CE ESTE OPTICA LASER?
Optica laser se refera la componentele special concepute pentru a manipula lumina laser, care este, de obicei, coerenta si monocromatica, frecvent polarizata si, uneori, de intensitate ridicata. Formele si aplicatiile opticii laser sunt atat de diverse incat este dificil sa se generalizeze, insa ele trebuie aproape intotdeauna fabricate cu o precizie ridicata pentru a functiona cu succes.
Optica laser variaza la fel de mult ca si aplicatiile pentru care sunt utilizate, de la micro-optica pentru comunicatii prin fibra pana la oglinzi de un metru pentru telescoape. Ele manipuleaza fasciculele laser prin aproape orice tip de interactiune lumina/materie, inclusiv refractie, reflexie, difractie, polarizare si procese selective spectral, efecte neliniare si chiar imprastiere.
Fabricarea opticii laser utilizeaza un set de unelte la fel de diverse. Aceasta variaza de la slefuire si lustruire traditionala (cu variante automate si controlate de computer) la taiere cu diamant in punct unic, litografie, o gama de metode de modelare si replicare, tehnici holografice si un spectru de procese de acoperire cu straturi subtiri.
Cu toate acestea, exista cativa factori unificatori in cazul opticii laser. In primul rand, ele trebuie aproape invariabil sa mentina calitatea frontului de unda original al fasciculului laser. Acest lucru este esential pentru a pastra calitatile care fac lumina laser unica, cum ar fi luminozitatea spatiala si coerenta. Distorsiunea frontului de unda introdusa de optica limiteaza eficienta sistemului si capacitatea de a focaliza laserul si de a mentine profilul fasciculului. Acest lucru se aplica majoritatii aplicatiilor, fie ca este vorba de prelucrarea materialelor, chirurgie, microscopie, citometrie in flux sau telecomunicatii. In termeni de fabricatie, minimizarea distorsiunii frontului de unda necesita, de obicei, realizarea opticii cu forme de suprafata extrem de precise si utilizarea materialelor foarte omogene.
Optica laser trebuie, de asemenea, sa produca in mod tipic o imprastiere minima, deoarece aceasta poate reduce eficienta sistemului laser si introduce zgomot. Acest lucru reduce performanta in toate domeniile, de la imagistica pana la prelucrarea materialelor. Minimizarea imprastierii este, de asemenea, un factor cheie in evitarea daunelor induse de laser pentru optica laser de mare putere. Primul pas in fabricarea opticii cu imprastiere redusa este, de obicei, producerea de componente cu rugozitate de suprafata scazuta.
Optica laser este aproape intotdeauna acoperita cu film subtire, cu exceptia notabila a ferestrelor Brewster. Din nou, acest lucru se face de obicei pentru a imbunatati performanta. De exemplu, cele mai multe optici laser transmisive utilizeaza acoperiri antireflexie pentru a maximiza transmisia si a minimiza reflexiile fantoma. Acoperirile cu film subtire sunt adesea mai durabile decat materialul substratului optic, astfel incat acoperirile pot fi utilizate pentru a proteja suprafata optica si pentru a extinde durata de viata a componentelor. Acoperirea cu diamant Coherent (DOC) este un exemplu remarcabil in acest sens.
Avand in vedere domeniul vast al acestui subiect, acest articol va oferi doar o prezentare generala a catorva dintre cele mai semnificative clase de optica laser. Acestea sunt descrise in cele ce urmeaza, si aceasta lista nu este in niciun caz exhaustiva.
LENTILE
Lentilele sunt optici refractive transmisive care concentreaza sau raspandesc lumina laser intr-una sau doua dimensiuni. Deoarece sunt utilizate predominant cu lumina monocromatica, aberatia cromatica (schimbarea lungimii focale a lentilei cu lungimea de unda) este rareori o preocupare pentru lentilele laser. Din acest motiv, lentilele cu un singur element (care nu au corectie de culoare) sunt adecvate pentru multe sarcini simple in care optica functioneaza total pe axa. Exemple sunt telescoapele pentru expansiunea fasciculului si lentilele pentru focalizare si colimare. De fapt, o lentila de focalizare cu un singur element si o forma de suprafata asferica poate oferi performante pe axa la limita difractiei (cea mai buna performanta teoretic posibila).
Cu toate acestea, sistemele de lentile mai complexe, cu mai multe elemente, sunt invariabil necesare in cel putin alte doua cazuri. Primul sunt sistemele cu numar f scazut (numar f = lungimea focala a sistemului de lentile/deschiderea). Mai ales sub f/3, performanta majoritatii lentilelor sferice cu un singur element se indeparteaza substantial de limita difractiei. Lentilele de focalizare cu suprafete sferice multiple, precum si suprafetele asferice, sunt utilizate pentru a aborda acest aspect.
