Деррик Петерман, PhD Ophir-Spiricon LLC
Небольшие балки используются во многих критических приложениях, но часто они не профилируются напрямую. Несмотря на то, что получение хороших данных профилирования лучей на пучках до 10 мкм имеет свои проблемы, их можно преодолеть с помощью проверенных методов.
Профилирование лучей размером до 10 мкм является одним из наиболее сложных приложений для профилирования лучей. Есть множество причин для этого, в том числе очень маленький размер. Массивы фокальной плоскости, обычно используемые при профилировании луча, имеют размеры в пикселях от 3 до 10 мкм, которые слишком велики, чтобы разумно профилировать эти маленькие лучи без увеличения. Еще более усложняют эти измерения высокая механическая точность устройства профилирования луча, а также большие расхождения и быстрое расширение лучей.
Эти проблемы приводят к тому, что многие организации «ослепают» в проектах, связанных с малым размером луча. Вместо использования данных прямых измерений лучей пользователи обычно полагаются на косвенные методы и оценки, теоретические модели или ожидания того, что данные поставщика действительно отражают реальность. Точные измерения размера пучка при этих размерах имеют решающее значение в таких приложениях, как эффективность волоконно-оптической связи, сканирование дефектов, оптический дизайн и управление процессом оптического изготовления.
В то время как измерение луча до 10 мкм более сложно, чем измерение луча от 1 до 2 мм, надежные профили этих небольших лучей могут быть получены простым способом. Обычно используются два метода: профилирование ближнего поля и профилирование дальнего поля. Профилирование ближнего поля кажется очевидным, поскольку оно включает в себя визуализацию света в его самой маленькой точке в «ближнем поле» талии луча. Профилирование дальнего поля противоречит интуиции, так как луч анализируется на большом расстоянии от талии луча, чтобы определить его размер; этот тип профилирования может быть более выгодным, чем прямые методы ближнего поля.
Где ближнее поле и как оно профилировано?
Ближним полем лазерного луча является область вокруг его талии или фокуса. Для небольших лучей профилировщик ближнего поля состоит из линзы объектива микроскопа для изображения и увеличения луча в его фокусе; Полученное изображение получено с помощью профилировщика луча. В большинстве случаев используется профилировщик пучка CCD, но также возможно использование сканирующих профилировщиков апертуры. Важным фактором при профилировании ближнего поля является механическая точность позиционирования устройства, поскольку измерения размера луча чувствительны к небольшой неточности в плоскости изображения. Мы можем понять механические ограничения позиционирования из следующего уравнения распространения луча:
где Dz - это размер луча в точке z вдоль оптического пути, D0 - это длина луча (что должно быть измерено), а θ - расходимость луча в дальней зоне в радианах. Для дифракционно-ограниченного луча это становится:
Чтобы точно определить, как должна быть установлена плоскость измерения для измерения 5-мкм луча с точностью до 2% для луча на видимых длинах волн, мы используем это уравнение для расчета в диапазоне от 5 до 7 мкм. Это означает, что весь прибор должен быть расположен с такой точностью относительно фокальной точки для достижения достаточно точного размера луча, а глубина фокусировки объектива микроскопа также должна быть одинаково узкой (рис. 1). Механическое оборудование для позиционирования и объективы микроскопа, которые соответствуют требуемой точности, легко доступны.
Рис. 1. Узел адаптера профилировщика ближнего поля C-mount обычно используется при измерении луча.
Еще одно важное соображение заключается в том, чтобы обеспечить ослабление луча там, где он коллимируется - между линзой объектива микроскопа и профилировщиком луча. Фильтры и аттенюаторы луча вблизи фокуса луча создают проблемы из-за большой плотности мощности и энергии вблизи фокуса, что приводит к тепловому линзированию. Кроме того, большие углы расхождения луча вблизи фокуса создают искажения, когда луч проходит через фильтр.
