Le guide du débutant de la mesure de la taille du point de faisceau laser

Le guide du débutant de la
mesure de la taille du point
de faisceau laser
mardi, 21 août 2018
Lorsqu’on me demande comment mesurer la taille d’un faisceau laser, je
réponds souvent par quelques questions, car cette mesure n’est pas aussi simple
qu’elle peut paraître à première vue, particulièrement si vous désirez la faire avec
précision et rigueur.
Voici les questions que je pose généralement.
• Souhaitez-vous mesurer la taille du point du faisceau au point focal ou le
diamètre du faisceau?
• Comment dé nissez-vous le diamètre du faisceau?
• Avez-vous les instruments de mesure appropriés?
Regardons chaque question pour voir pourquoi je la pose.
SOUHAITEZ-VOUS MESURER LA TAILLE DU
FAISCEAU AU POINT FOCAL OU LE DIAMÈTRE DU
FAISCEAU?
Sans contexte, il est très facile de mal interpréter ce que l’autre souhaite mesurer.
Pour certains, la taille du point du faisceau laser est synonyme du diamètre de
faisceau minimal dans le plan focal, après avoir traversé une lentille convergente.
Pour d’autres, c’est plutôt le diamètre à la sortie du laser qui est recherché, ou
encore au niveau de la cible.
Il est important de distinguer ces situations, car l’approche à privilégier pour la
mesure ne sera pas la même.
Lors de la propagation d’un faisceau laser, le diamètre de celui-ci change
constamment. Dans le cas d’un faisceau gaussien idéal, la largeur du faisceau (ou
rayon, w) le long de l’axe optique z est dé nie par l’équation suivante :
où w0 est la largeur de faisceau au col (là où le faisceau gaussien est le plus
étroit) et zR est la distance de Rayleigh :
Le diamètre du faisceau, qui est le double du rayon, peut être mesuré en tout
point le long de l’axe de propagation.
Lorsqu’on fait converger un faisceau gaussien à l’aide d’une lentille de longueur
focale f, la largeur de faisceau au col (ou l’équation de la taille du point du
faisceau laser) devient :
La taille du point du faisceau au point focal peut ainsi être très petite. Lorsque
c’est le cas, la taille du faisceau varie très rapidement le long de l’axe optique.
Mesurer la taille du point du faisceau au foyer est quasiment une science en soit,
nécessitant une capacité de mesurer et d’ajuster la position du détecteur de
façon extrêmement précise a n de trouver la position du plan focal avec
exactitude.
Puisque la mesure de la taille du point au point focal est essentiellement un cas
particulier de la mesure du diamètre de faisceau, nous nous concentrerons sur
cette dernière pour le reste du présent article.
COMMENT DÉFINISSEZ-VOUS LE DIAMÈTRE DU
FAISCEAU?
On rencontre 3 dé nitions de diamètre de faisceau plus fréquemment : LMH
(FWHM en anglais), 1/e2 et D4σ. Voici une courte explication de chacune et le lien
entre les 3.
LMH (LARGEUR À MI-HAUTEUR)
La largeur à mi-hauteur (LMH), aussi nommée la largeur du faisceau à demi
puissance, est souvent désignée par son acronyme anglais (FWHM, pour Full
Width at Half-Maximum). Elle est mesurée à l’aide de la courbe de distribution
d’intensité du faisceau selon un axe prédé ni passant par le centre du faisceau,
qui correspond habituellement au point d’intensité maximale. La LMH
représente la distance entre les deux points les plus près du pic dont la valeur
équivaut à 50 % de l’irradiance ou de l’intensité maximale.
Certaines personnes préfèrent parfois utiliser un pourcentage différent pour
dé nir la largeur du faisceau. On choisit souvent 13,5 %, ce qui nous mène à notre
deuxième dé nition de diamètre de faisceau : 1/e2.
1/E2 (13,5 % DU MAXIMUM)
Bien que 1/e2 puisse sembler un choix étrange, on peut mieux le comprendre en
observant le pro l d’un faisceau gaussien. La formule donnant la distribution
radiale d’intensité d’un faisceau gaussien est donnée par :
L’endroit où le rayon est égal à w (c’est-à-dire au col théorique du faisceau),
l’intensité est de 1/e2 fois le maximum.
Et le 13,5 % dans tout ça? Il vient tout simplement du remplacement de la
constante d’Euler, e, par sa valeur numérique (approximativement 2,71828). On
obtient alors 1/e2 = 0,13534!
L’American National Standards Institute et la Federal Aviation
Administration utilisent toutes deux cette dé nition pour leurs calculs de
sécurité laser. Si vous devez mesurer des tailles de point laser pour vous
conformer à leurs normes de sécurité, vous devrez utiliser la dé nition de
diamètre 1/e2.
