BRPI0605596B1 - DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING - Google Patents

DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING Download PDF

Info

Publication number
BRPI0605596B1
BRPI0605596B1 BRPI0605596-6A BRPI0605596A BRPI0605596B1 BR PI0605596 B1 BRPI0605596 B1 BR PI0605596B1 BR PI0605596 A BRPI0605596 A BR PI0605596A BR PI0605596 B1 BRPI0605596 B1 BR PI0605596B1
Authority
BR
Brazil
Prior art keywords
laser beam
fact
image
propagation
spreading
Prior art date
Application number
BRPI0605596-6A
Other languages
Portuguese (pt)
Inventor
Cristina Jorge Kelly
Riva Rudimar
André Silveira Rodrigues Nicolau
Original Assignee
Instituto De Estudos Avançados - Ieav
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Instituto De Estudos Avançados - Ieav filed Critical Instituto De Estudos Avançados - Ieav
Priority to BRPI0605596-6A priority Critical patent/BRPI0605596B1/en
Publication of BRPI0605596A publication Critical patent/BRPI0605596A/en
Publication of BRPI0605596B1 publication Critical patent/BRPI0605596B1/en

Links

Landscapes

  • Photometry And Measurement Of Optical Pulse Characteristics (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
  • Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)

Abstract

dispositivo e método para a caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência baseado em espalhamento de luz a presente invenção refere-se a uru dispositivo e método para a caracterização de feixes de laser de alta e baixa potência baseado em espalhamento de luz, que permite medir a qualidade do feixe de laser com urna única imagem da luz espalhada da propagação do feixe de laser. mais especificamente, a presente invenção revela uma nova maneira de medir os parâmetros espaciais de feixes de laser em tempo real, e que também pode ser utilizado para caracterizar um único pulso de um feixe de laser. com os dados fornecidos, em tempo real, por este dispositivo e com o método de caracterização do feixe de laser tornam-se mais eficientes as aplicaç6es a laser, pois permite conhecer a qualidade do feixe no instante da utilização do laser.A device and method for the characterization of low and high power light scattering laser beams The present invention relates to a device and method for the characterization of high and low power light scattering laser beams which allows you to measure laser beam quality with a single image of the scattered light from the laser beam spread. More specifically, the present invention discloses a novel way of measuring the spatial parameters of laser beams in real time, and which can also be used to characterize a single pulse of a laser beam. With the data provided in real time by this device and the laser beam characterization method, laser applications become more efficient, as it allows to know the quality of the beam at the moment of laser use.

Description

(54) Título: DISPOSITIVO E MÉTODO PARA A CARACTERIZAÇÃO DE FEIXES DE LASER DE BAIXA E ALTA POTÊNCIA BASEADO NO ESPALHAMENTO DE LUZ (51) Int.CI.: G01J 1/40 (73) Titular(es): INSTITUTO DE ESTUDOS AVANÇADOS - IEAV (72) Inventor(es): KELLY CRISTINA JORGE; RUDIMAR RIVA; NICOLAU ANDRÉ SILVEIRA RODRIGUES ····· · · · · · ·· • · · ··· · · ··· ··· · · ··· ·· · · · · · « · ··«·· · • · ·« · · · · · · · * · ·(54) Title: DEVICE AND METHOD FOR THE CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING (51) Int.CI .: G01J 1/40 (73) Holder (s): ADVANCED STUDY INSTITUTE - IEAV (72) Inventor (s): KELLY CRISTINA JORGE; RUDIMAR RIVA; NICOLAU ANDRÉ SILVEIRA RODRIGUES ····· · · · · ··· • · ··· · · ··· ··· · · ··· ·· · · · · · · ··· · ·· · • · · · · · · · · · * · ·

1/61/6

DISPOSITIVO E MÉTODO PARA CARACTERIZAÇÃO DE FEIXES DE LASER DE BAIXA E ALTA POTÊNCIA BASEADO NO ESPALHAMENTO DE LUZDEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING

Campo da Invenção ------ — __ ' 5 A presente invenção refere-se a um dispositivo e método para caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência baseado no espalhamento de luz, que permite medir a qualidade do feixe de laser com uma única imagem da luz espalhada do feixe de laser, em uma ou mais direções transversais.Field of the Invention ------ - __ '5 The present invention relates to a device and method for characterizing low and high power laser beams based on light scattering, which allows measuring the quality of the laser beam with a single image of the scattered light from the laser beam, in one or more transverse directions.

A presente invenção revela uma nova maneira de obter os parâmetros espaciais de feixes de laser de baixa e alta potência em tempo real, usando o efeito de espalhamento de luz.The present invention reveals a new way to obtain the spatial parameters of low and high power laser beams in real time, using the light scattering effect.

A presente invenção também possibilita caracterizar um único pulso de laser.The present invention also makes it possible to characterize a single laser pulse.

Fundamentos da InvençãoFundamentals of the Invention

Caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência significa a medição dos parâmetros espaciais do feixe: o diâmetro mínimo e a divergência do feixe de laser. Para obter o valor desses parâmetros, é necessário medir o diâmetro do feixe de laser, no mínimo, em dez posições diferentes de sua propagação. Nas aplicações a laser, é essencial conhecer esses parâmetros de propagação do feixe de laser para que as metas dessas aplicações sejam alcançadas com sucesso.Characterization of low and high power laser beams means measuring the spatial parameters of the beam: the minimum diameter and the divergence of the laser beam. To obtain the value of these parameters, it is necessary to measure the diameter of the laser beam in at least ten different positions of its propagation. In laser applications, it is essential to know these laser beam propagation parameters for the goals of these applications to be successfully achieved.

