Что значит профилированный брус: Обычный, профилированный или клееный брус: что лучше?

Posted on by alexxlab

Содержание

Профилированный брус как строительный материал

Что такое профилированный брус

Брус представляет собой бревно, обработанное на четыре канта по определенным размерам. Если брус имеет профиль, вырезанный на станках по специальным шаблонам, то такой брус называется профилированным. Профиль может быть разной длины и разного сечения.

Шипы и пазы профилей помогают максимально уплотнять соединения, не допускать попадания влаги между брусьями, облегчать процесс сборки стен, сберегать тепло в построенном доме.

Внешне профилированный брус выглядит эстетически привлекательно: ровная гладкая поверхность без щелей в соединениях.

Материал для профилированного бруса

Такой брус изготавливается из массива древесины хвойных пород: ели, сосны, пихты, лиственницы. Особым преимуществом пользуется сосна, она имеет высокий ровный ствол без ветвей.

Брус из хвойных пород деревьев отличается долгим сроком службы и стойкостью к гниению.

Не вся древесина подходит для получения из нее профилированного бруса.

Она подвергается тщательному отбору на предмет наличия пороков древесины и определенный диаметр бревна.

Изготовление профилированного бруса

Отобранные бревна пилятся циркулярными пилами на лафет, то есть у бревен сначала обрабатываются только две стороны. На следующем этапе лафет опиливается до бруса определенных, заданных размеров. Дальнейшая обработка придает форму брусу, а также производится профилирование специальными фрезами на строгальных станках.

Виды профилированного бруса

Профилированный брус делится на виды

— по размеру профиля,

— по виду профиля,

— по внешнему виду бруса,

— по степени влажности древесины.

Размер профиля имеет определенные стандарты, которые размещены в ГОСТах и требуют их соблюдения.

По виду профиль бруса может быть:

− с одним шипом;

− с двумя шипами;

− с несколькими шипами, так называемая «гребенка»;

− со скошенными фасками;

− финский.

Вид бруса различается по форме внешней стороны, она может быть прямолинейной или

овальной.

Стена из бруса с прямолинейной внешней стороной практически не нуждается в дополнительной отделке, а овальная внешняя сторона придает стене из профилированного бруса бревенчатый вид, что смотрится эффектно.

Профилированный брус может быть с естественной влажностью и сухим. Естественно, сухой брус предпочтительнее по своим физико-механическим качествам, но он гораздо дороже бруса с естественной влажностью.

Преимущества профилированного бруса

Положительные стороны применения профилированный брус в качестве строительного материала заключаются в следующем:

− это экологически чистая древесина из цельного массива без применения клеев;

− сборка домов из профилированного бруса сравнительно легка и не занимает много времени благодаря наличию профилей;

− использование профилей позволяет делать соединения более плотными, что улучшает микроклимат в доме и его теплоизоляцию;

− дом из профилированного бруса имеет небольшой вес, что значительно удешевляет строительство фундамента;

− максимально плотное соединение профилей практически исключает дополнительные работы после усадки дома;

− в отличие от бревенчатого дома дом из профилированного бруса пожароустойчив вследствие возможности пропитки бруса антипиренами и лучше защищен от биологических вредителей после обработки антисептиками;

− дома из профилированного бруса не требуют внешней, да и внутренней отделки из-за красивого вида древесной текстуры у строительного материала.

Отрицательный момент можно увидеть в усадке дома и появлении небольших трещин. Причем профилированный брус естественной влажности, высыхая, дает усадку больше, чем сухой.

Профилированный брус и клееный профилированный брус — современные материалы для строительства деревянного дома

13.02.2017Схема монтажа бруса с финским профилем Какой материал выбрать для строительства деревянного дома — бревно или брус? А если брус, то естественной влажности или сухой, обычный или клееный профилированный брус. У перечисленных пиломатериалов свои достоинства и цены. Так как они активно применяются, нельзя утверждать, что есть среди них лучший по всем показателям. Задача выбора — многофакторная, приходится учитывать цену материала, стоимость и скорость выполнения монтажа, объем и стоимость отделочных работ, комфорт и аккуратность возведенного строения, усилия по поддержанию его в хорошем состоянии. Тем не менее, если цена не определяющий критерий, разумно будет предпочесть современные технологии, массовые и точные, а значит, профилированный брус.
Тем более, что начальные вложения, вполне вероятно, окупятся меньшими затратами на отделку и уход за домом из такой древесины.