A doua aplicatie pentru sistemele cu mai multe elemente sunt cele care nu functioneaza pur pe axa, dar trebuie sa acopere un camp vizual specific. Lentilele de scanare f-theta sunt un exemplu in acest sens. Sunt necesare multiple elemente pentru a crea o optica care focalizeaza pe un plan (mai degraba decat pe o suprafata curbata) pe o gama de unghiuri si care, de asemenea, realizeaza o buna dimensiune a punctului focal la marginile campului.
OGLINZI
Oglinzile acoperite cu metal, in special cu siliciu, cupru, aluminiu si aur, sunt utilizate frecvent pentru reflectarea fasciculelor laser vizibile si infrarosii. Pentru laserele CO₂ care emit in jur de 10 µm, nu este neobisnuit sa se faca oglinzi din substraturi metalice si sa se utilizeze pur si simplu suprafata metalica lustruita ca oglinda. Avantajul oglinzilor metalice si acoperite cu metal este, de obicei, costul mai redus.
Acoperirile cu film subtire sunt utilizate atunci cand sunt necesare niveluri mai ridicate de reflectivitate, pentru a atinge niveluri mai ridicate ale pragului de daune induse de laser sau cand este necesar un control precis al polarizarii. Cel mai simplu reflector cu linie laser cu film subtire este, de obicei, un stiv de materiale cu indice de refractie mare si mic, fiecare dintre acestea fiind de o grosime de un sfert de unda la lungimea de unda a laserului. Prin acumularea multor straturi de acest tip, valorile de reflectanta de peste 99,9% sunt realizate in mod obisnuit. Cu toate acestea, o oglinda cu o acoperire de acest tip este relativ ingusta in banda. Aceasta inseamna ca nu poate fi utilizata la lungimi de unda diferite de lungimea de unda exacta a laserului pentru care a fost proiectata. De asemenea, reflectanta de varf a tuturor acoperirilor de oglinda cu film subtire se schimba cu unghiul. Astfel, o oglinda cu linie laser proiectata pentru utilizare la un unghi de incidenta de 0° nu poate fi utilizata la 45°, si vice-versa. Oglinzile largi cu dielectrice (film subtire) pot fi proiectate pentru a fi utilizabile pe o gama mai larga de lungimi de unda si unghiuri de incidenta. Exista un mic sacrificiu in valoarea reflectantei de varf cu acestea.
Beamsplitter / Separator de fascicul
Separatorii de fascicul sunt elemente optice care reflecta o parte din energia laser incidenta si transmit restul. Acest efect poate fi foarte dependent de polarizare. Uneori acest lucru este un dezavantaj, dar in alte cazuri este exploatat in mod specific pentru a separa sau combina polarizarile ortogonale.
Un separator de fascicul poate fi, de asemenea, dependent de lungimea de unda. In acest caz, poate fi utilizat pentru a separa doua fascicule laser coaxiale cu lungimi de unda diferite. Un exemplu in acest sens este un separator de fascicul dichroic care reflecta lungimea de unda fundamentala (1064 nm) a unui laser Nd:YAG si transmite armonica sa secundara (532 nm).
Cele mai comune formate pentru separatorii de fascicul sunt tipul cub si tipul placa. Un separator de fascicul tip cub este format din doua prisme cu unghi drept unite la ipotenuzele lor pentru a forma un cub. Acoperirea separatorului de fascicul este aplicata pe ipotenuza uneia dintre prisme. Celelalte patru fete sunt de obicei acoperite antireflexie.
Un separator de fascicule de tip placa este o placa plana paralela (sau adesea usor inclinata). Invelisul de separare a fasciculului este intalnit in mod obisnuit pe prima suprafata, iar a doua suprafata are un strat anti-reflex.
Atat divizoarele cub, cat si tip placa au caracteristicile lor unice, ceea ce duce la avantaje si dezavantaje in diverse aplicatii. De exemplu, divizoarele de tip placa sunt de obicei mai compacte si mai usoare si, de asemenea, mai putin costisitoare de produs. Dar, atunci cand sunt utilizate la orice alt unghi de incidenta decat 0°, produc o reflexie secundara nedorita care este compensata de fasciculul reflectat principal. De asemenea, acestea compenseaza fasciculul transmis, ceea ce poate face proiectarea sistemului mai complexa si alinierea mai dificila.