Já são conhecidos dispositivos e métodos para caracterização de feixes de laser compreendidos por um sensor digital, ou uma fenda, ou até mesmo uma lâmina, posicionada a frente do feixe de laser, que faz a varredura do perfil frontal do feixe em cada uma das diversas posições de propagação. Com base nessas medições do diâmetro do feixe, é determinada a qualidade do feixe de laser conforme a pré-norma (ISO/11146). A qualidade de um feixe de laser real é estimada em comparação com um feixe de laser ideal, que possui um perfil gaussiano puro e com o fator de qualidade (M2) igual a um. Feixes de laser que possuem um fator de qualidade maior que um (M2 = n >1), têm divergência n vezes maior que a divergência de um feixe ideal.Devices and methods for characterizing laser beams comprising a digital sensor, or a slit, or even a blade, positioned in front of the laser beam, which scan the beam's frontal profile in each of the several propagation positions. Based on these measurements of the beam diameter, the quality of the laser beam is determined according to the pre-standard (ISO / 11146). The quality of a real laser beam is estimated in comparison to an ideal laser beam, which has a pure Gaussian profile and with the quality factor (M 2 ) equal to one. Laser beams that have a quality factor greater than one (M 2 = n> 1), have a divergence n times greater than the divergence of an ideal beam.

Os setores que envolvem aplicações a laser, como os industriais, medicinais e científicos, exigem um dispositivo que toma possível conhecer as características de propagação de feixes de laser no instante do processamento laser. Nos últimos anos apareceram alguns dispositivos que determinam a qualidade do feixe em tempo realThe sectors that involve laser applications, such as industrial, medicinal and scientific, require a device that makes it possible to know the characteristics of the propagation of laser beams at the time of laser processing. In recent years some devices have appeared that determine the quality of the beam in real time

Figure BRPI0605596B1_D0001

2/6 ·* ··· ·» ·· ·· ··«**··· ·· *· » · · ♦ · · · · · · »· _ · * * ··· · ···· ··· · ···· ·· · · ·» *· · · · »·«· · • · «r ·· · · · · » · · « »·· ·· ·· «· «· «« t« „« (pulso a pulso) usando múltiplas fendas ou uma lente com uma grade de difração. No Brasil, o único depósito dè pedido de patente (PI0203571-5) refere-se a um método e aparelho para caracterização de feixes de laser gaussianos por lente térmica.2/6 · * ··· · »·· ·· ··« ** ··· ·· * · »· · ♦ · · · · · ·» · _ · * * ··· · ···· ··· · ···· ·· · · · »* · · · · · · · · · · · r ·· · · · · · · ·« »······ · ·« · « «T« „« (pulse to pulse) using multiple slits or a lens with a diffraction grating. In Brazil, the only filing of a patent application (PI0203571-5) refers to a method and apparatus for characterizing Gaussian laser beams using a thermal lens.

- Os dispositivos tradicionais (técnica de varredura de faca ou a varredura frontal de feixe ' 5 por um sensor digital) não indicam a qualidade de um único pulso e, além disso, são demorados, pois é necessário fazer várias medições, mas não deixam de ser eficientes. Os dispositivos e métodos que surgiram nos últimos anos ainda não são totalmente simples. O dispositivo de múltiplas fendas não permite medir um único pulso, pois existe um intervalo pequeno, porém maior que o tempo de um pulso, para que todas as fendas façam a varredura de uma certa área do feixe de laser. O outro dispositivo, que surgiu recentemente, é constituído por uma lente com uma grade de difração, que possibilita obter nove imagens do feixe de uma vez e, com isso, a propagação de um único pulso e sua qualidade. Este dispositivo é complexo, pois é necessário fazer uma calibração bastante eficiente devido à variação de intensidade do feixe em cada posição de propagação.- Traditional devices (knife scanning technique or '5 beam frontal scan by a digital sensor) do not indicate the quality of a single pulse and, moreover, are time consuming, as it is necessary to make several measurements, but do not fail to be efficient. The devices and methods that have emerged in recent years are still not entirely simple. The device with multiple slits does not allow the measurement of a single pulse, as there is a small interval, but longer than the time of a pulse, so that all slits scan a certain area of the laser beam. The other device, which emerged recently, consists of a lens with a diffraction grid, which makes it possible to obtain nine images of the beam at once and, thus, the propagation of a single pulse and its quality. This device is complex, since it is necessary to make a very efficient calibration due to the variation of beam intensity in each propagation position.

Com a presente invenção, determina-se a qualidade de feixes de laser com a medição dos diâmetros do feixe de laser em uma distância de propagação de três Zr (comprimento de Rayleigh), enquanto que, para os métodos existentes, são necessários pelo menos uma distância de propagação de dez regiões de Zr.With the present invention, the quality of laser beams is determined by measuring the diameters of the laser beam at a propagation distance of three Zr (Rayleigh length), whereas, for existing methods, at least one propagation distance of ten regions of Zr.

Tendo em vista o problema de caracterizar um único pulso de laser, a presente invenção tem como objetivo tomar possível, de forma fácil e eficiente, a caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência em tempo real.In view of the problem of characterizing a single laser pulse, the present invention aims to make possible, in an easy and efficient way, the characterization of low and high power laser beams in real time.

