Une approche peu intuitive pour équilibrer les propriétés de l'expanseur de faisceau afin de maximiser l'intensité du point focalisé

Auteurs : Jay Small

Pour les applications laser utilisant un faisceau focalisé, le but est souvent d'obtenir une taille de point focalisé avec une densité de puissance suffisamment élevée pour le processus concerné. Un système d'émission de faisceau comprendra le laser initial, un collimateur et un élément de focalisation final. Avant la focalisation, il est possible d’augmenter le faisceau avec un expanseur de faisceau afin de réduire la taille du point.

Une hypothèse courante consiste à exiger que l'ouverture utile de l'expanseur de faisceau soit au moins deux fois plus grande que le diamètre du faisceau d'entrée afin d'éviter d'altérer la qualité du faisceau laser, de réduire la puissance du laser et d'obtenir une taille de point minimale. S'il est vrai que cela produira une intensité de point plus élevée qu'un rapport d'ouverture plus faible, les expanseurs de faisceau disponibles dans le commerce de 5X ou plus accepteraient souvent des faisceaux d'entrée trop petits s'ils respectaient cette règle.

En réalité, il est possible d'obtenir une intensité de faisceau plus élevée avec une configuration du système qui tronque légèrement le faisceau. Avec cette approche, deux facteurs concurrents influencent l'intensité finale du point. L'élargissement du diamètre du faisceau avant la focalisation diminue la taille du point et augmente son intensité tandis que la réduction du faisceau augmente la taille du oint et diminue son intensité. De manière peut-être peu intuitive, le compromis optimal pour produire l'intensité de point la plus élevée est un faisceau tronqué passant par un expanseur à plus fort grossissement.

Cette note d'application illustre comment le choix de composants optiques qui réduisent une partie de la puissance du laser permet d'obtenir une intensité de point supérieure à celle d'un composant qui laisse passer >99% de la puissance du faisceau. Les intensités sont analysées à l'aide du logiciel OpticsStudio Physical Optics Propagation (POP) d'Ansys pour une gamme de rapports de coupage.

Figure 1 : Il est surprenant de constater que l'utilisation d'un expanseur de faisceau à fort grossissement qui coupe les bords du faisceau peut donner lieu à un point final d'intensité plus élevée après focalisation, par rapport à un extenseur à faible grossissement sans troncature.

Exemple de troncature du faisceau pour maximiser la densité de puissance

Prenons l'exemple d'un système utilisant un laser Nd:YAG à onde continue (CW) de 100 W à 532 nm qui nécessite une distance de travail minimale de 100 mm et une intensité de pointe du point focalisé de 10 kW/mm². Le laser a un diamètre de faisceau de sortie de 2,5 mm, mesuré par le diamètre de $1⁄e^2$ du second moment. Pour simplifier l'analyse, nous prendrons le facteur de qualité du faisceau comme M² = 1, en supposant qu'il s'agit d'un faisceau gaussien idéal. La distance focale la plus courte autorisée, à savoir 100 mm, ne permet pas d'obtenir l'intensité de point requise, soit seulement 0,35 kW/mm².

Nous devons donc utiliser un expanseur de faisceau pour élargir le faisceau avant la mise au point. Deux options d'expanseur de faisceau sont disponibles dans la famille Edmund Optics^® Vega^® , #39-738, un expanseur 5X, et #39-739, un expanseur 7X. Tous deux ont le même diamètre extérieur et se situent à des niveaux de prix similaires. Nous constatons que l'ouverture utile de 5,0 mm pour l'extenseur 5X correspond à 2 fois le diamètre de notre faisceau, mais que l'intensité du spot résultant n'est que de 8,6 kW/mm². En ce qui concerne le 7X, comme les appareils ont la même taille d'ouverture de sortie, le grossissement plus important signifie que l'ouverture utile d'entrée doit être plus petite – 3,3 mm – et tronquera notre faisceau.

Examinons l'effet de ces deux expanseurs de faisceau sur l'intensité de notre point en fonction de la taille de l'ouverture dans la Figure 2. Les données d'intensité maximale sont générées avec l'analyse POP d'OpticStudio, qui tient compte de l'effet de troncature dû à l'augmentation de la taille du point focalisé et de la perte de puissance associée. Dans les deux cas, le diamètre du faisceau d'entrée est de 2,5 mm. Il convient de noter que les tracés commencent à 1 diamètre de faisceau, ce qui correspond à une troncature assez importante de 13,5% de la puissance du laser. Nous constatons cependant que l'expanseur de faisceau 7X atteint l'intensité du point de 10 kW/mm² avant d'atteindre sa limite d'ouverture d'entrée de 3,3 mm, alors que l'expanseur 5X n'atteint jamais cette valeur.

Figure 2 : Intensité de crête en fonction du diamètre de l'ouverture utile d'entrée, montrant que la troncature du faisceau passant par l'expanseur 7X permet d'obtenir une densité de puissance plus élevée que l'expanseur 5X sans troncature.

Dans cet exemple, l'expanseur 7X réduit de 3% la puissance du laser, mais l'intensité finale du point est conforme à nos exigences. La puissance tronquée de 3 W peut nécessiter une ouverture gérée thermiquement avant l'expanseur pour éviter la surchauffe, mais cela ne modifiera pas davantage l'intensité des points.

Expanseurs de faisceau chez Edmund Optics^®

Photo of different kinds of laser beam expanders

Edmund Optics^® conçoit une grande variété d'expanseurs de faisceau laser. Les options disponibles comprennent de nombreux traitements pour différentes longueurs d'onde laser, un réglage de la divergence, un grossissement variable et même des conceptions réfléchissantes. Que vous ayez besoin de petites quantités de produits prêts à l'emploi pour une expédition immédiate ou de grands volumes d'xspanseurs de faisceau personnalisés, nous avons des solutions pour votre système laser.