При строительстве из бревен или бруса приходится решать ряд задач, из которых наиболее важная — соединение элементов конструкции между венцами и в углах. Чтобы не подгонять детали друг под друга на месте, при заготовке их обрабатывают до получения оцилиндрованного бревна стандартного диаметра или калиброванного бруса. Такие пиломатериалы неплохо сопрягаются в конструкции и позволяют быстрее возводить здание. Однако значительные допуски в размерах и коробление при стабилизации влажности приводят к тому, что стыки нужно не только прокладывать уплотнителем, конопатить при строительстве, но и периодически ремонтировать, подновлять. Более прочный и красивый дом, требующий меньше усилий на строительство и уход, строится из профилированного бруса. Идеальное решение — сухой профилированный брус (обычный или клееный профилированный брус). При строительстве из него можно вообще обойтись без специальных межбревенных уплотнителей.

Усадка сухого профилированного бруса (камерной сушки) меньше, чем у древесины естественной влажности, поэтом можно скорее начать отделку выстроенного дома и въехать в него.

Четырехсторонний станка для профилирования бруса «Флагман 4х240» от компании «Камский берег — Станкострой» Термин «профилированный брус» кажется простым и однозначным. Понимается он так: пиломатериал, получаемый точной разделкой (распил, строгание, фрезерование) древесины под некоторые стандартные формы и размеры. Нередко этот термин относят к некоторому частному качеству пиломатериала. Это может быть или точность размеров сечения, или специальная форма профиля бруса, или качество строганной поверхности. Причина такой неоднозначности в том, что способ производства профилированного бруса почти автоматически обеспечивает достижение всех перечисленных свойств. А потребитель обращает внимание только на то, которое кажется ему самым важным.

Обычный брус получают просто распиловкой лесоматериалов до сечения с прямыми углами с некоторыми допусками по размеру. Профилированный строгают и фрезеруют так (в идеале за один проход), что в сечении получается профиль строгой и точной формы (прямоугольник с пазами или форма с одной или двумя радиусными, округлыми лицевыми сторонами). Для такой обработки используют станки, которые вместе с формой доводят до высокого качества и поверхности (если исходный материал был сухой, а пилы и фрезы острыми). Поэтому профилированный брус собирается в ровную и гладкую стену, монтируется с фиксацией «на замок» паз-шип, не требует дополнительной отделки для получения гладкой стены.

Бывает, профилированным называют просто хорошо изготовленный брус с ровными поверхностями и сечением 100х100 мм, 150х150 мм, 200х100 мм и проч. Но профилированный брус отличается от него и профилем сечения (более сложным, чем квадрат или прямоугольник), и рядом размеров: 140х145 мм, 140х190 мм, 190х190 мм и проч. При этом для профилированного бруса указывается и высота его в сборке, без учета шипов, «рабочая». Для перечисленных сечений с высотами 145 мм и 190 мм рабочая высота 130 мм и 175 мм соответственно.

Профиль, даже если он совсем несложный, имеет паз (пазы), шип (шипы) и фаски. Это может быть: простой профиль с фасками, образующими шип верхней грани, и с широким пазом нижней грани с двумя бортиками; «финский» с шипами по краям верхней грани, выборкой под уплотнитель между ними и соединительными пазами нижней грани; гребенка («немецкий профиль») с разным количеством пазов/шипов; комбинация профилей с гребенкой и широкими пазами «финского».

Производство профилированного бруса. Компания «Терем ВК» Чем проще форма замка шип-паз, тем брус проще и легче монтируется, разбирается, прощает более грубые ошибки в производстве и хранении материалов. Типичный пример такого профиля — «финский». Для обеспечения лучшей сплошности конструкции в межвенцовом соединении у такого профиля предусмотрена выборка под уплотнитель (джутовый, полимерный). Толщина уплотнителя больше глубины выборки-паза. После монтажа, а затем естественной усадки он надежно запечатывается в полости и герметизирует ее.