Descrição Resumida da InvençãoBrief Description of the Invention

A presente invenção tem como primeiro objeto um meio espalhador de luz. O espalhamento da luz ocorre quando o feixe de laser (luz) incide num meio que contém partículas distribuídas aleatoriamente. Este feixe de laser propaga-se no meio e encontra-se com as partículas do meio (ou seus fótons chocam-se com as partículas do meio) e, assim, ocorre o que chamamos de espalhamento da luz, ou seja, uma parte deste feixe de luz é espalhada em diversas direções. Para obter o espalhamento da luz em um meio, é necessário que esse meio tenha uma quantidade suficiente de partículas que provoquem um espalhamento homogêneo da luz em todas as direções. O efeito de espalhamento da luz do feixe de laser possibilita a visualização da propagação do perfilThe present invention has as its first object a light scattering medium. The scattering of light occurs when the laser beam (light) strikes an environment that contains particles randomly distributed. This laser beam propagates in the medium and meets the particles in the medium (or its photons collide with the particles in the medium) and, thus, occurs what we call light scattering, that is, a part of this beam of light is spread in several directions. In order to obtain the scattering of light in a medium, it is necessary that that medium has a sufficient amount of particles that cause a homogeneous scattering of the light in all directions. The light scattering effect of the laser beam makes it possible to visualize the spread of the profile

Figure BRPI0605596B1_D0002

IA A A AIA A ··IA A AIA A ··

3/6 • I3/6 • I

A A « A A • AA A «A A • A

A I A IA I A I

AAA A A AA A • A A A A A A ♦ · A A A A •A AA »· de intensidade do feixe de luz. Este meio espalhador è acondicionado numa célula transparente, que não deforma as características do perfil de propagação do feixe de laser. Incide-se o feixe de laser nesta célula espalhadora e observa-se, na lateral da _ célula, a propagação do feixe de laser espalhado. - - - _ - _ ___AAA AA AA A • AAAAAA ♦ · AAAA • AA AA · · of beam intensity. This spreading medium is stored in a transparent cell, which does not deform the characteristics of the spread profile of the laser beam. -Focuses the laser beam spreader cell and this is observed on the side of _ cell, the propagation of the laser beam scattered. - - - _ - _ ___

A presente invenção tem também por objeto um sistema óptico de imagem para registrar a imagem da propagação do feixe de laser que foi espalhado ao passar pela célula espalhadora. Esta imagem apresenta o diâmetro do feixe em várias posições diferentes de sua propagação, em uma ou mais direções transversais. Desta maneira, obtém-se, simultaneamente, a medição de vários diâmetros do feixe em posições distintas de propagação. Com essas medições, calcula-se o fator de qualidade do feixe de laser. O sistema óptico de imagem deve ser ortogonal à direção de propagação do feixe de laser na célula espalhadora e apresentar, com nitidez, a imagem da propagação do feixe de laser espalhado. Para o sistema óptico de imagem apresentar uma imagem com boa visibilidade, é necessário que o sinal de intensidade da luz espalhada do feixe de laser seja maior que o ruído de fundo eletrônico e menor que o limite de saturação do sensor digital; deve-se usar um/-number que não provoque um efeito de aberração; usar uma profundidade de campo maior que os diâmetros do feixe de laser e usar uma resolução dez vezes menor que o diâmetro mínimo do feixe de laser.The present invention also has as its object an optical image system to register the image of the spread of the laser beam that was spread when passing through the spreading cell. This image shows the diameter of the beam in several different positions of its propagation, in one or more transversal directions. In this way, the measurement of several beam diameters in different propagation positions is obtained simultaneously. With these measurements, the laser beam quality factor is calculated. The optical image system must be orthogonal to the direction of propagation of the laser beam in the spreader cell and present the image of the spread of the scattered laser beam clearly. For the optical image system to present an image with good visibility, it is necessary that the signal intensity of the scattered light of the laser beam is greater than the electronic background noise and less than the saturation limit of the digital sensor; you must use a / -number that does not cause an aberration effect; use a depth of field greater than the diameters of the laser beam and use a resolution ten times less than the minimum diameter of the laser beam.

Mais objetos, características, aspectos e vantagens da presente invenção aparecerão com maior clareza na Descrição Detalhada da Invenção.More objects, features, aspects and advantages of the present invention will appear more clearly in the Detailed Description of the Invention.

Descrição Detalhada da InvençãoDetailed Description of the Invention

Já são conhecidos vários dispositivos de medição da qualidade do feixe. Porém, nenhum deles utiliza o efeito de espalhamento da luz.Various beam quality measuring devices are already known. However, none of them use the light scattering effect.

Além disso, são pouquíssimos dispositivos (três) que afirmam medir a qualidade de um único pulso de laser. No entanto, são aparelhos complicados e que exigem pessoas habilitadas para manusear a técnica. Na verdade, nenhum destes dispositivos existentes fornece, em uma única imagem, todas as informações para determinar a qualidade do feixe de laser como a presente invenção.In addition, there are very few devices (three) that claim to measure the quality of a single laser pulse. However, these devices are complicated and require skilled people to handle the technique. In fact, none of these existing devices provides, in a single image, all the information to determine the quality of the laser beam as the present invention.

