Guide pratique de la qualité de faisceau laser et de la mesure de M2

La théorie des lasers indique que la plupart d’entre eux devraient avoir un faisceau de profil gaussien. Le mode fondamental du faisceau gaussien (TEM₀₀) est l’idéal auquel aspirent de nombreux concepteurs pour les 3 raisons suivantes :

1. Son intensité est maximale le long de l’axe optique, permettant une bonne concentration de la puissance et de l’intensité.
2. Il présente la divergence la plus faible. Il est ainsi souvent approximé par un étroit faisceau de lumière qui ne s’élargit pas.
3. Sa diffraction est limitée, ce qui veut dire qu’une fois focalisé, la largeur du faisceau en son point le plus étroit est la plus petite possible pour une longueur d’onde donnée.

En pratique, il est irréaliste d’espérer obtenir un faisceau gaussien parfait, composé uniquement du mode TEM₀₀ qui se propagerait à l’infini sans déformation du profil en cloche.

Comme bien des gens, peut-être vous demandez-vous à quel point votre laser s’approche de la perfection? Ce guide introduit les concepts nécessaires pour quantifier la réponse à cette question : la qualité de faisceau laser et le paramètre M2. Il explique aussi comment mesurer le paramètre M2 pour un laser réel.

COMMENT DÉFINIR LA QUALITÉ D’UN FAISCEAU LASER

C’est dans les années 60 que les premiers lasers virent le jour, mais ce ne fut qu’au début des années 90 qu’Anthony E. Siegman proposa une mesure comparative du faisceau et de son idéal gaussien, c’est-à-dire la mesure de la qualité du faisceau.

En somme, il faut comparer à une longueur d’onde donnée la divergence du faisceau et la largeur de son col aux valeurs attendues si le faisceau était parfaitement gaussien.

Le facteur de qualité de faisceau (BPP, de l’anglais Beam Parameter Product) est un indicateur de la qualité de faisceau couramment utilisé. Il est défini comme le produit de la largeur du faisceau au col (w₀, le rayon du faisceau en son point le plus étroit) et du demi-angle de divergence (θ) mesuré en champ lointain Les unités de mesure du facteur de qualité de faisceau (BPP) sont des mm-mrad :

BPP = θ w₀

Un faisceau gaussien présente le plus petit facteur de qualité de faisceau possible pour une longueur d’onde donnée. Sachant que le demi-angle de diffraction idéal est donné par θ_idéal = λ / (π w_{0, idéal} ), on peut dériver que le facteur de qualité d’un faisceau parfait est BPP_idéal= λ / π. Bien qu’il soit simple à calculer, le BPP n’est pas le meilleur outil disponible pour comparer deux lasers entre eux, puisque sa valeur idéale varie selon la longueur d’onde.

Siegman proposa une mesure de la qualité de faisceau laser adimensionnelle en divisant le facteur de qualité de faisceau du laser réel par celui du laser idéal à une même longueur d’onde. Le ratio résultant indique à quel point le laser réel se rapproche de l’idéal gaussien. Siegman nomma cette valeur M² (dit m-carré).

M² = π θ w₀ / λ

Puisque M² est adimensionnel (sans unité de mesure), il permet de comparer différents lasers de façon simple. Cependant, bien que cela puisse sembler contre-intuitif, des valeurs plus petites de M² indiquent un faisceau de meilleure qualité. Le meilleur M² possible possède une valeur de 1. La qualité du faisceau laser décroît au fur et à mesure que M² augmente.

POURQUOI EST-CE IMPORTANT DE CONNAÎTRE LA QUALITÉ DE FAISCEAU DE VOTRE LASER

Une fois qu’il est défini, le facteur M² peut être utilisé dans les équations généralisées de propagation de faisceau gaussien. Si vous connaissez le facteur M² de votre laser, ces équations décrivent alors comment votre laser RÉEL se propage, à quel point il peut être focalisé de façon ciblée et à quel point il diverge rapidement.

Connaître le facteur M² de votre laser permet de savoir dans quelle mesure il peut être focalisé. Être capable de focaliser le laser étroitement est particulièrement important lorsque le laser est utilisé à des fins de manufacture ou d’imagerie, puisqu’une largeur de faisceau au col plus étroite signifie une plus grande densité de puissance ainsi qu’une meilleure résolution.

Lorsqu’on utilise de la fibre optique, il est fréquent de vouloir des lasers avec un M² près de 1, puisque cela permet un meilleur couplage avec des fibres optiques à mode unique. La largeur de faisceau au col pour un faisceau réel est donnée par :

Comme on peut le constater dans l’équation précédente, les lasers ayant un M² plus faible peuvent être focalisés sur des régions plus petites que ceux ayant un grand M².