Еще одно важное соображение заключается в том, чтобы обеспечить ослабление луча там, где он коллимируется - между линзой объектива микроскопа и профилировщиком луча. Фильтры и аттенюаторы луча вблизи фокуса луча создают проблемы из-за большой плотности мощности и энергии вблизи фокуса, что приводит к тепловому линзированию. Кроме того, большие углы расхождения луча вблизи фокуса создают искажения, когда луч проходит через фильтр.
Проверка дефектов пленки
Профилирование ближнего поля было использовано для анализа оптики в системе контроля дефектов пленки. Линзы были спроектированы для получения пятен размером от 1 до 4 мкм на тестовой поверхности в сочетании с адаптивной оптикой для минимизации искажений. В одной линзе был измерен размер пятна луча около 2 мкм; вокруг профиля луча наблюдался «ореол» (рис. 2), что ухудшает разрешение системы контроля дефектов.
Рисунок 2. Луч 2 мкм с небольшой адаптивной оптической коррекцией.
системы контроля дефектов. Однако при использовании процедуры адаптивной оптики наблюдалось уменьшение гало (рис. 3).
Рисунок 3. Луч 2 мкм с большей оптической коррекцией.
Это сравнение показывает одну из сильных сторон использования профилировщика матрицы фокальной плоскости с этим методом. Поскольку массив фокальной плоскости генерирует двухмерное изображение профиля, пространственные особенности легко наблюдаются. Это часто указывает на общую производительность оптики, а также выявляет оптические дефекты, которые могут ухудшить производительность оптической системы.
Профилировщики сканирующей апертуры могут измерять лучи менее 10 мкм, в зависимости от их конструкции, без необходимости использования объектива микроскопа. Это может сделать профили сканирующей апертуры привлекательными для измерения небольших лучей, поскольку измерения упрощены; профилировщики со сканирующей апертурой наиболее эффективно используются для измерения размеров лучей до 10 мкм. Часто упускается из виду точность плоскости сканирования, которая должна быть точной с точностью до нескольких микрон, чтобы получить надежные результаты.
При определении размера пучка, выходящего из волновода или волокна, часто называемого диаметром модового поля (MFD), сканирующая апертура проблематична, так как волокно или волновод должны будут прижиматься прямо к отверстию или ножу вихревой щели - подлежит определению край, скорее всего, повреждает апертуру сканирования и, возможно, источник теста. Вместо этого используются объективы микроскопа с плоскостями изображения от 1 до 5 мм перед объективом, поэтому профилировщик не контактирует с источником теста.
В некоторых лабораториях измеряли небольшие размеры лучей, используя лезвие бритвы, микронный позиционер и фотодиод. Лезвие бритвы медленно двигалось через луч, чтобы измерить его размер. Этот метод работает, если для улучшения производительности не требуется активное выравнивание. Техника профилирования кромки ножа устраняет большую часть пространственной 2D-структуры луча, поэтому она не дает адекватной информации об аберрациях или других структурах луча.
Измерение небольшого луча издалека
Менее известная методика измерения небольшого луча, который многие считают нелогичным, состоит в профилировании его непосредственно в дальнем поле и преобразовании распределения профиля дальнего поля в ближнее поле для определения размера луча. Этот метод задокументирован в процедуре тестирования оптоволокна (FOTP) 191 Ассоциации промышленной связи (TIA) в качестве метода прямого дальнего поля для измерения MFD одномодового оптического волокна. Хотя процедура первоначально была разработана для характеристики МФД оптических волокон, этот метод действителен для любого одномодового пучка.
В области дальнего поля модовая структура пучка больше не развивается вдоль оптического пути, и результирующий профиль такой же, как наблюдался бы на бесконечности. Эта область начинается на расстоянии >> πd2 / λ, где d - размер талии пучка, а λ - длина волны света. Для опорного пучка 10 мкм на длине волны 1 мкм, это расстояние составляет примерно 300 мкм. Частью проблемы измерения луча с малой талией в дальнем поле является то, что луч быстро расширяется, часто увеличиваясь до размеров нескольких сантиметров в дальнем поле, что слишком велико для профилирования большинством ПЗС и другие камеры на основе массива.
