Визначення положення перетяжки лазерного пучка
Анотація
Актуальність. Розглядається інтерферометричний метод виміру положення перетяжки пучка лазерного випромінювання, яке визначає початок системи координат просторових параметрів пучка. Інформація про місцезнаходження перетяжки пучка відіграє важливу роль у лазерній балістичній гравіметрії, лазерній інтерферометрії довжин, оптичній метрології та прецизійній лазерній бариметрії.
Мета роботи. Підвищення точності місцезнаходження перетяжки при одночасному зниженні трудомісткості процесу вимірювання.
Матеріали та методи. Запропоновано метод, що реалізує залежність кривизни хвильового фронту пучка від відстані до перетяжки. Вихідний лазерний пучок розщеплюється інтерферометром зсуву на опорний та інформаційний пучки, що утворюють у відбитому світлі нелокалізоване в просторі інтерференційне поле. Період інтерференційних смуг, що спостерігаються в будь-якому перерізі інтерференційного поля, несе інформацію про місцезнаходження перетяжки вихідного лазерного пучка щодо цього перерізу. Відстань від перетяжки до площини реєстрації періоду інтерференційної картини обчислюється за формулами гаусової оптики.
Результати. Розроблено інтерферометричний метод визначення місця розташування перетяжки лазерного пучка, який реалізує відомий взаємозв'язок між кривизною хвильового фронту в якомусь поперечному перерізі пучка випромінювання та відстанню від цього перерізу до перетяжки пучка. Проведені дослідження підтвердили працездатність інтерферометричного методу визначення місця розташування перетяжки пучка лазерного випромінювання, а отримані результати дозволяють рекомендувати цей метод як найточніший з відомих на даний момент.
Висновки. Дослідження вимірювальних пристроїв показали, що для лазера ЛГ-56 з кутом розбіжності близько 10' обидва методи забезпечують збіжність результатів із точністю приблизно 2%. Однак зі зменшенням кута розбіжності, а саме при зміні розташування перетяжки, точність збігу результатів погіршується. Метод перерізів, рекомендований стандартом ISO 11146-1, доцільно використовувати для визначення місця розташування перетяжки пучків із кутами розбіжності понад 30", хоча похибка при цьому становить близько 10%. Обмеження цього методу пояснюється збільшенням похибки у визначенні перетяжки. Інтерференційний метод є ефективним для визначення перетяжок пучків із кутами розбіжності понад 5', забезпечуючи похибку не більше 5%.
Завантаження
Посилання
Mohl, S. Kaldun, C. Kunz, F. A. Muller, U. Fuchs, and S. Graf, “Tailored focal beam shaping and its application in laser material processing”, J. Laser Appl. 31, 042019 (2019). https://doi.org/10.2351/1.5123051
Y. Mi, S. Mahade, F. Sikstrom, I. Choquet, S. Joshi, and A. Ancona, “Conduction mode laser welding with beam shaping using a deformable mirror”, Opt. Laser Technol. 148, 107718 (2022). https://doi.org/10.1016/j.optlastec.2021.107718
N. Levichev, P. Herwig, A. Wetzig, and J. R. Duflou, “Towards robust dynamic beam shaping for laser cutting applications”,Proc. CIRP, 111, 746 (2022). https://doi.org/10.1016/j.procir.2022.08.116
A. R. Bakhtari, H. K. Sezer, O. E. Canyurt, O. Eren, M. Shah, and S. Marimuthu, “A Review on Laser Beam Shaping Application in Laser-Powder Bed Fusion”, Adv. Eng. Mater., 26, 2302013 (2024). https://doi.org/10.1002/adem.202302013
O. Savchenko, in: Laser technologies in orthodontic practice – Achievements and prospects, Conference proceedings of the International scientific and practical conference (Seoul, Republic of Korea, 2019), pp. 109-114. https://doi.org/10.36074/22.12.2019.v1.35
K. J. Gasvik, Optical Metrology, 3rd ed., (John Wiley & Sons, Ltd, 2002), 359 p.
H. Le, P. Penchev, A. Henrottin, D. Bruneel, V. Nasrollahi, J. A. Ramos-de-Campos, and S. Dimov, “Effects of Top-hat Laser Beam Processing and Scanning Strategies in Laser Micro-Structuring”, Micromachines, 11, 221 (2020). https://doi.org/10.3390/mi11020221
A. Forbes, F. Dickey, M. DeGama, and A. du Plessis, “Wavelength tunable laser beam shaping”, Opt. Lett., 37, 49 (2012). https://doi.org/10.1364/OL.37.000049
M.A. Moiseev, E.V. Byzov, S.V. Kravchenko, and L. L. Doskolovich, “Design of LED refractive optics with predetermined balance of ray deflection angles between inner and outer surfaces”, Optics Express, 23, A1140 (2015). https://doi.org/10.1364/OE.23.0A1140
C. Rosales-Guzmán, and A Forbes, How to Shape Light with Spatial Light Modulators, SPIE. 30, 57 (2017).
T. Häfner1, J. Strauß, C. Roider, J. Heberle, and M. Schmidt, “Tailored laser beam shaping for efficient and accurate microstructuring”, Applied Physics A, 124, 111 (2018).
https://doi.org/10.1007/s00339-017-1530-0
C. Halbhuber,“Heat conduction joining with the multispot focusing lens: Joining plastics and metal”, PhotonicsViews, 19, 60 (2022). https://doi.org/10.1002/phvs.202200044
A. G. Nalimov, V. V. Kotlyar, S. S. Stafeev, and E. S. Kozlova, “Metalens for Detection of a Topological Charge”, Optical Memory and Neural Networks, 32(S1), S187 (2023). https://doi.org/10.3103/S1060992X23050144
I. V. Petrusenko, and Yu. K. Sirenko, “Generalized Mode-Matching Technique in the Theory of Guided Wave Diffraction. Part 3: Wave Scattering by Resonant Discontinuities”, Telecommunications and Radio Engineering, 72, 555 (2013).