Более сложные замки сопряжения типа гребенки состоят из нескольких соответствующих друг другу пазов и шипов. Их (шипов) сравнительно небольшой размер и шаг обеспечивает герметичность (непродуваемость) соединения даже без уплотнителя. Однако если до сборки так профилированный брус наберет влаги или высохнет с деформациями, то качественно и плотно собрать его будет невозможно. А если в дальнейшем в пазы проникнет вода атмосферных осадков, теплозащитные свойства стены будут неудовлетворительны. Профиль с частой гребенкой более технологически строг. Но при соблюдении всех правил именно он образует стену, наиболее близкую к сплошной древесине, а значит с лучшими теплозащитными качествами.

Степень деформации при усадке минимальна для сухой древесины. Поэтому сложный профиль, размеры которого не должны существенно меняться, уместен для древесины хорошей просушки (камерной — до 12% влажности), но не естественной влажности (от 20% до 30%). Однако следует понимать, что при неправильном хранении до монтажа, такой материал может набрать влаги и лишится своих преимуществ — гребенки соседних брусьев не будут точно соответствовать друг другу.

Как бы ни была хорошо подготовлена древесина, после монтажа она все равно будет приходить в равновесие по влажности с окружающей средой с деформациями и растрескиванием. Брус естественной сушки (в еще большей мере свежий и плохо просушенный) при усушке может дать усадку размеров до 10%. Брус камерной — в половину меньше. При этом неизбежно появление трещин, которые придется заделывать. Трещины бруса возникают и растут в самых нагруженных и ослабленных зонах.

Брус с простым профилем и его использование в строительстве. Компания «КСДом» При правильном профилировании и монтаже можно существенно уменьшить долю трещин на лицевой и внутренней поверхностях стен. Для этого при фрезеровании профиля нужно так позиционировать заготовку, чтобы центр дерева (центр схождения годичных колец) был по возможности максимально удален от боковых поверхностей бруса. На верхней поверхности, в невидимой зоне, можно сделать ослабляющий компенсационный пропил, по которому, скорее всего, и пойдет со сбросом напряжения трещина. Крайние боковые шипы должны быть больше (выше) прочих и, принимая большую нагрузку, обеспечивать и большее сдавливающие напряжение, сжимающее боковые (лицевые) грани и снижающее вероятность развития там трещин. Такие особенности профиля не только уменьшают видимую трещиноватость, но и приводят к заклиниванию соединения и фиксации замка. Брус сложного профиля, предусматривающий правильное распределение напряжений, безусловно, хорош, однако при его производстве и монтаже также следует придерживаться более строгих норм, чтобы затраты оправдались. Просто сложность не гарантирует ни качества стены, ни ее долговечности.

Брус из сухого дерева после профилирования имеет ровную и гладкую поверхность, не требующую специальной отделки. Замки паз-шип надежно держат конструкцию, ограничивают коробление. Компенсационные пропилы и перераспределяющие нагрузку шипы разной высоты при правильном изготовлении и монтаже сводят к минимуму возникновение трещин на видимых поверхностях.

В общем, профилированный брус всем хорош. Но, естественно, он дороже бревна или обычного бруса. Требует более высокой квалификации строителя, вернее соблюдения им технологии строительства. Ну и, наконец, разобрать и перестроить дом из профилированного бруса существенно сложнее, чем из непрофилированного или бревна с простым профилем межвенцового соединения.

Профилированный брус, виды профилей бруса, рамзеры, плюсы и минусы.

Профилированный брус это современный строительный материал который изготавливают из хвойных пород деревьев методом фрезерования и строгания. При этом, придаётся специальный профиль, такой материал легко укладывать, благодаря шипам-пазам, стены из него собираются, как конструктор, что существенно экономит время и деньги, стены при этом остаются геометрически ровными, благодаря жёсткому сцеплению, в виде замка и не требуют дальнейшей отделки.

Виды профилей и размеры

Существует три основных размера профилированного бруса: (размеры указаны в чистоте)

  • 140 на 90 мм (толщина стены 9 см. )  — для дачных построек и главным образом идёт, как перегородчный брус
  • 140 на 140 мм (толщина стены 14 см.) наиболее востребованный размер бруса, так называемая «золотая середина»
  • 140 на 190 мм (толщина стены 19 см.) применяют для коттеджей и домов для постоянного проживания

По виду профиля:

  • Финский — профиль бруса имеет два выраженных шипа
  • Гребёнка — имеет большое количество шипов
  • Скандинавский — это подвид, гребенчатого профиля.
  • Лунный — или по другому под «блок хаус», полукруглый снаружи и ровный внутри, самый популярный вид бруса
  • Ровный — профиль с двух сторон ровный, со скошенными фасками.