Os desenhos anexos mostram a disposição do dispositivo para a caracterização de feixes de laser de baixa e alta potência baseado no espalhamento de luz, objeto da presente patente, e que auxiliarão a compreender a invenção.The attached drawings show the disposition of the device for the characterization of low and high power laser beams based on the scattering of light, object of the present patent, and which will help to understand the invention.

A figura 1 mostra o dispositivo em perspectiva explodida;Figure 1 shows the device in an exploded perspective;

Figure BRPI0605596B1_D0003

4/6 • 9 · » • 9 • ·4/6 • 9 · »• 9 • ·

9 · · · *9 · · · *

9··· ·»« » 9··«9 ··· · »« »9 ··«

9 9 » · « « · • · · · 9 ·· « ·« · · «»9 9 »·« «· • · · · 9 ··« · «· ·« »

A figura 2 apresenta a imagem da propagação do feixe de laser espalhado em uma direção transversal (10) coletada pelo sistema óptico de imagem (6, 7, e 8).Figure 2 shows the image of the spread of the laser beam spread in a transverse direction (10) collected by the optical image system (6, 7, and 8).

A figura 3 mostra um sistema óptico de imagem anamórfico montado ortogonal àFigure 3 shows an anamorphic optical image system mounted orthogonal to the

--direção de-propagação doTeixe de laser na célula espalhadora (4), para obter a imagem digital da propagação do feixe laser espalhado (10).--direction direction of the laser beam in the spreader cell (4), to obtain the digital image of the spread of the spread laser beam (10).

Em conformidade com o quanto ilustram as figuras acima relacionadas, o dispositivo funciona da seguinte maneira:In accordance with what the above figures illustrate, the device works as follows:

- o feixe de laser (1) deve ter um diâmetro mínimo, pelo menos, dez vezes maior que o tamanho da resolução de imagem (um pixel} do sistema óptico de imagem, ou seja, o diâmetro mínimo do feixe deve ser medido com, pelo menos, dez pixel, para que o erro do método não seja maior que 10% no resultado final. Para isso, usa-se uma lente esférica (2) de distância focal/à frente do laser (1) para focalizar o feixe para dentro da célula espalhadora (4), com as seguintes condições;- the laser beam (1) must have a minimum diameter at least ten times the size of the image resolution (one pixel} of the optical image system, that is, the minimum beam diameter must be measured with, at least ten pixels, so that the error of the method is not greater than 10% in the final result. For that, a spherical lens (2) of focal length / in front of the laser (1) is used to focus the beam to inside the spreader cell (4), with the following conditions;

- a célula espalhadora (4) deve ser um recipiente transparente para não deformar as características do perfil de propagação do feixe e para não prejudicar a visualização da luz espalhada da propagação do feixe de laser (3). A célula espalhadora (4) deve ter a face da entrada do feixe paralela à cavidade de saída do laser (1) juntamente com a lente esférica (2). O lado da célula espalhadora (4), em que é observada a luz espalhada da propagação do feixe (3), deve estar ortogonal ao sistema óptico de imagem (6, 7 e 8);- the spreader cell (4) must be a transparent container so as not to deform the characteristics of the beam propagation profile and not to impair the visualization of the scattered light from the laser beam propagation (3). The spreader cell (4) must have the face of the beam entrance parallel to the laser exit cavity (1) together with the spherical lens (2). The side of the scattering cell (4), in which the scattered light from the beam propagation (3) is observed, must be orthogonal to the optical image system (6, 7 and 8);

- a célula espalhadora (4) deve ter um comprimento de pelo menos três ZR (comprimento de Rayleigh). O ZR indica uma distância em que o diâmetro do feixe de laser aumenta 72 em relação ao diâmetro mínimo, ou seja, cada vez que o diâmetro do- the spreader cell (4) must have a length of at least three Z R (Rayleigh length). The Z R indicates a distance in which the diameter of the laser beam increases 72 in relation to the minimum diameter, that is, each time the diameter of the

Figure BRPI0605596B1_D0004

feixe aumenta uma quantia de 72 do diâmetro mínimo, o feixe de laser propagou-se por uma distância igual a ZR. Devem ser medidos, pelo menos, três ΖΛ;beam increases an amount of 72 of the minimum diameter, the laser beam propagated over a distance equal to Z R. At least three Ζ Λ must be measured;

- a célula espalhadora (3) deve ter largura e altura maior que o diâmetro do feixe de laser (1) e as suas faces deve ter espessura suficientemente fina para não prejudicar o caminho óptico da formação da imagem e, muito menos, as características de propagação do feixe de laser (1);- the spreading cell (3) must have a width and height greater than the diameter of the laser beam (1) and its faces must be thick enough to avoid damaging the optical path of image formation and, even less, the characteristics of propagation of the laser beam (1);

- o meio espalhador (5) da célula espalhadora (4) deve ser homogêneo, espalhar em todas as direções uniformemente e pode ser líquido, gasoso ou sólido. A concentração do meio espalhador deve ser suficiente para provocar o espalhamento da luz do feixe de- the spreading medium (5) of the spreading cell (4) must be homogeneous, spread in all directions evenly and can be liquid, gaseous or solid. The concentration of the spreading medium must be sufficient to cause the scattering of light from the

