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Qu'est-ce que l'analyse de faisceau laser ?

Un analyseur de faisceau laser capture, affiche et enregistre le profil d'intensité spatiale d'un faisceau laser dans un plan particulier transversal au trajet de propagation du faisceau. Comme il existe de nombreux types de lasers - ultraviolet, visible, infrarouge, continus, pulsés, de forte puissance, de faible puissance, il existe une importante gamme d'instruments. Aucun analyseur de faisceau laser ne peut gérer tous les niveaux de puissance, durée d'impulsion, fréquence de répétition, longueur d'onde et taille de faisceau des lasers du marché.

Vue d'ensemble :

Les analyseurs de faisceau laser mesurent les paramètres suivants :

 

  • Largeur du faisceau : Il existe plus de cinq définitions de largeur de faisceau

  • Qualité du faisceau : Quantifiée par le paramètre de qualité du faisceau, M2

  • Divergence de faisceau : Il s'agit d'une mesure de l'étalement du faisceau en fonction de la distance

  • Profil de faisceau : un profil de faisceau est le tracé 2D d'intensité d'un faisceau à un emplacement donné le long du trajet du faisceau. Un profil gaussien ou plat est souvent souhaité. Le profil du faisceau indique des modes spatiaux d'ordre élevé gênants dans une cavité laser ainsi que des points chauds dans le faisceau

  • Astigmatisme du faisceau : le faisceau est astigmatique lorsque ses parties verticale et horizontale se focalisent à différents endroits le long du trajet du faisceau

  • Pointé : valeur du déplacement du centroïde ou de la valeur maximale du profil de faisceau avec le temps

 

Technologies de mesure :

  • Caméra : Le faisceau est directement envoyé sur le capteur de la caméra. La taille minimale du spot afin de conserver une bonne précision de mesure est de l’ordre de 10x la taille du pixel. Alternativement, éclairer une surface diffuse plane avec le laser et imager la lumière sur un capteur avec un objectif permet de profiler des faisceaux de grands diamètres

  • Balayage de fentes : une lame en rotation ou une fente coupe le faisceau laser avant la détection par un mesureur de puissance. Le wattmètre mesure l'intensité en fonction du temps. En prenant les profils d'intensité intégrés dans un certain nombre de coupes, le profil de faisceau d'origine peut être reconstruit en utilisant des algorithmes développés pour la tomographie. Cela ne fonctionne généralement pas avec les lasers à impulsions et ne fournit pas un véritable profil de faisceau 2D, mais sa résolution est excellente, dans certains cas <1 µm

  • Analyse de front d’onde : le faisceau traverse un réseau 2D de minuscules objectifs dans un capteur de front d'onde Shack–Hartmann. Chaque lentille redirige sa partie du faisceau et, à partir de la position du faisceau dévié, la phase du faisceau d'origine peut être reconstruite


Exemples d’applications de l’analyse de faisceau :

  • Découpe au laser : Un laser à profil de faisceau elliptique a une coupe plus large dans une direction que dans une autre. La largeur du faisceau influence les bords de la coupe. Une largeur de faisceau plus étroite produit une fluence élevée et ionise, plutôt que fond, la pièce usinée. Les bords ionisés sont plus propres et ont moins de moletage que les bords fondus

  • Optique non linéaire : le rendement de conversion de fréquence dans les matériaux optiques non linéaires est proportionnel au carré (parfois au cube ou plus) de l'intensité lumineuse d'entrée. Par conséquent, pour obtenir une conversion de fréquence efficace, la taille du faisceau en entrée doit être aussi petite que possible. Un analyseur de faisceau peut aider à minimiser la taille du faisceau dans le cristal non linéaire

  • Alignement : Les analyseurs de faisceau sont d’une précision angulaire supérieure à celle des iris

  • Suivi laser : il est souvent nécessaire de surveiller la sortie d’un laser pour voir si le profil du faisceau change après de longues heures de fonctionnement. Le maintien d'une forme de faisceau particulière est essentiel pour l'optique adaptative, l'optique non linéaire et la diffusion laser-sur-fibre