La mesure de la qualité du faisceau permet aussi de déterminer de quelle façon le laser divergera. Connaissant la divergence de votre faisceau, il est possible de prédire sa taille en tout point le long du parcours optique. Le rayon d’un faisceau réel est donné par :

Et la divergence en champ lointain pour un laser réel est donnée par :

Dans l’équation ci-dessus, on peut voir qu’un laser avec un facteur M² élevé diverge plus rapidement qu’un laser avec un petit facteur M². Les fabricants de lasers fournissent souvent le facteur M² dans les spécifications de leurs lasers, car il est un bon indicateur de la facilité avec laquelle l’utilisateur pourra le manœuvrer.

COMMENT CALCULER LE FACTEUR M² ?

La simplicité de la mesure proposée par Siegman la rendit populaire. Cependant, déterminer expérimentalement M² est plus compliqué qu’il n’y paraît. Par exemple, quand vient le temps de mesurer la largeur de faisceau au col, comment faire pour être certain que l’appareil de mesure se trouve réellement au point focal du faisceau?

À partir de quand peut-on dire qu’on est réellement en champ lointain lors de la mesure de la divergence? Deux acquisitions sont-elles suffisantes? Les membres de l’International Organization for Standardization (ISO) ont décidé de mettre fin à cette confusion en créant une norme qui définit comment mesurer M² de façon adéquate : ISO 11146.

La norme ISO détaille une procédure de calcul de M² à partir d’une série de mesures de diamètre de faisceau de façon à minimiser les sources d’erreur. Voici les principales étapes :

1. Commencez avec un faisceau collimé.
2. Faites-le converger avec une lentille sans aberrations.
3. Mesurez le diamètre du faisceau à plusieurs positions autour du point focal. Prenez au moins 10 mesures, la moitié à l’intérieur d’une longueur de Rayleigh du point focal et l’autre moitié à plus de 2 longueurs de Rayleigh.
   
   
   
4. Utilisez les équations de régression données dans la norme pour ajuster une hyperbole à vos mesures, en X et en Y. Ceci augmente la précision des calculs en minimisant les erreurs de mesures.
5. De cet ajustement de courbe, déduisez les valeurs de θ, w0, zR et M2 pour chaque axe.
   La norme ISO indique aussi quelques règles à suivre pour la mesure des diamètres (surtout en ce qui a trait à l’utilisation de matrices de détection, comme des CCD ou des CMOS) :
   • assurez-vous que le diamètre recouvre au moins 10 pixels;
   • tracez une région d’intérêt correspondant à 3 fois le diamètre;
   • calculez le diamètre en utilisant la définition D4σ (moment quadratique);
   • soustrayez toujours le bruit de fond avant de prendre une mesure.

DE QUELS INSTRUMENTS AVEZ-VOUS BESOIN POUR MESURER LA QUALITÉ DE FAISCEAU LASER?

À la base, vous n’avez besoin que d’une lentille, d’un profileur de faisceau et d’une règle. Notre  détaille les étapes à suivre pour mesurer la qualité du profil du faisceau avec ces instruments de base et calculer ensuite le facteur de qualité du faisceau en utilisant notre logiciel gratuit.

Bien qu’elle soit peu coûteuse, cette méthode est assez lente. Vous devez avoir la certitude que votre laser est stable et que son facteur M² demeure constant au fil des mesures de diamètre! Une façon simple d’augmenter la vitesse d’acquisition est de placer le profileur de faisceau sur une platine de translation et d’automatiser l’acquisition.

Mettre en place ce système de profileur mobile et automatiser les calculs et la prise de données peut être un processus laborieux. Heureusement, nous avons pensé à vous! Notre système de mesures M² automatisé Beamage-M2 pousse l’analyse un peu plus loin que ce qui est décrit ci-haut et s’installe rapidement. On peut s’attendre à mesurer M² en quelques minutes lors de la première utilisation et en moins d’une minute lorsque vous en aurez l’habitude.

LA MESURE M² : EST-CE CELLE QU’IL VOUS FAUT?

Maintenant que vous connaissez les bases de la mesure de la qualité de faisceau laser, vous pourrez déterminer si c’est ce dont vous avez besoin. Gardez en tête que M² indique à quel point votre laser s’apparente au faisceau gaussien idéal TEM₀₀.

Par exemple, si vous tentez d’élaborer un faisceau à faible diffraction comme un faisceau de Bessel, ou des faisceaux de Gauss d’ordres supérieurs avec des profils en forme d’anneaux, alors la mesure M² n’est probablement pas appropriée.

Alors voilà! Vous comprenez maintenant les bases de la mesure M2… Des questions? Laissez-nous vos commentaires ci-bas ou communiquez avec notre équipe. Nous nous ferons un plaisir de vous répondre!