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Sistema omogeneizzatore trasfocale

Referente: Dr. Daniele Murra
daniele.murra@enea.it

tel. +39 06 9400 5722


Fig. 1 : il sistema di lenti brevettato dall'ENEA per omogeneizzare il fascio del laser ad eccimeri Hercules (visibile sullo sfondo)


L'omogeneizzatore trasfocale è un sistema ottico atto a rendere uniforme sul proprio piano focale la distribuzione spaziale di una radiazione luminosa (sia essa coerente o non coerente, impulsata o continua) su un'area regolabile a piacere.
Le applicazioni che richiedono una distribuzione spaziale di energia luminosa uniforme su un'area variabile sono molto numerose. Limitandoci alle applicazioni laser, queste includono l'irraggiamento di metalli (pulizia superficiale, deossidazione, indurimento da shock, tempra, alligazione, riporto superficiale), l'irraggiamento di materiali plastici (scrittura, ablazione, scultura bidimensionale), la rimodellazione della cornea per correggere difetti visivi, i processi di pulizia superficiale di reperti artistici (dipinti, statue, superfici murali), l'irraggiamento di fotoresist, l'ispezione/riparazione di maschere e wafer nell'industria microelettronica, la ricristallizzazione di silicio amorfo per realizzare transistori a film sottile e celle solari, l'accoppiamento di luce in fibra ottica.
Per alcune di queste applicazioni, quelle mediche in particolare, la necessità di evitare danneggiamenti sul bersaglio dovute a disuniformità locali della radiazione è chiaramente una richiesta imprescindibile.
L'apparecchiatura, progettata, realizzata e brevettata dall'ENEA nel 2000, è impiegata per:
  • rendere uniforme al grado desiderato la distribuzione spaziale di energia/potenza della radiazione luminosa sul piano focale dell'omogeneizzatore, indipendentemente dalla distribuzione di energia di partenza.
  • adattare le dimensioni spaziali della radiazione luminosa omogeneizzata in funzione dell'applicazione.
L'utilità del sistema è particolarmente evidente quando si vuole effettuare un irraggiamento omogeneo sulla superficie del bersaglio e con un valore di densità di energia regolabile a piacere.

A seconda del tipo di sorgente di radiazione e dell'applicazione, è possibile progettare l'omogeneizzatore ottimale per ottenere l'intervallo di densità di energia da esplorare e la disuniformità massima accettabile sul piano di lavoro.

Principio di funzionamento dell'omogeneizzatore trasfocale L'omogeneizzatore ENEA si basa sul principio di suddividere il fascio luminoso in un numero N di sezioni rettangolari (elemento ottico divisore) e di sovrapporle in un piano, chiamato piano focale, dove ogni singola porzione di fascio viene a coincidere con la dimensione finale desiderata (elementi ottici condensatore+zoom). Questo processo fa sì che ogni punto del fascio luminoso che arriva sul piano focale rappresenti la somma di N diversi punti del fascio di partenza, riducendo in tal modo le fluttuazioni d'intensità iniziali e dando al fascio il tipico profilo spaziale "flat-top". Tipicamente, tanto maggiore è N, tanto più uniforme sarà la distribuzione spaziale della radiazione sul piano focale dell'omogeneizzatore (nel caso di radiazione spazialmente coerente, questa regola vale finché la dimensione lineare delle N sezioni resta maggiore della lunghezza di coerenza trasversa del fascio).
A differenza dei sistemi omogeneizzatori tradizionali, l'uso di tre elementi ottici per ciascuna delle due direzioni trasverse consente di poter stabilire a piacimento le dimensioni finali del fascio luminoso, indipendentemente dalle dimensioni di partenza, semplicemente variando le distanze tra gli elementi stessi. L'uso eventuale di matrici di lenti/specchi aventi dimensioni tra loro diverse consente di ottimizzare localmente l'effetto di omogeneizzazione, migliorando l'uniformità di fasci luminosi per i quali il valore di omogeneità media è molto diverso dal valore di omogeneità locale.
In figura 2 è riportato lo schema di funzionamento dell'omogenizzatore trasfocale in cui l'elemento che divide il fascio di luce è costituito da lenti di dimensione diversa.

Fig. 2: schema di funzionamento dell'omogeneizzatore dotato di divisore asimmetrico. a) array di lenti disuguali ; b) lente condensatore; c) lente zoom; d) piano oggetto.

L'omogeneizzatore ENEA è stato dapprima sperimentato con successo sui laser del Gruppo Eccimeri dell'ENEA di Frascati, in particolare sul laser Hercules (vedi figure 1, 3, 4) ed altri prototipi sono stati disegnati per la ditta Info&tech e per il laboratorio di trattamento del silicio amorfo di ENEA Portici (sezione FORI SIAM).

Fig. 3: misura del profilo spaziale del fascio laser di Hercules prima (a sinistra) e dopo (a destra) l'omogenizzazione


Fig. 4: rappresentazione tridimensionale del fascio laser di Hercules misurato sul piano focale dell'omogenizzatore trasfocale


Il brevetto ENEA comprende un programma di simulazione sviluppato ad hoc sia per progettare l'omogeneizzatore trasfocale adatto ad ottenere le prestazioni volute (date le caratteristiche del fascio luminoso di partenza), sia per ricavare a priori le caratteristiche del fascio omogeneizzato al variare della posizione dei singoli elementi ottici. Il programma, scritto in Visual C++, gira su ambiente MS Windows ed è provvisto di un'interfaccia utente che rende l'uso del software particolarmente facile ed intuitivo (vedi fig. 5).

Fig. 5: due schermate del software dedicato alla progettazione di un omogenizzatore trasfocale.


Attività del tipo sopra citato sono state svolte nell'ambito dei progetti EUREKA EU 2359 "Instruments and Standard Test Procedures for Laser Beam and Optics Characterization" e EU 1769 "Surface Cleaning by Laser Technology" e del progetto "FOTO" con finanziamento FESR (vedi fig. 6).

Fig. 6. esempi di applicazioni in cui è stato utilizzato l'omogenizzatore abbinato al laser a eccimeri.
a) pulitura superficiale di materiali verniciati o ossidati
b) ricristallizzazione di silicio amorfo


L'omogeneizzatore trasfocale consente di migliorare le prestazioni di sistemi laser e lampade per adattarne le caratteristiche a punti di lavoro ottimali per ciascuna specifica applicazione ed è in grado di offrire, a utenti quali industrie, PMI, Università ed Enti di ricerca pubblici e privati, partnerships per ricerca congiunta, ovvero progettazione su commessa del sistema omogeneizzatore trasfocale ottimale.
L'omogeneizzatore trasfocale si configura infine come facility per test di verifica di standard ottici internazionali.

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Altri documenti


References:

  • Fred M. Dickey and Scott C. Holswade, "Laser Beam Shaping: Theory and Techniques", pubblicato da Marcel Dekker (2000)
  • Sistema ottico per la omogeneizzazione spaziale di fasci di luce, con uscita a sezione variabile"; Ufficio Italiano Brevetti e Marchi, N. 01316395, 10 Aprile 2003;
    Optical system for the homogenization of light beams, with variable cross-section output": United States patent No.: US 6,639,728 B2; n° EP 1150156 A2 (European Patent Office, 6th December, 2000)
  • S. Bollanti, P. Di Lazzaro and D. Murra, "Performance of a zoom homogenizer for reshaping coherent laser beams", Optics Communications Volume 264, Issue 1, 1 August 2006, Pages 174-179
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