Figure BRPI0605596B1_D0005

♦ · ♦ · · • ♦ · ·♦· · • · »* *·· ·♦·♦ · ♦ · · • ♦ · · ♦ · · • · »* * ·· · ♦ ·

5/6 laser, com intensidade suficiente para sensibilizar o sensor digital (8) do sistema óptico de imagem sem provocar a saturação do sinal;5/6 laser, with enough intensity to sensitize the digital sensor (8) of the optical image system without causing the signal to saturate;

- o sistema óptico de imagem deve ser formado por lentes (6) que não influenciem na formação da Imagem; Usar-aberturas (diafragma) (7) que não provoquem efeito de aberração e que sejam suficientes para obter o sinal de intensidade da luz espalhada da propagação do feixe de laser (3). A luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) deve ser maior que o sinal de ruído de fondo ocasionado pelo equipamento eletrônico no sensor digital (8) e também não pode ser muito intenso para não ocorrer a saturação do sinal no sensor digital (8);- the optical image system must be formed by lenses (6) that do not influence the formation of the image; Use-openings (diaphragms) (7) that do not cause an aberration effect and are sufficient to obtain the intensity signal of the scattered light from the spread of the laser beam (3). The scattered light from the laser beam propagation (3) must be greater than the background noise signal caused by the electronic equipment in the digital sensor (8) and it must also not be too intense to avoid signal saturation in the digital sensor ( 8);

- na obtenção de mais de uma direção transversal de propagação do feixe de laser, por exemplo, coletar a imagem da propagação do feixe de laser espalhado em dois eixos (x e y), simultaneamente, deve-se utilizar grade de difração e lentes apropriadas.- in obtaining more than one transverse direction of propagation of the laser beam, for example, collecting the image of the propagation of the laser beam spread over two axes (x and y), simultaneously, one must use diffraction grating and appropriate lenses.

- outra característica importante do sistema óptico de imagem é que a profundidade de campo deve ser maior que os diâmetros do feixe de laser espalhado (3) na célula espalhadora (4);- another important characteristic of the optical imaging system is that the depth of field must be greater than the diameters of the scattered laser beam (3) in the spreader cell (4);

- o fator /-number é inversamente proporcional à abertura numérica do sistema óptico (F# =f/D). No sistema, o /-number deve sempre indicar uma profundidade de campo suficientemente maior que o diâmetro do feixe de laser espalhado (3);- the / -number factor is inversely proportional to the numerical opening of the optical system (F # = f / D). In the system, the / -number must always indicate a depth of field sufficiently greater than the diameter of the scattered laser beam (3);

- a relação simples da profundidade de campo com o fator /-number é a seguinte:- the simple relationship between depth of field and the / -number factor is as follows:

P = 8. λ. (F#)2 onde P indica a profundidade de campo total, λ indica o comprimento de onda do feixe de laser e F# é o símbolo do fator /-number;P = 8. λ. (F #) 2 where P indicates the total depth of field, λ indicates the wavelength of the laser beam and F # is the symbol for the / -number factor;

- a resolução de imagem do sistema óptico (pixel) deve ter uma dimensão de, no mínimo, 10% do diâmetro do feixe, para que a sua influência seja de, no máximo, 10% na medição do diâmetro do feixe;- the image resolution of the optical system (pixel) must have a dimension of at least 10% of the beam diameter, so that its influence is, at most, 10% in the measurement of the beam diameter;

- usa-se um sistema óptico de imagem simples, composto por uma lente esférica ou utiliza-se um sistema óptico de imagem anamórfico, formado por duas lentes cilíndricas.- a simple optical image system is used, composed of a spherical lens or an anamorphic optical system, formed by two cylindrical lenses, is used.

- usa-se um sistema óptico de imagem anamórfico (Figura 3), quando as condições de resolução de imagem e diâmetro mínimo estejam limitadas. O sistema de imagem anamórfico é determinado por duas lentes cilíndricas (6), com a mesma distância focal e- an anamorphic optical image system is used (Figure 3), when the conditions for image resolution and minimum diameter are limited. The anamorphic imaging system is determined by two cylindrical lenses (6), with the same focal length and

Figure BRPI0605596B1_D0006

·····»·« ·· • · · ♦ •·♦* ♦·· · ♦ · ♦ · · • ♦ · · φ • ······ »·« ·· • · · ♦ • · ♦ * ♦ ·· · ♦ · ♦ · · • ♦ · · φ • ·

Figure BRPI0605596B1_D0007

6/6 abertura (7), ou seja, ο mesmo fator /-number. Nestas condições, cada lente cilíndrica (6) atua individualmente num plano da imagem e as posições do objeto e da imagem em relação às lentes são idênticas nos dois planos, aplicando uma magnificação inversa entre os planos vertical e horizontal;6/6 aperture (7), that is, ο same factor / -number. In these conditions, each cylindrical lens (6) acts individually in one plane of the image and the positions of the object and the image in relation to the lenses are identical in both planes, applying an inverse magnification between the vertical and horizontal planes;

- a lente cilíndrica (6), que atua no plano vertical, é alinhada em relação ao eixo z, e a lente cilíndrica (6), que atua no plano horizontal, é alinhada em relação ao eixo y;- the cylindrical lens (6), which acts in the vertical plane, is aligned in relation to the z axis, and the cylindrical lens (6), which acts in the horizontal plane, is aligned in relation to the y axis;

- o arquivo eletrônico da imagem da luz espalhada da propagação do feixe de laser (10) deve ser gravado num formato que permita o acesso dos dados em qualquer software matemático;- the electronic file of the image of the scattered light from the spread of the laser beam (10) must be recorded in a format that allows access to the data in any mathematical software;