Mesures réalisées :

  • Largeur du faisceau : Elle est la caractéristique la plus importante d'un profil de faisceau laser. Au moins cinq définitions de largeur de faisceau sont couramment utilisées : D4σ, 10/90 ou 20/80, 1/e2, FWHM et D86. La largeur du faisceau D4σ correspond à la définition de la norme ISO et la mesure du paramètre de qualité du faisceau M² nécessite la mesure des largeurs D4σ. Les autres définitions fournissent des informations complémentaires au D4σ et sont utilisées dans des circonstances différentes. Le choix de la définition peut avoir un effet important sur la valeur de la largeur de faisceau obtenue et il est important d'utiliser la méthode correcte pour toute application donnée

  • Paramètre de qualité de faisceau M2 : Il est synonyme de la qualité du faisceau. Une valeur M2 faible indique une bonne qualité de faisceau et une capacité de focalisation précise. La valeur M est égale au rapport de l'angle de divergence du faisceau sur celui d'un faisceau gaussien de même largeur D4σ. Comme le faisceau gaussien diverge plus lentement que toute autre forme de faisceau, le paramètre M2 est toujours supérieur ou égal à un

  • Divergence de faisceau : Elle est une mesure de la vitesse à laquelle le faisceau se dilate loin de la taille du faisceau. Elle est généralement définie comme étant la dérivée du rayon du faisceau par rapport à la position axiale dans le champ lointain, c'est-à-dire à une distance de la taille du faisceau qui est beaucoup plus grande que la longueur de Rayleigh. Cette définition donne un demi-angle de divergence. Pour un faisceau gaussien limité par la diffraction, la divergence du faisceau est égale à λ/(πw0), où λ est la longueur d'onde (dans le milieu) et w0 le rayon du faisceau au waist. Une divergence importante du faisceau pour un rayon de faisceau donné correspond à une mauvaise qualité du faisceau. Une faible divergence de faisceau peut être importante pour des applications telles que les communications optiques. Les faisceaux avec une très faible divergence, c'est-à-dire avec un rayon de faisceau approximativement constant sur des distances de propagation significatives, sont appelés faisceaux collimatés. Pour la mesure de la divergence du faisceau, on mesure généralement le rayon du faisceau à différentes positions, en utilisant par exemple un analyseur de faisceau

  • Astigmatisme : Il se produit lorsque les sections transversales horizontale et verticale du faisceau se focalisent à différents endroits le long du trajet du faisceau. L'astigmatisme peut être corrigé avec une paire de lentilles cylindriques. La métrique de l'astigmatisme est la puissance de la lentille cylindrique nécessaire pour rapprocher les foyers des sections transversales horizontale et verticale. Il peut être causé par une lentille thermique, un cristal non linéaire, le mauvais alignement des optiques… L'astigmatisme peut facilement être caractérisé par un analyseur de faisceau en observant où les faisceaux x et y se focalisent en translatant l’analyseur le long du trajet du faisceau

  • Pointé laser : Aucune source laser n’est parfaitement stable. Il est très intéressant de caractériser la déviation du faisceau (échelle de temps lente) ou la gigue (échelle de temps rapide) d'un faisceau laser. La déviation du faisceau et la gigue peuvent être mesurées en suivant le centroïde ou la crête du faisceau sur un analyseur de faisceau. Une mesure typique du pointé du faisceau consiste à suivre le centre de gravité du faisceau sur plusieurs minutes. La déviation efficace des données centroïdes donne une image claire de la stabilité du pointé du faisceau laser. Le temps d'intégration de la mesure de la gigue du faisceau doit toujours accompagner la valeur efficace calculée. Même si la résolution en pixels d'une caméra peut être de plusieurs micromètres, une résolution centroïde inférieure au pixel (éventuellement une résolution de plusieurs dizaines de nanomètres) est atteinte lorsque le rapport signal / bruit est bon et que le faisceau remplit la majeure partie de la zone active du capteur

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