Pourquoi utiliser un faisceau laser à intensité uniforme

La plupart des faisceaux laser sont gaussiens, mais dans certains cas, il peut être intéressant d'avoir un profil d'irradiance (ou profil d’éclairement énergétique) non gaussien. Les faisceaux gaussiens présentent une diminution de leurs profils d'irradiance symétriques à mesure que la distance par rapport au centre de la section transversale du faisceau laser augmente. Les faisceaux à intensité uniformes, ou « flat top », ont un profil d'irradiance constant à travers la section transversale du faisceau laser (Figure 1). Certaines applications bénéficient d'une intensité constante sur une zone donnée, notamment l’usinage des plaquettes de semi-conducteurs, la conversion de fréquences non linéaires à des niveaux de puissance élevés et l’usinage de matériaux. Par rapport aux faisceaux gaussiens, les faisceaux à intensité uniforme donnent souvent des résultats plus précis et plus prévisibles, tels que des coupes plus nettes et des bords plus tranchants, mais ils s'accompagnent d'une complexité et d'un coût supplémentaires pour le système. 

Figure 1 : Les faisceaux gaussiens gaspillent de l'énergie en raison d'une énergie superflue supérieure au seuil requis pour l'application et d'une énergie inférieure au seuil dans les parties extérieures du faisceau gaussien. Les faisceaux à intensité uniforme sont plus efficaces car elles dépassent le seuil tout en minimisant le gaspillage d'énergie.

Faisceaux gaussiens

Les lasers monomodes de haute qualité produisent un profil d'irradiance gaussien de faible ordre, le mode TEM00 . Un faisceau laser gaussien ayant la même puissance optique moyenne qu'un faisceau laser à intensité uniforme aura une fluence de crête deux fois plus importante que celle du faisceau à intensité uniforme (Figure 2). Les faisceaux gaussiens restent constants sous les transformations ; par conséquent, le profil du faisceau est toujours gaussien lorsque le faisceau se propage dans le système, même si la taille du faisceau varie. En effet, la transformée de Fourier d'une fonction gaussienne est une autre fonction gaussienne. La lumière subit une transformation de Fourier en se propageant à une distance infinie ou en étant focalisée par une lentille parfaite. Pour en savoir plus sur les modes laser tels que TEM00, consultez notre note d'application Modes de résonateurs laser.

Figure 2 : Faisceau gaussien et faisceau à intensité uniforme à la même puissance optique, montrant que l'intensité maximale du faisceau gaussien est le double de celle du faisceau à intensité uniforme.

Les lasers gaussiens sont plus courants et plus économiques que les autres lasers, mais ils présentent plusieurs inconvénients, tels que leurs « ailes », c'est-à-dire les régions de faible intensité qui s'étendent à partir de la partie centrale utilisable du faisceau. Les ailes d'un faisceau gaussien conduisent souvent à un gaspillage d'énergie si elles ont une intensité inférieure au seuil requis pour l'application (Figure 1). Ils peuvent également endommager les zones environnantes et étendre la zone affectée par la chaleur, ce qui est préjudiciable dans des applications telles que la chirurgie au laser et l’usinage précis des matériaux. L'utilisation d'un faisceau gaussien pour couper ou façonner de fines caractéristiques se traduira par une précision inférieure à celle d'un faisceau à intensité uniforme en raison de l'extension de la zone affectée par la chaleur des faisceaux gaussiens, ce qui fait du faisceau à intensité uniforme une meilleure option pour ce type d'application.

Les faisceaux à intensité uniforme

Le facteur de planéité (F_η) permet d'évaluer dans quelle mesure un faisceau réel est proche d'un faisceau idéal à intensité uniforme. Cette valeur est déterminée en divisant la valeur moyenne de l'éclairement énergétique par la valeur maximale de l'éclairement énergétique, comme décrit dans la norme ISO 13694.¹

L'absence d'ailes et les transitions de bord plus raides dans les faisceaux à intensité uniforme permettent une distribution plus efficace de l'énergie, ainsi qu'une zone affectée par la chaleur plus petite.¹ Ceci est bénéfique dans une large gamme d'applications où une grande précision et des dommages minimaux aux zones environnantes sont prioritaires. Dans les applications de métrologie, telles que les essais de seuil de dommage laser (LIDT), le profil régulier et bien défini des faisceaux à intensité uniforme réduit l'incertitude des mesures et la variance statistique. L'éclairage uniforme fourni par les faisceaux à intensité uniforme est également bénéfique pour une grande variété d'applications, telles que la microscopie à fluorescence, l'holographie et l'interférométrie.² Voir notre note d'application Comprendre et spécifier le LIDT des composants laser pour plus d'informations sur la relation entre les dommages induits par le laser et les profils de faisceaux laser gaussiens et à intensité uniforme.