Comment faire le lien avec la largeur à mi-hauteur? En fait, de l’équation de
faisceau gaussien, nous pouvons dériver le rayon d’un faisceau dont l’intensité est
la moitié du maximum et isoler w :
où FWHM représente la largeur à mi-hauteur. Les diamètres FWHM et 1/e2 étant
tous deux calculés à partir de la distribution d’intensité selon un axe, ni l’un ni
l’autre ne prend en compte le pro l global du faisceau. Entre alors en jeu la
dernière dé nition de diamètre de faisceau.
D4 Σ (DIAMÈTRE DE MOMENT QUADRATIQUE)
Cette troisième dé nition du diamètre de faisceau est très répandue. Son
utilisation est recommandée par l’ISO International Standards Organization pour
la mesure du diamètre, de l’angle de divergence et du facteur de propagation
des faisceaux laser.
En somme, le diamètre D4σ équivaut à 4 écarts-types de la distribution
d’intensité le long des axes principal et secondaire du faisceau. Il est calculé à
partir du moment quadratique (ou moment de second ordre) du pro l du
faisceau. Dans le cas d’un faisceau gaussien parfait, mesuré par un système sans
bruit, le diamètre 1/e2 sera identique au diamètre D4σ.
Cependant, si du bruit de fond est présent lors de la mesure, le diamètre calculé
par D4σ sera plus grand que la valeur réelle. C’est pourquoi nous recommandons
de toujours effectuer une soustraction du bruit de fond avant de mesurer le
diamètre d’un faisceau laser.
AVEZ-VOUS LES INSTRUMENTS DE MESURE
APPROPRIÉS?
Connaître les spéci cités de votre laser est la première étape dans l’acquisition
du pro leur de faisceau laser adapté à la mesure de la taille du point.
GAMME DE LONGUEUR D’ONDE
Puisque l’instrument de mesure est composé d’une matrice de détecteurs, il doit
être sensible à la longueur d’onde de votre laser. Si ce n’est pas le cas, vous
n’obtiendrez aucun signal, et donc aucune mesure. Dans certains cas, nous
recommandons des accessoires pour pro leurs de faisceau, comme des
convertisseurs UV ou des adaptateurs IR qui mettent à pro t la uorescence ou
la phosphorescence pour convertir la lumière de votre faisceau en longueurs
d’onde du spectre du visible, mieux adaptées à la sensibilité de nos caméras.
Si la longueur d’onde de votre laser se trouve dans une région du spectre où nos
détecteurs sont peu sensibles, nous pourrions recommander l’utilisation
d’un ltre bloquant la lumière émise aux autres longueurs d’onde, réduisant ainsi
le bruit indésirable provenant du milieu et de sources indésirables.
DIMENSIONS DU DÉTECTEUR ET TAILLE DE PIXEL
Avant d’acheter un instrument pour le pro lage de faisceau laser, il est
important d’avoir une idée générale de la taille du faisceau que vous mesurerez.
En effet, il est important que le détecteur choisi soit assez grand et que la taille
des pixels soit assez petite.
Nous recommandons une taille de détecteur au moins 3 fois plus grande que le
plus grand diamètre. Pour ce qui est de la taille des pixels, nous recommandons
que votre faisceau le plus petit recouvre au moins 10 pixels.
Par exemple, si le détecteur possède des pixels de 5,5 µm, nous ne
recommanderions pas de l’utiliser pour des faisceaux de moins de 55 µm.
PUISSANCE LASER ET DENSITÉ DE PUISSANCE LASER
Le dernier paramètre à prendre en compte est la densité de puissance laser
incidente sur le détecteur. Elle se calcule à partir du diamètre du faisceau et de
sa puissance moyenne (même pour des lasers pulsés). Ajoutez des ltres
atténuateurs si nécessaire.
N’oubliez pas que la sensibilité du pro leur de faisceau laser varie en fonction de
la longueur d’onde, tout comme sa saturation. Pour simpli er les calculs, nous
fournissons des courbes de densité de puissance minimale et maximale pour
chacun de nos pro leurs de faisceau. Voici un exemple :
Si la puissance moyenne dépasse 1 W, vous devrez échantillonner votre faisceau
avant d’utiliser un ltre atténuateur. Nous offrons plusieurs
types d’échantillonneurs de faisceaux, pour des besoins en atténuation pouvant
atteindre 500 W.
Même si vous ne connaissez que les valeurs approximatives de puissance et de
diamètre de votre laser, c’est suf sant. Nous pouvons ajuster le temps
d’exposition des pro leurs de faisceau pour compenser les variations de densité
de puissance.
Si vous souhaitez recevoir de l’aide pour choisir un pro leur de faisceau et ses
accessoires, communiquez avec nous. Ce sera un plaisir de vous aider!
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Gabrielle Thériault
Gabrielle est la directrice marketing chez Gentec-EO.
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