- com os dados desse arquivo de imagem, são determinados os diâmetros do feixe em cada posição de propagação (somando os pixels ocupados pelos diâmetros do feixe em cada posição de propagação);- with the data in this image file, the beam diameters are determined in each propagation position (adding the pixels occupied by the beam diameters in each propagation position);

- por fim, com base da medição espacial de cada diâmetro da propagação do feixe espalhado, determina-se uma curva, pela qual localiza-se o diâmetro mínimo na região de focalização e a calcula-se a divergência do feixe em relação à região do menor diâmetro (cintura do feixe). Com o valor do raio mínimo e a divergência do feixe, calcula-se o fator de qualidade do feixe (M2).- finally, based on the spatial measurement of each diameter of the spread of the spread beam, a curve is determined, by which the minimum diameter is located in the focusing region and the beam divergence is calculated in relation to the region of the smaller diameter (beam waist). With the minimum radius value and the beam divergence, the beam quality factor (M 2 ) is calculated.

Claims (15)

ReivindicaçõesClaims 1) “DISPOSITIVO PARA A CARACTERIZAÇÃO DE FEIXES DE LASER DE BAIXA E ALTA POTÊNCIA BASEADO EM ESPALHAMENTO DE LUZ”, caracterizado pelo fato de ser formado por uma célula espalhadora (4) transparente com faces paralelas à cavidade de um feixe de laser (1) e por um sistema óptico de imagem (6, 7 e 8), sendo que o dito sistema óptico de imagem (6, 7 e 8), compreende lentes cilíndricas (6), uma abertura (7) e um sensor digital (8), sendo que a célula espalhadora (4) contém, no seu interior, um meio espalhador (5) gasoso, líquido ou sólido, cujas partículas espalhadoras homogêneas estão distribuídas aleatoriamente, sendo que o feixe de laser (1) é focalizado por meio de uma lente esférica (2) para dentro da célula espalhadora (4), com um diâmetro mínimo, pelo menos, dez vezes maior que a resolução (pixel) do sistema óptico de imagem (6, 7 e 8); sendo que a luz do feixe de laser (3) é espalhada uniformemente no meio espalhador (5), em todas as direções e, na lateral da célula espalhadora (4), observa-se a luz espalhada da propagação do feixe de laser (3), sendo que, ortogonalmente à célula espalhadora (4), deve haver o sistema óptico de imagem (6, 7 e 8) para coletar (9) a imagem (10) da luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) em uma ou mais direções transversais de propagação.1) “DEVICE FOR THE CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING”, characterized by the fact that it is formed by a transparent spreading cell (4) with faces parallel to the cavity of a laser beam (1) and an optical image system (6, 7 and 8), said optical image system (6, 7 and 8), comprising cylindrical lenses (6), an aperture (7) and a digital sensor (8) , and the spreading cell (4) contains, inside, a spreading medium (5) gaseous, liquid or solid, whose homogeneous spreading particles are randomly distributed, with the laser beam (1) being focused by means of a spherical lens (2) into the spreader cell (4), with a minimum diameter at least ten times greater than the resolution (pixel) of the optical image system (6, 7 and 8); the light from the laser beam (3) being spread evenly across the spreading medium (5), in all directions and, on the side of the spreading cell (4), the scattered light from the spread of the laser beam (3) is observed ), and, orthogonal to the spreader cell (4), there must be an optical image system (6, 7 and 8) to collect (9) the image (10) of the scattered light from the spread of the laser beam (3) in one or more transversal propagation directions. 2) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1, caracterizado pelo fato de que, para obter a imagem de mais de uma direção transversal de propagação do feixe de laser, simultaneamente, deve-se utilizar grade de difração com lentes.2) Device, according to claims 1, characterized by the fact that, in order to obtain the image of more than one transverse direction of propagation of the laser beam, simultaneously, diffraction grating with lenses must be used. 3) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1 e 2, caracterizado pelo fato de que, para obter a imagem da luz espalhada da propagação do feixe de laser utiliza-se um sistema de imagem anamórfico, formado por duas lentes cilíndricas (6) e magnificações inversas dos planos horizontal e vertical da imagem ou usa-se um sistema óptico de imagem simples, composto por uma lente esférica e magnificação unitária.3) Device, according to claims 1 and 2, characterized by the fact that, to obtain the image of the scattered light of the spread of the laser beam, an anamorphic image system is used, formed by two cylindrical lenses (6) and reverse magnifications of the horizontal and vertical planes of the image or use a simple optical image system, consisting of a spherical lens and unit magnification. 4) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado pelo fato de que, para medir uma distância maior de luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) na imagem, é necessário usar, no plano horizontal, uma magnificação (M<1) e, no plano vertical, usar uma magnificação inversa do plano horizontal, ou seja, usar um sistema óptico de imagem “anamórfico”.4) Device, according to claims 1, 2 and 3, characterized by the fact that, to measure a greater distance of scattered light from the spread of the laser beam (3) in the image, it is necessary to use, in the horizontal plane, a magnification (M <1) and, in the vertical plane, use an inverse magnification of the horizontal plane, that is, use an “anamorphic” optical image system. 5) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado pelo fato de que, no sistema óptico de imagem anamórfico, é necessário usar duas lentes cilíndricas5) Device according to claims 1, 2, 3 and 4, characterized by the fact that, in the optical system of anamorphic image, it is necessary to use two cylindrical lenses Petição 870180012158, de 15/02/2018, pág. 20/22 (6), com mesma distância focal f e abertura D (7) (mesmo fator /-number), uma das quais é alinhada em relação ao plano vertical e a outra, ao plano horizontal.Petition 870180012158, of 02/15/2018, p. 20/22 (6), with the same focal length f and aperture D (7) (same factor / -number), one of which is aligned in relation to the vertical plane and the other, to the horizontal plane. 6) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4 e 5, caracterizado pelo fato de que a distância do objeto (luz espalhada do feixe de laser (3)) até a lente, no plano horizontal, é igual à distância da lente até a imagem (sensor digital (8)) no plano vertical.6) Device according to claims 1, 2, 3, 4 and 5, characterized by the fact that the distance from the object (scattered light from the laser beam (3)) to the lens, in the horizontal plane, is equal to distance from the lens to the image (digital sensor (8)) in the vertical plane. 