Peut-on utiliser un expanseur de faisceau en sens inverse ?

Les expanseurs de faisceau laser peuvent être utilisés en sens inverse pour réduire le diamètre du faisceau plutôt que de l'élargir (Figure 1).

Figure 1 : Les expanseurs de faisceau utilisent généralement une petite lentille d’objectif et une grande lentille d'image pour augmenter le diamètre du faisceau, mais ils peuvent être utilisés à l'inverse avec une grande lentille d’objectif et une petite lentille d'image pour diminuer le diamètre du faisceau.

Les expanseurs de faisceau sont généralement utilisés pour augmenter le diamètre d'un faisceau laser afin de réduire la divergence, de minimiser la taille du spot focalisé en élargissant le faisceau avant l'élément de focalisation, ou de prévenir les dommages induits par le laser à l'intérieur d'un système en réduisant la densité de puissance. Dans une orientation typique d'un expanseur de faisceau, le faisceau rencontre d'abord une petite lentille d'objectif, puis est collimaté par une lentille d'image plus grande (Figure 1). Les relations entre le diamètre du faisceau, la divergence et la puissance de grossissement (PG) sont les suivantes :

(1)$$ \frac{\text{Divergence du faisceau d'entrée} \left( \theta_I \right)}{\text{Divergence du faisceau de sortie} \left( \theta_O \right)} = \frac{\text{Diamètre du faisceau de sortie} \left( D_O \right)}{\text{Diamètre du faisceau d’entrée} \left( D_I \right)} $$

La puissance de grossissement (PG) peut maintenant être exprimée en termes de divergences de faisceau ou de diamètres de faisceau.

(2)$$ \text{PG} = \frac{\_theta _I}{\theta _O}$$$

(3)$$ \text{PG} = \frac{D_O}{D_I} $$

L'inversion de l'orientation d'un expanseur de faisceau inversera la puissance de grossissement. Par exemple, si un expanseur de faisceau 5X est utilisé en sens inverse, il aura désormais un nouveau puissance de grossissement de 1/5 au lieu de 5. Le diamètre du faisceau est réduit avec succès, mais les équations 1 et 2 montrent que la divergence du faisceau va augmenter. Dans l'exemple précédent, un faisceau sortant de l'expanseur de faisceau 5X aura une divergence du faisceau de sortie égale à 1/5 de la divergence du faisceau d'entrée. Cependant, lorsqu'il est utilisé en sens inverse, la divergence du faisceau de sortie sera 5 fois supérieure à celle du faisceau d'entrée. Cela signifie que, dans de nombreux cas, un expanseur de faisceau utilisé en sens inverse réduira le diamètre du faisceau à proximité de l'expanseur de faisceau, mais que la divergence fera que le diamètre sera plus grand à une certaine distance. Cela peut ne pas permettre d'atteindre le résultat final souhaité par l'utilisateur si son intention était d'avoir un petit faisceau à distance.

La divergence du faisceau d'un laser peut généralement être trouvée dans un manuel d'utilisation ou une fiche technique. On peut également l'estimer en mesurant le diamètre du faisceau à une distance 1 du laser, puis à une distance 2 du laser :

(4)$$ \text{Divergence Laser } \left( \theta_L \right) = \theta_I = 2 \, \arctan{\left[ \frac{D_2 - D_1}{2 \left( \text{Distance entre les points 1 et 2} \right) } \right]} $$

Mises en garde supplémentaires

Outre l'augmentation de la divergence, l'utilisation d'un expanseur de faisceau à l'envers présente d'autres inconvénients, car ils sont généralement conçus pour amplifier les faisceaux.

Réflexions fantômes - Les conceptions typiques des expanseurs de faisceau tiennent compte des réflexions fantômes, ou réflexions internes indésirables sur les éléments de la lentille, lorsque les expanseurs sont utilisés pour augmenter le diamètre du faisceau. À moins que l'expanseur de faisceau n'ait été spécifiquement conçu pour une orientation inverse, il n'a probablement pas été vérifié pour les réflexions fantômes en cas d'utilisation inverse. Les réflexions fantômes peuvent entraîner une focalisation interne qui peut réduire la qualité du faisceau et potentiellement endommager les éléments internes. Cela n'est pas particulièrement courant car un expanseur de faisceau sans réflexions fantômes utilisé dans l'orientation typique n'en aura pas dans l'orientation inversée. Cependant, les réflexions fantômes sont toujours possibles et méritent d'être vérifiées, surtout lorsqu'elles sont utilisées avec des lasers de forte puissance.

Seuil de dommage laser (LIDT) - Les seuils de dommage sont généralement spécifiés comme la puissance ou l'énergie incidente maximale à l'ouverture d'entrée. Lorsque vous utilisez l'expanseur de faisceau en sens inverse, ce qui était l'ouverture de sortie est maintenant la « nouvelle » ouverture d'entrée. Cette surface est maintenant exposée à une énergie plus élevée qu'elle ne le serait normalement, ce qui doit être pris en compte lors de la vérification de la puissance ou des capacités de traitement de l'énergie de l'expanseur de faisceau.