Техника фокусировки (сканирующий пучок)

Формирование изображения с помощью этой методики заключается в последовательном облучении необходимого топологического рисунка с помощью светового пучка, фокусируемым микроскопическим объективом. Проход луча по заданному контуру образца достигается либо путем запрограммированного движения XY-координат, либо путем сканирования световым пучком.

Фокусировка лазерного луча зависит от поперечного распределения интенсивности пучка. Единственная поперечная мода (TEMoo) лазерного излучения, характеризуемая гауссовым распределением интенсивности I (r), перпендикулярна направлению ее распространения. В зависимости от геометрии резонатора, пучок имеет минимальный диаметр (так называемая перетяжка ), расположенный внутри резонатора или на выходном зеркале. Геометрия резонатора определяет также полный угол расходимости пучка α_s, который на больших расстояниях равен (λ – длина волны лазера).

Картина поперечного распределения многомодового лазерного излучения является гораздо более сложной, расходимость пучка также зависит от модовой структуры, и приближенно описывается формулой (D – диаметр пучка, m – самый большой номер моды).

Как известно, для одномодового лазера минимальный размер сфокусированного пучка наблюдается на расстоянии S_F от объектива, которое больше, чем фокусное расстояние F; размера пятна при этом и он меньше, чем размер d₀ в фокусе. Тем не менее, S_F и F обычно очень мало отличаются (), и для того, чтобы найти минимальный размер пятна (в фокусе) можно использовать формулу:

, (21)

полученную из геометрической оптики телецентрических пучков; α – полный угол расхождения луча. Подставляя α_s или α_m в (21) получаем примерно такой же теоретический предел d₀ ≈ λ, что согласуется с теорией гауссовых пучков.

Если распределение интенсивности пучка равномерно (например, в результате обработки с помощью статистической или другой, оптической системы), и оптическая система идеальна (безаберрационная) для фокусировки пучка, в фокальной плоскости формируется дифракционная картина Фраунгофера, центральный максимум которой имеет размер d₀ (также примерно определяется (21)), где сосредоточено 84% от общей энергии пучка.

Теоретически предел фокусировки в этом случае также легко получить, предположив, что расхождение сопоставимо с дифракционным пределом , который снова дает .

При наличии аберраций, дифракционная картина размыта, размытие пятна, и его размер растет, приближаясь к круговой аберрации, что подтверждает дифракционную теорию аберраций.

На практике, (21) хорошо работает, если подставить экспериментальное значение α, которое часто определяется для коммерческих лазеров (или может быть измерено относительно легко).

Экспериментальное распределение энергии лазерного луча в фокальной плоскости оптической системы характеризуется, как правило, кривой Гаусса для одномодового режима лазера и известного дифракционного распределения (функция Бесселя) для многомодового лазера.

Дальнейшее уменьшение размера фокусного пятна может быть достигнуто путем размещения в передней части телескопического объектива расширителя пучка с увеличением Г (уменьшение расхождения в Г раз). Можно либо уменьшить d₀, либо увеличить фокусное расстояние объектива F, не изменяя d₀: (21а).

Основным преимуществом фокусировки методом сканирующего пучка является возможность сконцентрировать всю энергию лазерного излучения в пятно минимального размера. Это делает метод полезным в энергоемких предварительных операциях, таких как в производство, резка, сверление микроотверстий, микросварка и т.д.

Для высокого качества обработки требования к точности имеют огромное значение, такие как ограничения неровности края, обеспечение однородного облучения зоны и т. д. В этом случае, резка с помощью сфокусированного лазерного пучка не является оптимальной по следующим причинам: (I) распределение энергии в фокусном пятне не является однородным, так что строго определенных размеров зоны воздействия нет, и (II) получение разреза с достаточно гладкими краями посредством круглых точек требует высокой степени перекрытия, что снижает производительность метода (рис.4). Использование лазерного луча с прямоугольным поперечным сечением может уменьшить неровность края (по крайней мере на поверхности) и увеличить скорость резки одновременно. При заданном r₀ и перемещении пятна , начальная неровность δ возрастает с увеличением u₀ и уменьшением r₀:

Таким образом, ограничено данным δ. В то же время для прямоугольного пучка является независимым от δ. Например, для .

Тем не менее, фокусирующая техника остается приемлемой при лазерных импульсов с высокой частотой повторения (f = 10-100 кГц), особенно с учетом простоты оптической установки.