Divizoarele cube elimina problema unei reflexii secundare nedorite si orice decalaj in fasciculul transmis. De asemenea, de obicei functioneaza mai bine pe o gama mai larga de unghiuri de incidenta. De asemenea, este mai usor sa produceti divizoare de fascicule cubice cu acoperiri care sunt mai putin sensibile la polarizare si care functioneaza pe o gama mai larga de lungimi de unda. Dar divizoarele cube pot fi mai putin durabile si mai sensibile la schimbarile de temperatura.
COMPONENTE DE POLARIZARE
Majoritatea laserelor emit lumina polarizata, iar numeroase optici si dispozitive diferite sunt concepute pentru a manipula, analiza sau exploata aceasta polarizare. Optica conceptual cea mai simpla este polarizorul liniar. Acesta trece doar lumina cu o polarizare orientata intr-o directie specifica si blocheaza lumina polarizata in orice alta orientare. Un polarizator liniar poate fi utilizat pentru a indeplini multe functii. Daca este rotit intr-un fascicul laser polarizat, acesta actioneaza ca un atenuator variabil – un comutator de intensitate pentru un laser!
Una dintre cele mai relevante optici care modifica starea de polarizare a unui fascicul laser este placa de un sfert de unda. Acestea transforma lumina polarizata liniar in lumina polarizata circular, sau invers. Placile de jumatate de unda rotesc directia polarizarii luminii polarizate liniar de intrare. Aceasta rotatie poate fi variata lin de la 0° la 90° pe masura ce placa de jumatate de unda este rotita fizic. Rotatoarele de polarizare si polarizatoarele liniare (sau separatoarele de fascicul polarizante) pot fi combinate pentru a crea izolatoare Faraday. Acestea sunt „supape unidirectionale” pentru lumina. Acestea sunt dispozitive deosebit de utile pentru prevenirea reintrarii luminii reflectate intr-un laser, ceea ce ar putea provoca daune sau induce instabilitate in functionare. Izolatoarele Faraday indeplinesc destul de frecvent aceasta functie in sistemele laser industriale de mare putere.
O optica laser bazata pe polarizare mai sofisticata este modulatorul electro-optic (EOM). La fel ca izolatorul Faraday, acesta foloseste un cristal care roteste planul de polarizare al luminii transmise. Dar, in acest caz, efectul este controlat de un camp electric aplicat mai degraba decat de un camp magnetic. Acesta se numeste efectul Pockels.
Pentru a face un modulator de intensitate, cristalul electro-optic este asociat cu un polarizator liniar. Cand planul de polarizare al fasciculului laser de intrare se aliniaza cu polarizatorul liniar, fasciculul este transmis. Cand tensiunea aplicata este ajustata astfel incat cristalul sa roteasca polarizarea fasciculului cu 90° fata de polarizatorul liniar, atunci fasciculul este blocat. Prin variarea tensiunii, intensitatea fasciculului laser transmis poate fi modulata, de obicei la viteze de pana la cativa MHz.
OPTICA PENTRU LASERI CU ENERGIE MARE (HEL)
Nu exista o definitie specifica pentru ceea ce constituie exact optica laser cu energie mare, dar esential acestea sunt componentele utilizate cu lasere care au valori mari ale energiei de varf sau ale fluentei. In mod specific, acest lucru inseamna niveluri de putere care ar deteriora majoritatea opticilor produse prin metode traditionale sau cel putin ar reduce semnificativ durata lor de viata utila.
Exista multe mecanisme de deterioare induse de laser si acestea depind de mai multi factori, inclusiv lungimea de unda a laserului, energia pulsului, puterea de varf, forma pulsului si altele. Dar majoritatea daunelor tind sa apara fie prin incalzirea cauzata de absorbtia in masa, fie prin ruperea dielectrica indusa de campul electric ridicat al pulsului laser, sau prin ruperea in avalansa cauzata de absorbtia multifotonica.
Functionalitatea opticii pentru laseri cu energie mare este aceeasi ca cea deja descrisa (lentile, oglinzi, polarizatoare etc.). Dar, materialele, lustruirea si acoperirea acestor componente trebuie controlate extrem de atent pentru a minimiza diferitele mecanisme de daune in timpul functionarii.
Acest lucru incepe adesea cu selectia materialului. Anume, alegerea materialelor substrat care demonstreaza in mod inerent praguri ridicate de distrugeri induse de laser (LIDT) si absorbtie scazuta la lungimea de unda operationala. Desigur, materialele in sine trebuie sa fie de inalta puritate si calitate. Apoi, fiecare pas al procesarii ulterioare (formarea, acoperirea si chiar ambalarea) trebuie monitorizat si controlat cu atentie pentru a minimiza contaminarea. Optica HEL este de obicei realizata in medii curate.
