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

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 définissez-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 définie par l’équation suivante :

où w₀ est la largeur de faisceau au col (là où le faisceau gaussien est le plus étroit) et z_R 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 afin 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 définitions 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 prédéfini 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 définir la largeur du faisceau. On choisit souvent 13,5 %, ce qui nous mène à notre deuxième définition 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 profil 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 définition 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 définition 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 profil global du faisceau. Entre alors en jeu la dernière définition de diamètre de faisceau.

D4 Σ (DIAMÈTRE DE MOMENT QUADRATIQUE)

Cette troisième définition 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 profil 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 spécificités de votre laser est la première étape dans l’acquisition du profileur 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 profileurs de faisceau, comme des convertisseurs UV ou des adaptateurs IR qui mettent à profit la fluorescence 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 filtre 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 profilage 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 filtres atténuateurs si nécessaire.

N’oubliez pas que la sensibilité du profileur de faisceau laser varie en fonction de la longueur d’onde, tout comme sa saturation. Pour simplifier les calculs, nous fournissons des courbes de densité de puissance minimale et maximale pour chacun de nos profileurs de faisceau. Voici un exemple :

Si la puissance moyenne dépasse 1 W, vous devrez échantillonner votre faisceau avant d’utiliser un filtre 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 suffisant. Nous pouvons ajuster le temps d’exposition des profileurs de faisceau pour compenser les variations de densité de puissance.

Si vous souhaitez recevoir de l’aide pour choisir un profileur de faisceau et ses accessoires, communiquez avec nous. Ce sera un plaisir de vous aider!