Вместо этого для профилирования углового распределения интенсивности пучка используется сканирующий гониометрический радиометр. Из измеренного углового распределения MFD рассчитывается с использованием интеграла Петермана II, полученного Клаусом Петерманом в 1983 году:
Рисунок 5. При использовании стандартного гониометрического радиометра перемещается либо источник, либо детектор.
где F (θ) - интенсивность дальнего поля как функция угла сканирования. Система сканирующего гониометрического радиометра (рис. 4) традиционно включает в себя медленное перемещение детектора по дуге с фиксированным образцом для определения профиля дальнего поля. Однако в некоторых случаях источник теста был перемещен, а детектор оставался неподвижным (Рисунок 5). Одной из сильных сторон этого метода является то, что он не требует тщательного механического позиционирования источника теста; для многих геометрий сканирования механическое позиционирование должно быть с точностью до миллиметра. Поскольку профилирование в дальнем поле требует гораздо меньшей точности при выравнивании и позиционировании образца, оно имеет тенденцию быть более повторяемым и менее зависимым от пользователя, чем профилирование в ближнем поле. С правильным сканером дальнего поля это также намного быстрее, чем профилирование ближнего поля.
Рис. 4. Система гониометрического радиометра. здесь и датчик, и тестовый источник зафиксированы, что позволяет сканировать в режиме реального времени.
Рисунок 5. При использовании стандартного гониометрического радиометра перемещается либо источник, либо детектор.
Быстро сканирующий гониометрический радиометр, разработанный Guttman1 и поставляемый компанией Ophir, использует оптоволоконный жгут, вращающийся вокруг поворотного зеркала, при этом источник испытания и детектор остаются неподвижными. Вращающийся пучок волокон геометрически эквивалентен точечному датчику, сканирующему через дугу вокруг тестового источника. Чтобы сформировать полусферы профиля дальнего поля с высоким разрешением, складывающееся зеркало поворачивается с приращением, чтобы получить профили под различными азимутальными углами, эквивалентными вращению тестового источника. Этот процесс занимает меньше минуты. Было показано, что этот метод является точным при характеристике MFD H-66 Photonics Handbook 2016 Test & Measurement PS Nov. 2015 Функция измерения Рис. 4 Ось вращения шагового двигателя Lisa (оптическая ось) Серводвигатель InGaAs или Si-детектора Усилитель Источник сигнала Адаптерная пластина Датчик углового положения пучка оптического волокна зеркала входной апертуры Рис. 4. Система гониометрического радиометра; здесь и датчик, и тестовый источник зафиксированы, что позволяет сканировать в режиме реального времени. PS, ноябрь 2015 г. Функция измерения Рис. 5. Детектор источника Lisa r Детектор источника Стационарный источник / движущийся детектор Движущийся источник / стационарный детектор Рис. 5. При использовании стандартной гониометрической радиометра перемещается либо источник, либо детектор.
оптические волокна и волноводы. Даже для волокон с очень маленькими МФД (<5 мкм) было обнаружено, что негауссовские профили и эллиптические размеры лучей были разумно охарактеризованы, преобразуя профиль дальнего поля с интеграцией Петермана II, хотя эти атрибуты лучей нарушали предположения интеграла Петермана II. Получение и понимание данных профилирования сплошного малого луча может быть сложной задачей при работе с оптическими системами. Однако такие проблемы теперь можно преодолеть с помощью этих проверенных методов.
Ссылка
1. J. Guttman, R. Chirita et al. (26-28 сентября 2000 г.) Новый метод сканирования дальнего поля для быстрого измерения параметров оптического волокна. Технический сборник: Симпозиум по измерениям оптического волокна, изд. П. А. Уильямс и Г. В. Дэй. Как представлено на Симпозиуме NIST по измерениям оптического волокна (2000). Боулдер, Коло. Открытый доступ: www.ophiropt.com/user_files/laser/beam_profilers/NIST2000_PAPER.pdf
Все изображения предоставлены Derrick Peterman / Ophir-Spiricon LLC
Читать как PDF
