Investigación

Laser beam quality factor (M²) measured by distorted fresnel zone plates

R. Cortés*, R. Villagómez, V. Coello, and R. López

CICESE Unidad Monterrey, Km. 9.5 Nueva Carretera al Aeropuerto, Parque de Investigación e Innovación Tecnológica (PUT), 66629, Apodaca, N.L., México.

* Correspondence to:
Phone +52 81 8348 3088,
e–mail: rcortes@cicese.mx

Recibido el 20 de agosto de 2007
Aceptado el 17 de junio de 2008

Abstract

In this paper we present a novel method, based on diffractive optics, for measuring M². This novel optical arrangement consists of a lens along with a set of 1 or 2 distorted diffraction gratings and a single array detector. As a result, this system produces simultaneous images of a number of different object planes centred over the laser beam propagation axis symmetrically to the laser beam waist. This image is gathered around the image plane using a CCD camera producing, in a single image and after some image processing, an instantaneous measurement for the laser beam quality. This technique allows for the possibility of monitoring the beam quality in real time, in a continuous or pulse–to–pulse mode operation. Nowadays, high power laser machining is a standard technique in manufacturing material processing that is widely used in industry. Although these lasers are not always stable for long periods of time, which is required in this kind of process, it usually takes considerable time to diagnose them and restore them to working order. The M² parameter is a numerical expression for laser beam quality that can be measured in real time over a process line. However, to measure the M² parameter, several measurements in the neighbourhood of the laser beam waist are required.

Keywords: Optical diffraction gratings; Nd:YAG laser; Beam quality.

Resumen

En este artículo, presentamos un método novedoso basado en óptica difractiva para medir M². Este nuevo arreglo óptico consiste de una lente con un conjunto de 1 o dos rejillas de difracción y un simple arreglo detector. Como resultado, este sistema produce imágenes simultáneas, de un número de diferentes planos–objeto centrados a lo largo del eje de propagación simétricamente a la cintura del haz láser. Estas imágenes son colectadas simultáneamente en una sola imagen mediante una cámara CCD generando en una sola imagen y después de algún procesamiento de la imagen, una medición instantánea para la calidad del haz láser. Esta técnica permite la posibilidad de monitorear en tiempo real la calidad del haz en un modo de operación continuo o pulso a pulso. Hoy en día, el maquinado con láser de alta potencia es una técnica estándar en la manufactura para el procesamiento de materiales. Aunque estos láseres no son siempre estables durante largos períodos de tiempo, el cual es requerido en esta clase de procesos, la mayoría de las veces diagnosticar y poner de nuevo a trabajar lleva un tiempo significativo. El parámetro M² es una expresión numérica para la calidad del haz láser que puede ser medida en tiempo real en un proceso en línea. Sin embargo para medir el parámetro M², varias mediciones en la vecindad de la cintura del haz láser son requeridas.

Descriptores: Rejillas de difracción óptica; láser Nd: YAG; calidad del haz.

PACS: 42.79.Dj; 42.55.Rz; 42.60.Jf

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Acknowledgments

The author wishes to acknowledge the support received from The Institute of Physics at Heriot–Watt University in Scotland, especially Professor Dr. D. Hand, for comments and discussions making this letter possible.

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