7) Dispositivo, de acordo com as reivindicações 1, 2, 3, 4, 5 e 6, caracterizado pelo fato de que as posições relativas do objeto (luz espalhada do feixe de laser (3)) e da imagem (sensor digital (8)) são idênticas para as duas lentes cilíndricas (6).7) Device according to claims 1, 2, 3, 4, 5 and 6, characterized by the fact that the relative positions of the object (scattered light from the laser beam (3)) and the image (digital sensor (8 )) are identical for the two cylindrical lenses (6). 8) “MÉTODO PARA A CARACTERIZAÇÃO DE FEIXES DE LASER DE BAIXA E ALTA POTÊNCIA BASEADO EM ESPALHAMENTO DE LUZ”, de acordo com o dispositivo descrito nas reivindicações 1 a 7, caracterizado pelo fato de que a partir da imagem (10) coletada pelo sistema óptico de imagem (6, 7 e 8), contendo o diâmetro do feixe em várias posições diferentes de propagação, em uma ou mais direções transversais, calcula-se o diâmetro mínimo e a divergência do feixe de laser, que são os parâmetros de caracterização do feixe de laser, sendo o fator /-number (F#) do sistema óptico de imagem (6, 7 e 8) dado pela relação entre a distância focal / da lente e a abertura D e o dito fator /-number (F#) deve sempre indicar uma profundidade de campo maior que o diâmetro do feixe de laser em qualquer uma das posições de propagação.8) “METHOD FOR THE CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING”, according to the device described in claims 1 to 7, characterized by the fact that from the image (10) collected by the system optical image (6, 7 and 8), containing the beam diameter in several different propagation positions, in one or more transverse directions, the minimum diameter and divergence of the laser beam, which are the characterization parameters, are calculated of the laser beam, with the / -number factor (F #) of the optical image system (6, 7 and 8) given by the relationship between the focal / lens distance and the D aperture and said / -number factor (F #) it must always indicate a depth of field greater than the diameter of the laser beam in any of the propagation positions. 9) Método, de acordo com as reivindicações 8, caracterizado pelo fato de que o /number (F#) do sistema óptico de imagem (6, 7 e 8) deve ser tal que o sistema de imagem não seja prejudicado com efeitos de aberração esférica.9) Method, according to claims 8, characterized by the fact that the / number (F #) of the optical image system (6, 7 and 8) must be such that the image system is not impaired with spherical aberration effects . 10) Método, de acordo com as reivindicações 8 e 9, caracterizado pelo fato de que o fator o /-number (F#) deve estar correlacionado com a sensibilidade do sensor digital (8) e a intensidade da luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) no meio espalhador (5).10) Method, according to claims 8 and 9, characterized by the fact that the o / -number factor (F #) must be correlated with the sensitivity of the digital sensor (8) and the intensity of the light scattered from the spread of the beam laser (3) in the spreading medium (5). 11) Método, de acordo com as reivindicações 8, 9 e 10, caracterizado pelo fato de que a concentração e / ou a densidade de partículas do meio espalhador (5) deve ser suficiente para provocar um sinal de intensidade da luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) no sensor digital (8) (detetor) da câmera, sem ultrapassar o limite de saturação do sensor digital óptico (8).11) Method, according to claims 8, 9 and 10, characterized by the fact that the concentration and / or the density of particles of the scattering medium (5) must be sufficient to cause a signal of intensity of the scattered light of the propagation of the laser beam (3) on the digital sensor (8) (detector) of the camera, without exceeding the saturation limit of the optical digital sensor (8). 12) Método, de acordo com as reivindicações 8, 9, 10 e 11, caracterizado pelo fato de que o sinal de luz espalhada da propagação do feixe de laser (3) deve ser maior que o sinal de ruído de fundo eletrônico.12) Method, according to claims 8, 9, 10 and 11, characterized by the fact that the scattered light signal from the laser beam propagation (3) must be greater than the electronic background noise signal. Petição 870180012158, de 15/02/2018, pág. 21/22Petition 870180012158, of 02/15/2018, p. 21/22 13) Método, de acordo com as reivindicações 8, 9, 10, 11 e 12, caracterizado pelo fato de que a resolução de imagem do sistema óptico deve ter uma dimensão de, no mínimo, 10% do diâmetro do feixe, ou seja, cada pixel deve ter, pelo menos, um tamanho dez vezes menor que o diâmetro do feixe de laser.13) Method, according to claims 8, 9, 10, 11 and 12, characterized by the fact that the image resolution of the optical system must have a dimension of at least 10% of the beam diameter, that is, each pixel must be at least ten times smaller than the diameter of the laser beam. 14) Método, de acordo com as reivindicações 8, 9, 10, 11, 12, e 13, caracterizado pelo fato de que é preciso medir uma distância de propagação de pelo menos três ZR (comprimento de Rayleigh) para determinar o fator de qualidade do feixe de laser.14) Method according to claims 8, 9, 10, 11, 12, and 13, characterized by the fact that it is necessary to measure a propagation distance of at least three Z R (Rayleigh length) to determine the quality of the laser beam. 15) Método, de acordo com as reivindicações 8, 9, 10, 11, 12, 13 e 14, caracterizado pelo fato de que a imagem da luz espalhada da propagação do feixe de laser (10) apresenta o valor do diâmetro do feixe em cada posição diferente de propagação, em uma ou mais direções transversais.15) Method according to claims 8, 9, 10, 11, 12, 13 and 14, characterized by the fact that the image of the scattered light from the spread of the laser beam (10) presents the value of the diameter of the beam in each different propagation position, in one or more transverse directions. Petição 870180012158, de 15/02/2018, pág. 22/22Petition 870180012158, of 02/15/2018, p. 22/22 1/11/1 Desenhos * · · · ··· · ·»·· ··· · ···· ··» · · ·· ·· · · · ··· · · « ·· · · · · · · ·· · · · ♦Graphics * · · · ··· · ·"·· ··· · ···· ··" · · ·· ·· · · · ··· · · " ·· · · · · · · ·· · · · ♦
BRPI0605596-6A 2006-11-23 2006-11-23 DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING BRPI0605596B1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BRPI0605596-6A BRPI0605596B1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
BRPI0605596-6A BRPI0605596B1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING

