عناصر اپتیکی نباید، ابیراهی بیش از حد از خود نشان دهند.
پروفایل باریکه ثبت شده احتمالاً همراه با پارامترهایی نظیر شعاع باریکه، موقعیت باریکه، بیضوی بودن و اطلاعات آماری یا تناسب‌های گاوسی می‌تواند بر روی صفحه کامپیوتر نمایش داده شود. نرم افزارها می‌توانند امکان انتخاب بین روش‌های مختلف تعیین شعاع باریکه نظیر روش D4s یا معیار ساده  1/e­2را فراهم کنند.
 
پروفایلرهای روبشی باریکه مبتنی بر شکاف‌ها، لبه‌های تیغه‌ای یا روزنه‌ای
پروفایلرهای باریکه‌ای نیز وجود دارند که مشخصات یک باریکه را با یک یا چند روزنه، یک شکاف یا یک لبه تیغه‌ای روبش می‌کنند. در هر مورد، برخی از قسمت‌های مکانیکی ساختار (که اغلب بر روی یک قسمت دوار ثابت شده است) به سرعت از طریق باریکه حرکت داده می‌شود، در حالیکه توان منتقل شده با یک آشکارساز و برخی از لوازم الکترونیکی ثبت می‌شود. یک کامپیوتر (کامپیوتر شخصی یا ریز پردازنده داخلی) برای بازسازی مشخصات باریکه از داده‌های اندازه‌گیری‌شده و برای نمایش آن بر روی پرده استفاده می‌شود. برای مثال، توان منتقل شده برحسب موقعیت (مکان)لبه تیغه‌ایاساساً باید برای به دست آوردن پروفایل یک بعدی شدت باریکه تجمیع شود ، درحالیکه شکاف متحرک مستقیماً پروفایل شدت را نشان می‌دهد.
شکل 3: پروفایلرباریکه شکاف روبشی. صفحه PC اسکن­های بدست آمده از دو جهت پروفایل باریکه بازسازی شده را نشان می­دهد. عکس توسط Ophir-Spiricon تهیه شده است.
 
تفکیک پذیری فضایی سیستم‌های روبشی می‌تواند تا حدود چند میکرومتر یا حتی نزدیک به یک میکرومتر (بخصوص برای روزنه‌ای یا شکاف‌های روبشیکه مناسب برای تعیین مشخصات باریکه‌های با قطر کوچک هستند) باشد. مزیت مهم روبش این است که آشکارساز مورد استفاده، نیازی به داشتن دقت فضایی بالا ندارد، بطوریکه آشکارساز می‌تواند برای نواحی با طول موج بسیار متفاوت براحتی استفاده شود. همچنین بدست آوردن یک بازه دینامیکی وسیع در مقایسه با بطور مثال یک دوربین، آسانتر است. توان‌هایی که استفاده می‌شوند در بازه میکرو وات تا وات هستند. تضعیف باریکه قبل از آشکارساز به آسانی حاصل می‌شود زیرا کیفیت نور مورد نیاز بسیار کمتر از آن برای دوربین است.
پروفایلرهای باریکه روبشی، بخصوص آن‌هایی که بر مبنای شکاف یا لبه تیغه‌ای هستند، برای پروفایل‌های باریکه‌ای که نزدیک گاوسی هستند بسیار مناسب هستند، زیرا سیگنال ثبت شده معمولاً در یک جهت فضایی کامل می‌شود درحالیکه بازسازی شکل‌های باریکه پیچیده (بیشتر از نظر ساختاری) بی عیب نیست.
برخی پروفایلرهای باریکه روبشی همچنین می‌توانند برای باریکه‌های لیزر پالسی نظیر باریکه لیزرهایQ-switched استفاده شوند. اگرچه این مسئله تنها برای نرخ‌های تکرار پالس بالا عملی است؛ قابل توجه این که کمترین نرخ تکرار ممکن است به قطر باریکه بستگی داشته باشد.
 