Rugozitatea suprafetei joaca adesea un rol in LIDT, astfel incat tehnicile de lustruire specializate sunt frecvent utilizate in fabricarea HEL. Abrazivele de lustruire utilizate pot fi chiar selectate special pentru a minimiza contaminarea si daunele ulterioare.
Producerea acoperirilor cu film subtire pentru optica HEL este o disciplina in sine. Din nou, materialele utilizate si puritatea acestora sunt fundamentale. In plus, designul acoperirii poate fi optimizat special pentru a imbunatati conductivitatea termica si disiparea caldurii. De asemenea, acoperirile pot fi proiectate pentru a suprima efectele optice neliniare, cum ar fi generarea de armonici sau autofocalizarea, care sunt mai pronuntate la niveluri ridicate de energie.
OPTICA ULTRARAPIDA
Optica si acoperirile pentru lasere ultrarapide (durate de puls in intervalul femtosecundelor sau picosecundelor) reprezinta o alta clasa distincta de componente. Exista doua motive principale pentru aceasta.
In primul rand, laserele ultrarapide nu sunt la fel de monocromatice ca majoritatea celorlalte lasere. Acest lucru se datoreaza faptului ca fizica fundamentala a laserelor ultrarapide dicteaza ca pe masura ce durata pulsului devine mai scurta, latimea spectrala (intervalul de lungimi de unda) a iesirii creste. De exemplu, pulsuri de 12 fs produse de laserul Coherent Vitara sunt centrate la 800 nm, dar au o latime de banda de aproximativ 100 nm.
A doua diferentiere pentru optica ultrarapida este ca ele au adesea puteri de varf foarte ridicate. Aceste niveluri de putere pot cauza problemele cu daunele induse de laser mentionate anterior.
Problema cheie cauzata de latimea spectrala mai mare a pulsurilor ultrarapide nu este aberatia cromatica, asa cum ar putea fi pentru optica de imagistica utilizata cu lumina vizibila. In schimb, problema este dispersia vitezei de grup (GVD).
GVD apare deoarece componentele de lungimi de unda diferite ale unui puls ultrarapid calatoresc cu viteze usor diferite printr-un material. Astfel, cand un puls ultrarapid trece printr-o optica sau o acoperire, lungimile de unda mai scurte ies putin mai tarziu decat lungimile de unda mai lungi. Aceasta mareste lungimea pulsului.
Cresterea lungimii pulsului creeaza mai multe probleme, in functie de utilizare. In primul rand, reduce rezolutia temporala in aplicatii precum spectroscopia rezolvata in timp. De asemenea, reduce puterea de varf a pulsului, ceea ce afecteaza orice aplicatie care depinde de fenomene neliniare, cum ar fi imagistica multiphotonica sau spectroscopia CARS.
O clasa importanta de optica ultrarapida sunt ‘oglinzile dispersive‘. Acestea sunt reflectoare cu film subtire proiectate special pentru a gestiona efectele dispersive in pulsurile laser ultrarapide.
Aceste optici functioneaza pe un principiu conceptual simplu. Ele constau practic dintr-un strat de mai multe acoperiri reflectoare inalte, fiecare reglata la o lungime de unda usor diferita.
Acum, luati in considerare un design in care reflectoarele de lungime de unda mai scurta sunt in partea superioara a acoperirii si reflectoarele de lungime de unda mai lunga sunt plasate mai adanc in strat. Lungimile de unda mai lungi trebuie sa calatoreasca mai departe prin acoperire inainte de a fi reflectate, ceea ce dureaza mai mult timp si permite componentelor „mai lente” ale pulsului sa le ajunga din urma. Acest lucru are efectul de a recomprima un puls care a fost extins deoarece anterior a trecut printr-o alta componenta dispersiva.
Oglinzile dispersive sunt adesea utilizate pentru a lungi intentionat un puls. De exemplu, un puls poate fi prelungit cu o oglinda dispersiva inainte de a intra intr-un amplificator. Acest lucru reduce puterea sa de varf si reduce potentialul de a deteriora optica amplificatorului datorita fluentei foarte mari a laserului. Dupa ce pulsul este amplificat, acesta este recomprimat la lungimea sa initiala de puls mai scurta cu o alta oglinda dispersiva care are efectul opus celei initiale. Acest lucru se numeste amplificare cu puls chirpuit (CPA).
Aceasta prezentare generala a atins doar cateva tipuri de optica laser si a oferit explicatii simplificate despre cum functioneaza si de ce sunt utilizate. Aflati mai multe explorand gama extinsa de optica laser de la Coherent.