По степени влажности:

  • Брус естественной влажности (25-40%)
  • Брус камерной сушки(принудительной) (не более 20%)

По сезону заготовки:

  • Зимний лес (сырьё для бруса, заготавливают зимой)
  • Летний лес

Технология производства

Для производство профилированного бруса применяют хвойные породы дерева, ель или сосну. Берут заготовки не строганного бруса размерами 150 на 100, 150 на 150 или 150 на 200мм, в зависимости от размера, который хотим получить. Методом фрезерования, снимается с двух сторон по 0,5 см, при этом брусу задаётся профиль (полукруг с одной стороны или ровные бока, два шипа или гребёнка), в двух других формируют профиль в виде «шип-паз» На выходе мы получаем строганный профилированный с 4 сторон брус, весь процесс занимает 1-2 минуты на 1 шт. (брус длинной 6,0 метра). Профилирование производится на специальных четырёхсторонних строгальных станках профильными фрезами.

На фото стандартные заготовки не строганного бруса, готового для фрезерования и профилирования

Брус после профилирования в штабелях, готовый к отгрузке на пилораме

Крупным планом, профиль бруса снаружи под «блок хаус»( лунный)

Профиль бруса с двух сторон ровный естественной влажности под навесом перед отгрузкой

Важно: Чистовые стены из такого бруса обязательно нужно запиливать и врубать в коренной шип (другое название «тёплый угол») или в его разновидность, ласточкин хвост. Между венцами всегда прокладывают межвенцовый утеплитель джут.

Рубка углов домов, только в коренной шип, согласно ГОСТ 30974−2002

Утеплитель джут между каждым венцов бруса капитальных стен и перегородок

Благодаря шипам-пазам, брус соединяется в жёсткую геометрически ровную конструкцию

Для справки:

В одном кубе бруса 150 на 100мм — 11 шт.

В одном кубе бруса 150 на 150мм — 7,0 шт.

В одном кубе бруса 150 на 200мм — 5,5 шт.

Это влияет на стоимость сруба дома, к примеру дом равный по размеру и площади из бруса 150 на 200мм будет всегда дороже. Так как количество брусин в кубе меньше, а значит кубов для строительства нужно больше, учитывайте это при запросе или планирование строительства будущего дома

Выбор профиля бруса на стоимость не влияет (вы можете выбрать как  лунный профиль (под «блок хаус» снаружи) так и с двух сторон ровный).

  • У нас собственное производство профилированного бруса.
  • На производстве две сушильные камеры, к вашим услугам, брус камерной сушки.
  • А так же лес, зимней заготовки.

Строганный брус или профилированный брус выбрать для строительства?

 

В последние годы в нашей стране стремительно возрастает доля частных домов, построенных не из кирпича или бетона, а из дерева. Причем при этом очень часто используется строганный брус или профилированный брус. Благодаря ряду безусловных достоинств, какими обладают эти материалы, многие профессиональные строители рекомендуют пользоваться при возведении домов именно ими. В чем же их плюсы? И какой из этих материалов выбрать, начиная проектирование деревянного дома – профилированный или строганный брус?

О строганном брусе

Что представляет из себя строганный брус? Это толстое бревно, с которого была аккуратно снята кора (вместе с верхним слоем древесины, так называемым горбылем) и небольшое количество древесины. В результате вы получаете брус квадратного сечения. Простота изготовления значительно снижает стоимость материала – приобрести строганный брус, особенно естественной влажности, вы можете дешевле, чем любой другой строительный материал.

Для возведения малоэтажных зданий использовать строганный брус максимально легко и просто. Если при строительстве домов из оцилиндрованного бревна нужно иметь определенные навыки, то при использовании строганного бруса с работой справится любой аккуратный и внимательный человек. Это немногим сложнее, чем построить крепость из кубиков. Брус квадратного сечения идеально ложится друг на друга. Нужно лишь следить, чтобы каждый последующий брус ложился ровно на предыдущий, не оставляя щелей. Конечно, между строительными элементами нужно укладывать подходящий утеплитель, который надежно защитит обитателей дома от сквозняка, который может возникнуть даже при наличии миллиметровых щелей между брусом.