ملاحظات مهم
در زمان انتخاب یک پروفایلر باریکه برای کاربردی خاص باید الزامات مختلفی در نظر گرفته شود:
  • محدوده شعاع یا قطرهای باریکه که باید اندازه‌گیری شود، چیست؟ دقت مورد نیاز چیست؟ چه تعریفی از شعاع باریکه باید بکار برده شود؟
  • آیا باریکه‌های مدنظر نزدیک به گاوسی هستند یا شکل‌های پیچیده‌ای بعنوان مثال خروجی بارهای دیود دارند؟
  • بازه توان‌های نوری چیست (غالباً مربوط به شعاع باریکه)؟ آیا دستگاهی با بازه دینامیکی وسیع مورد نیاز است یا در ناحیهمحدودی از توان‌های نوری مورد قبول است؟ آیا تضعیف کننده قابل تنظیمی مورد نیاز خواهد بود؟
  • آیا داشتن دستگاهی که به یک PC (یا یک کامپیوتر لپ تاپ) برای مثال توسط یک کابل USB 2.0 متصل شده است بیش از همه مناسب است یا اینکه دستگاه باید الکترونیک خود را برای نشان دادن نتایج داشته باشد؟
  • چه ویژگی‌های نرم افزاری مورد نیاز است؟ برای مثال کدامیک از پارامترهای باریکه نیاز است مستقیماً نمایش داده شوند؟ آیا دستگاه باید توانایی اندازه‌گیری پارامترهای باریکه را به شکل قابل اعتمادی در یک محدوده وسیع از شعاع و توان باریکه داشته باشد؟ آیا ویژگی‌ ثبت داده‌ها مورد نیاز است؟
  • آیا ضروری است که دستگاه بتواند برای باریکه‌هایی که دارای توان متغیر هستند برای مثال باریکه‌های مربوط به لیزرهای Q-switched بکار رود؟
  • برای تعیین مشخصات کامل کیفیت باریکه، آیا باید دستگاه به طور خودکار پروفایل‌های باریکه را در مکان‌های مختلف ثبت و فاکتور M2 را محاسبه نماید؟
 
تضعیف باریکه
در بسیاری از موارد، بخصوص در سیستم‌های مبتنی بر دوربین، تضعیف توان باریکه لیزر پیش از فرستادن آن به درون پروفایلر باریکه ضروری است. برخی سیستم‌ها از یک تضعیف کننده نوری (برای مثال یک فیلتر گوه‌ای با چگالی خنثی) در انتقال استفاده می‌کنند؛ از انعکاس ضعیف برای مثال بوسیله یک صفحه شیشه‌ای با کیفیت بالا نیز می‌توان استفاده کرد.
اگرچه تضعیف ممکن است یک کار جزئی به نظر برسد، روش‌های نامناسب می‌توانند برخی مشکلات را ایجاد کنند. برای مثال:
  • برخی تضعیف کننده‌ها کیفیت نوری خوبی ندارند یا ممکن است کیفیت باریکه‌های با پهنای کمرا از طریق اثرات تداخل مبتنی بر انعکاس‌های صفحات، از بین ببرند.
  • خصوصاً فیلترهای جذب می‌توانند کیفیت باریکه را در سطوح توان بالا که در آن اثرات حرارتی اتفاق می‌افتد، از بین ببرند.
  • استفاده ازآینه دی‌الکتریکی با گذردهی کم و انعکاس بالا برای اندازه‌گیری‌های مربوط به کیفیت باریکه توصیه نمی‌شود، زیرا گذردهی باقیمانده می‌تواند به شدت به موقعیت آن روی آینه بستگی داشته باشد.
  • انعکاس ضعیف از یک صفحه نوری با قطبش p نزدیک زاویه بروستر اغلب مناسب نیست زیرا چنین نقطه عملی بازتاب‌پذیری بسیار بالاتری برای قطبش s داردو بنابراین فقط ممکن است الگوی دی‌پلاریزاسیون را در محیط فعال لیزر نسبت به کیفیت واقعی باریکه نشان دهد.
  • نظر به اینکه برخی روش‌ها، تضعیف را تنها در مراحل ناهنجار و غیر قابل تنظیم ایجاد می‌کنند، رسیدن به سطح توان بهینه در آشکارساز می‌تواند سخت باشد.
جنبه‌‌های تسهیلاتی انجام هم می‌تواند مهم باشد، برای مثال اگر سیستم الکترونیکی بتواند به صورت خودکار فاکتور تضعیف را تنظیم کند، بسیار کمک کننده خواهد بود.


[1]microbolometer


1394/9/7