Publications (2)

Publication Number Publication Date
BRPI0605596A BRPI0605596A (en) 2008-07-08
BRPI0605596B1 true BRPI0605596B1 (en) 2018-06-19

Family

ID=39580748

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
BRPI0605596-6A BRPI0605596B1 (en) 2006-11-23 2006-11-23 DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING

Country Status (1)

Country Link
BR (1) BRPI0605596B1 (en)

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117347015B (en) * 2023-12-06 2024-02-20 中国航天三江集团有限公司 High-energy laser beam quality outfield high-precision measurement method and system

Also Published As

Publication number Publication date
BRPI0605596A (en) 2008-07-08

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP3438646A1 (en) Imaging device, imaging method
NL1001656C2 (en) X-ray inspection system and method.
JP6985558B2 (en) How to calibrate the investigated volume of a lightsheet-based nanoparticle tracking / counting device
JP4517145B2 (en) Light scattering device, light scattering measurement method, light scattering analysis device, and light scattering measurement analysis method
US10539495B2 (en) Systems and methods for generating an image of an inspection object using an attenuated beam
JP2017512382A5 (en)
JP2014126408A (en) Reflection characteristics measurement device
JP6726675B2 (en) Particle analyzer and particle analysis method
CN108627432A (en) particle characterization
TW201818136A (en) Diffraction-based focus metrology
JP2010525349A5 (en)
Londoño et al. Small-angle X-ray scattering to analyze the morphological properties of nanoparticulated systems
Müller et al. Remote nanoscopy with infrared elastic hyperspectral lidar
BRPI0605596B1 (en) DEVICE AND METHOD FOR CHARACTERIZATION OF LOW AND HIGH POWER LASER BEAMS BASED ON LIGHT SPREADING
TW201337248A (en) Extended defect sizing range for wafer inspection
JP4944859B2 (en) Particle property measuring device
CN107884061A (en) A kind of dynamic photoelasticity ultrasonic imaging method and system
US20210088513A1 (en) Method and apparatus for bacterial analysis
JP6278457B2 (en) Nondestructive inspection method and apparatus
JP2017194340A (en) Measurement method for polarization properties of scattering specimen
JP2018200401A (en) Optical functional element, polarization analyzer, and method for manufacturing optical functional element
JP6524357B1 (en) Wavefront sensor, wavefront measuring apparatus and wavefront measuring method
JP2011180044A (en) Device for measurement of beam parallelism
JP5018194B2 (en) Observation device
JP2013061357A (en) Sample cell and particle size distribution measurement apparatus using the same

Legal Events

Date Code Title Description
B03A Publication of a patent application or of a certificate of addition of invention [chapter 3.1 patent gazette]
B25D Requested change of name of applicant approved

Owner name: DEPARTAMENTO DE CIENCIA E TECNOLOGIA AEROESPACIAL

Free format text: NOME ALTERADO DE: CENTRO TECNICO AEROESPACIAL (CTA)

B25A Requested transfer of rights approved

Owner name: INSTITUTO DE ESTUDOS AVANCADOS - IEAV (BR/SP)

Free format text: TRANSFERIDO DE: DEPARTAMENTO DE CIENCIA E TECNOLOGIA AEROESPACIAL (DCTA)

B07A Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette]
B07A Application suspended after technical examination (opinion) [chapter 7.1 patent gazette]
B09A Decision: intention to grant [chapter 9.1 patent gazette]
B16A Patent or certificate of addition of invention granted [chapter 16.1 patent gazette]