Измерение качества пучка с помощью инструмента CinSquare от CINOGY (Германия)

18.09.2020

Будучи одним из лидеров в разработке и производстве решений для измерения профиля пучка, компания CINOGY (Германия) имеет богатые наработки по измерению качества пучка (коэффициента M²). Рассмотрим, что представляет собой данный коэффициент и как он может быть измерен с помощью готовых высокоточных коммерческих систем от CINOGY.

      
Системы CinSquare CS20 / CS300, камера для измерения профиля пучка CCD-3502

Что такое M² и почему так важно знать этот параметр

M² – один из главных показателей, используемых для диагностики лазерного пучка. Коэффициент M², также называемый параметром распространения пучка, это общепринятый показатель для определения оптического качества лазерного пучка. Показатель не имеет размерности и определяется следующей формулой:

где w – диаметр пучка в перетяжке, θ – расходимость пучка в перетяжке, w₀, θ₀ – диаметр и расходимость для «идеального» Гауссова пучка, ограниченного лишь дифракцией. Таким образом, коэффициент M² показывает, насколько близок исследуемый пучок к Гауссову пучку, и позволяет сравнивать пучки между собой.

Коэффициент M² позволяет определить, насколько лазерный пучок может быть хорошо сфокусирован с данной угловой расходимостью, которая часто ограничена числовой апертурой фокусирующей линзы. Точная фокусировка лазерных лучей особенно важна в областях, связанных с производством лазеров и визуализацией, так как меньшие диаметры пучка в перетяжке луча означают, что могут быть достигнуты более высокие плотности мощности, а также лучшее разрешение.

Существует мировой стандарт для определения качества пучка ISO 11146-1/2, который соответствует ГОСТ Р ИСО 11146-1/2-2008. Данный стандарт определяет методы измерений ширин, углов расходимости и коэффициентов распространения лазерных пучков. Согласно ISO 11146-1/2, коэффициент M² рассчитывается из измерения радиусов пучка вдоль оси распространения (каустики). Радиусы, в свою очередь, измеряются методом моментов второго порядка (D4σ), который подходят для негауссовых пучков.

Методика измерения каустики лазерного пучка с помощью фокусирующей линзы, zR - релеевская длина

Система CinSquare для анализа характеристик каучтики сфокусированного излучения

Система CinSquare CS200 / CS300 от CINOGY – это компактный и полностью автоматизированный инструмент для измерения качества пучков непрерывных и импульсных лазеров с излучением в диапазоне от УФ до ближнего ИК. Данная система включает фиксированную фокусирующую линзу, установленную перед моторизованным транслятором, на котором размещена камера для анализа профиля пучка CinCam с любой из следующих матриц: CCD / CMOS / InGaAs.

Интерфейс программы RayCi Pro в режиме измерения качества пучка

Для анализа каустики пучка в соответствии с ISO 11146-1/2 программа вычисляет размер пучка и анализирует профиль пучка в нескольких плоскостях измерения с помощью метода вторых моментов. Весь процесс измерения полностью автоматизирован и контролируется программным обеспечением RayCi Pro от компании CINOGY. Измерительная система CinSquare оснащена двумя юстировочными зеркалами для точного позиционирования лазерного луча в измерительной установке. Дополнительное колесо светофильтров обеспечивает постепенное ослабление луча. Высокая эксплуатационная надежность и точность измерений позволяет использовать CinSquare в промышленности, научных задачах и разработках.

Основные характеристики серии CinSquare

Параметр		Значение	Ед. измерения
Спектральный диапазон		250-1800	нм
Размер пикселя		до 3,75 для ПЗС, до 5,3 для КМОП, до 15 для InGaAs	мкм2
Тип сенсора (матрицы)		ПЗС / КМОП / InGaAs	-
Диаметр пучка		0,5-10	мм
Длина хода моторизированной платформы		200 для CS-200, 300 для CS-300	мм

Преимущества системы CinSquare перед аналогами от других производителей:

• Самая высокая точность и повторяемость измерений коэффициента M2 на рынке.
• Система является быстрой и полностью автоматизированной.
• Универсальность: система может быть использована для широкого спектра применений.
  Прочная и надежная конструкция для бесперебойной работы 24/7.
• Полное соответствие стандартам ISO 11146-1/2.
• Может быть собрана полностью под заказ. Доступны 4 различных базовых модуля, 5 типов линз, 5 призменных аттенюаторов, 5 различных фильтров.
• Оси координатной системы для вычислений могут быть настроены по-разному: стандартные x/y оси, главные оси пучка, по максимальному астигматизму  
  Координатная система может быть изменена даже по ходу эксперимента.
• Оценка погрешности для каждого измеренного параметра.
• Впечатляющее трехмерное представление отдельных уровней измерения
• Программное обеспечение / процесс измерения можно контролировать с помощью скрипта (например, Python) или альтернативного программного обеспечения.

Альтернативные способы измерения качества пучка

Стоит отметить, что коэффициент M² может быть измерен вручную при помощи любой камеры линейки CinCam (смотреть каталог) и профессиональной версии программного обеспечения RayCi Pro (подробнее). Таким образом, удастся сэкономить деньги, но придется пожертвовать точностью измерений и временем. В данном случае пользователю потребуется самостоятельно организовать оптическую схему и произвести следующие действия в соответствии с ИСО 11146-1/2-2008:

1. Добиться коллимированного пучка,
2. Произвести фокусировку с помощью линзы без аббераций,
3. Произвести измерения диаметра пучка в нескольких точках относительно точки фокуса, поочередно перемещая камеру относительно линзы и меняя значение расстояния в программе. Потребуется взять не менее 10 точек для измерений, примерно половину в пределах первой рэлеевской длины относительно фокальной точки, а другую половину - за пределами удвоенной релеевской длины,
4. Используя окно программы для измерений коэффициента M² и предложенную программой аппроксимацию кривой w(z) гиперболой, вычислить расходимость пучка, диаметр пучка в перетяжке, релеевскую длину и параметр M2 для каждой оси либо воспользоваться данными, вычисленными программой.

Компания «Специальные Системы. Фотоника» является эксклюзивным дистрибьютором компании CINOGY и оказывает техническую поддержку по всей линейке продукции компании на территории России и ЕАЭС. Вы можете получить любую дополнительную информацию о продукции и технологиях CINOGY, обратившись к специалистам нашей компании.

Возврат к списку