Les faisceaux à intensité uniforme ne sont pas aussi rentables que les faisceaux gaussiens, car un ensemble supplémentaire de modelage du faisceau est nécessaire pour convertir la sortie du laser en un faisceau à intensité uniforme (Figure 3). Cet ensemble de modelage du faisceau peut être intégré à la source laser ou placé à l'extérieur du laser. Ces ensembles supplémentaires de modelage de faisceau sont sensibles à l'alignement x-y et dépendent du diamètre du faisceau d'entrée. Les faisceaux laser à intensité uniforme ne restent pas non plus constants sous l'effet des transformations ; par conséquent, le profil d'un faisceau à intensité uniforme incident n'est pas naturellement préservé au fur et à mesure que le faisceau se propage. La transformée de Fourier d'une fonction à intensité uniforme est une fonction de la tache d'Airy, ce qui signifie que le faisceau à intensité uniforme évoluera finalement vers une tache d'Airy.

Figure 3 : Animation d'un profil de faisceau passant d'une distribution gaussienne à une distribution à intensité uniforme

Comment obtenir un faisceau à intensité uniforme

Dans certains systèmes peu coûteux et peu performants, les faisceaux gaussiens sont physiquement tronqués à l'aide d'une ouverture afin de créer une intensité quasi uniforme. Cela gaspille l'énergie des ailes gaussiennes mais peut être efficace lorsque le coût est un facteur déterminant. Pour les applications qui nécessitent des performances plus élevées et une utilisation efficace de l'énergie laser coûteuse, les optiques de modelage des faisceaux sont utilisées pour convertir les profils de faisceaux gaussiens en profils de faisceaux à intensité uniforme. Les convertisseurs de faisceau à réfraction permettent une distribution uniforme de l’intensité et des fronts de phase plats. Les Convertisseurs de Faisceau à Intensité Uniforme AdlOptica πShaper à réfraction créent un faisceau à intensité uniforme collimaté et présentent une efficacité proche de100% sans focalisation interne, ce qui permet d'obtenir des faisceaux d'entrée de grande puissance (Figure 4 et Figure 5). Leur conception optique les rend idéaux pour l'holographie, la microscopie et l'intégration dans des systèmes, en particulier sur de grandes distances.

Figure 4 : Modelage réfractif d'un faisceau gaussien incident en un profil à intensité uniforme à l'aide d'un Convertisseur de Faisceau à Intensité Uniforme AdlOptica πShaper³.

 

Figure 5 : Profils d'intensité expérimentaux d'un faisceau gaussien d'entrée (à gauche) et d'un faisceau à intensité uniforme de sortie sortant d'un Convertisseur de Faisceau à Intensité Uniforme AdlOptica πShaper (à droite)³.

Les Convertisseurs de Faisceau à Intensité Uniforme AdlOptica Focal-πShaper Q à réfraction sont un autre type de conformateur de faisceau qui convertit un faisceau gaussien d'entrée en un profil de de la tache d'Airy collimaté. Cela forme une tache focalisée à intensité uniforme après focalisation à travers une lentille limitée par la diffraction (Figure 6). La conception compacte et le filetage de ces composants permettent de les intégrer facilement dans divers systèmes. Ils présentent également une efficacité proche de 100% et conviennent aux applications dans lesquelles un profil à intensité uniforme est souhaité à un endroit précis, comme la lithographie, le micro-usinage et le micro-soudage.^4,5

Figure 6 : Les Convertisseurs de Faisceau à Intensité Uniforme Focaux - πShaper Q d’AdlOptica convertissent les profils de faisceau gaussien incident en profils de la tache d’Airy de manière à obtenir des profils de faisceau à intensité uniforme après passage à travers des optiques de focalisation.

Edmund Optics propose également d'autres types de produits, notamment des modèles réfléchissants, holographiques et diffractifs. Pour plus d'informations, voir nos Convertisseurs de Faisceaux ou contactez notre Équipe d’Ingénieurs d’Application pour obtenir de l'aide.

Références

1. International Organization for Standardization. (2018). Optics and photonics -- Lasers and laser-related equipment -- Test methods for laser beam power (energy) density distribution (ISO 13694-3:2018).
2. Eryilmaz, Marion, et al. “Localization Microscopy Analyses of MRE11 Clusters in 3D-Conserved Cell Nuclei of Different Cell Lines.” Cancers, vol. 10, no. 1, 22 Jan. 2018, doi:10.3390/cancers10010025.
3. Laskin, Alexander, et al. “Laser Beam Shaping for Biomedical Microscopy Techniques.” Biophotonics: Photonic Solutions for Better Health Care V, 27 Apr. 2016, doi:10.1117/12.2217927.
4. Hung, Yung-Jr, et al. “Employing Refractive Beam Shaping in a Lloyds Interference Lithography System for Uniform Periodic Nanostructure Formation.” Journal of Vacuum Science & Technology B, Nanotechnology and Microelectronics : Materials, Processing, Measurement, and Phenomena, vol. 35, no. 3, 11 Apr. 2017, doi:10.1116/1.4980134.
5. Laskin, Alexander, et al. “Refractive Beam Shapers for Focused Laser Beams.” Laser Beam Shaping XVII, 27 Sept. 2016, doi:10.1117/12.2235712.