A. E. Mandel, and A. S. Perin, “ Study of the efficiency of radiation input and losses at the joints of optical fiber”, Tomsk: TUSUR, 2018. – 54 p. https://studfile.net/preview/16874330
O. B. Kovalev, I. O. Kovaleva, and V. V. Belyaev, “Ray tracing method for simulation of laser beam interaction with random packings of powders”, AIP Conf. Proc., 1939, 020028 (2018), https://doi.org/10.1063/1.5027340
H. Kogelnik and T. Li, “Laser beams and Resonators”, Appl. Opt., 5, 1550 (1966). https://doi.org/10.1364/AO.5.001550
J. A. Arnaud, “Gaussian laser beam-waist radius measuring apparatus”, Patent United States No. 13,612,885 (10 Dec. 1969).
J. A. Arnaud, “Apparatus for locating and measuring the beam waist radius of a Gaussian laser beam”, Patent United States No. 3617755A (11 Febr., 1971).
E. H. A. Granneman and M. J. van der Wiel, “Laser beam waist determination by means of multiphoton ionization”, Rev. Sci. Instrum., 46, 332 (1975). https://doi.org/10.1063/1.1134202
Y. Suzaki and A. Tachibana, “Measurement of the Gaussian laser beam divergence”, Appl. Opt., 16, 1481 (1975). https://doi.org/10.1364/AO.16.001481
G. N, Vinokurov, V. A. Gorbunov, V. P. Dyatlov, V. N. Sizov and A. D. Starikov, “Method for the determination of the position of the focal plane of converging laser beams”, Quantum Electronics, 6, 364 (1976). https://doi.org/10.1070/QE1976v006n03ABEH011092
E. Stijns, “Measuring the spot size of a Gaussian beam with an oscillating wire”, IEEE J. Quantum Electron., QE-16, 1298 (1980). https://doi.org/10.1109/JQE.1980.1070431
Y. C. Kiang and R. W. Lang, “Measuring focused Gaussian beam spot sizes: a practical method”, Appl. Opt., 22, 1296 (1983). https://doi.org/10.1364/AO.22.001296
J. T. Luxon, D. E. Parker, and J. Karkheck, “Waist location and Rayleigh range for higher-order mode laser beams”, Appl. Opt., 23, 2088 (1984). https://doi.org/10.1364/AO.22.001296
S. Nemoto, “Determination of waist parameters of a Gaussian beam”, Appl. Opt., 25, 3859 (1986). https://doi.org/10.1364/AO.25.003859
S. Nemoto, “Waist shift of a Gaussian beam by plane dielectric interfaces”, Appl. Opt., 27, 1833 (1988). https://doi.org/10.1364/AO.27.001833
P. D. Gupta and S. Bhargava, “An experiment with Gaussian laser beam”, Am. J. Phys., 56, 563 (1988). https://doi.org/10.1119/1.15555
S. Nemoto, “Waist shift of a Gaussian beam by a dielectric plate”, Appl. Opt., 28, 1643 (1989). https://doi.org/10.1364/AO.28.001643
P. B. Chipple, “Beam waist and M2 measurement using a finite slit”, Opt. Eng., 33, 461 (1994). https://doi.org/10.1117/12.169739
C. R. C. Wang, C. C. Hsu, W. Y. Liu, W. C. Tsai, and W. B. Tzeng, “Determination of laser beam waist using photoionization time-of-flight”, Rev. Sci. Instrum., 65, 2776 (1994). https://doi.org/10.1063/1.1144615
J. P. Landry, “Optical oblique-incidence reflectivity difference microscopy: Application to label-free detection of reactions in biomolecular microarrays, (University of California, Davis 2008).
J. Wang and J. P. Barton, “Actual focal length of a symmetric biconvex microlens and its application in determining the transmitted beam waist position”, Appl. Opt., 49, 5828 (2010). https://doi.org/10.1364/AO.49.005828
A. Balbuena Ortega, M. L. Arroyo Carrasco, J. A. Dávila Pintle, M. M. Méndez Otero, and M. D. Iturbe Castillo, “New Method to characterize Gaussian beams”, Proc. SPIE 8011, 22nd Congress of the International Commission for Optics: Light for the Development of the World, 80114X (25 October 2011). https://doi.org/10.1117/12.902192
Y. You, J. Urakawa, A. Rawankar, A. Aryshev, H. Shimizu, Y. Honda, L. Yan, W. Huang, and C. Tang, “Measurement of beam waist for an optical cavity based on Gouy phase”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section A, 694, 6 (2012). https://doi.org/10.1016/j.nima.2012.07.022
E. A. Bibikova, N. Al-wassiti, and N. D. Kundikova, Diffraction of a Gaussian beam near the beam waist, J. Eur. Opt. Soc.-Rapid Publ., 15, 17 (2019). https://doi.org/10.1186/s41476-019-0113-4
ISO 11146-1:2021 “Lasers and laser-related equipment: Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios Part 1: Stigmatic and simple astigmatic beams”. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:11146:-1:ed-2:v1:en
ISO 11146-2:2021 “Lasers and laser-related equipment: Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios Part 2: General astigmatic beams”. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:11146:-2:ed-2:v1:en
ISO/TR 11146-3:2004 “Lasers and laser-related equipment: Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios Part 3: Intrinsic and geometrical laser beam classification, propagation and details of test methods”. https://www.iso.org/obp/ui/#iso:std:iso:tr:11146:-3:ed-1:v1:en