О профилированном брусе

Производство профилированного бруса связано с большим количеством проблем. Ведь в процессе изготовления строганный брус является лишь заготовкой для материала. В нем делают специальные замки, создавая небольшие впадины и выступы. Конечно, из-за подобной сложности изготовления существенно повышается и стоимость строительного материала.

Зато при строительстве количество проблем будет существенно меньше. Вам не обязательно ходить с линейкой, прикидывая, идеально ли ровно один брус лёг на другой. Ведь после укладки одного бруса на другой и совпадении замка, они идеально подгоняются друг к другу под собственным весом. Благодаря этому можно даже отказаться от использования специальных уплотнителей и утеплителей. Именно замок обеспечивает великолепное сочленение бруса между собой. Стена превращается в монолитное соединение, в котором точно не появится ни единой щели. Конечно, сквозняки и прочие неприятности никогда не потревожат вас.

Сухой или естественной влажности?

Ещё один вопрос, который может возникнуть, когда вы будете покупать строганный или профилированный брус, это выбор сухого материала или естественной влажности. Сразу стоит сказать – первый вариант обойдется вам дороже. Независимо от того, какой способ сушки использовался (естественная или камерная сушка), за сухой брус придется выложить большую сумму. Зато при наличии нужного количества материала вы можете сразу приступить к работе, точно зная, что через полгода-год дом не даст значительную усадку, из-за которой придется проводить ряд дополнительных работ. Если время для вас столь критичный фактор, то можно сэкономить и приобрести строганный брус или профилированный брус естественной влажности. Но учтите – вселяться в этот дом можно будет через 6-12 месяцев после постройки.

Дом из профилированного бруса — что это такое

Брус — экологически чистый материал, который выпилен из цельного дерева. Брусу придаётся прямоугольная форма. Материалом для изготовления бруса чаще всего становится ель и сосна. Смола, содержащаяся в ней, предотвращает гниение древесины и придаёт основанию дома прочность. Ещё одна причина высокой популярности домов из бруса — удобство при возведении деревянных стен.  
Существует несколько видов бруса:

  1.  древесина с естественным уровнем влажности;
  2.  сухой профилированный брус;
  3.  клееный брус.

Брус из древесины с естественным уровнем влажности отличается от остальных вариантов тем, что при строительстве дома из него необходимо подождать, пока древесина «сядет». Этап тайм-аута следует за этапом монтажа и длится от полугода до 12 месяцев. 

Сухой профилированный брус (брус камерной сушки) имеет множество достоинств. Усадка бруса минимальна, эта характеристика существенно снижает сроки, затрачиваемые на строительство. Теплоизоляционные свойства профилированного бруса очень высоки.

Клееный брус состоит из досок, которые склеены по плоскости. Его отличием от других вариантов является то, что прочность такого бруса можно прогнозировать, т.к. при его производстве вырезаются различные дефекты из пиломатериалов. Брус может иметь 2 формы: обычную и профилированную. 

Обычный брус похож на квадрат либо прямоугольник благодаря своей четырёхугольной форме. Его толщина равномерно распределена по всей длине бруса, поэтому такой брус легко поддаётся монтажу. 

В отличие от обычного, профилированный брус имеет нестандартную форму, которая позволяет с лёгкостью складывать доски между собой и придаёт дополнительную теплоизоляцию стенам дома. 

 

Преимущества профилированного бруса:

  • Профилированный брус абсолютно не деформируется при использовании, поскольку после прохождения этапа высушивания древесины изделия, имеющие склонность к скручиванию, бракуются;
  • При механической обработке древесины снимается внутреннее напряжение со всех сторон заготовок;
  • Нет необходимости конопатить дома из древесины. Дополнительные прокладки надёжно уплотняют и герметизируют швы;
  • Дом из профилированного бруса может быть возведён в короткие сроки благодаря минимальной усадке бруса;
  • Нет необходимости в наружной отделке. Стены дома из бруса гладкие и шлифовать их не обязательно;
  • Экономия лесоматериала. Для возведения дома из бруса потребуется меньшее количество древесины по сравнению со строением из оцилиндрованных брёвен;
  • За домами из бруса легко ухаживать. Стены из брёвен сложнее мыть, поскольку в проёмах между изделиями скапливаются загрязнения и пыль;
  • Расход антисептика на обработку древесины минимален: площадь стен из бруса меньше аналогичной площади из оцилиндрованных брёвен. На сегодняшний день большая часть нашего населения предпочитает жить в домах из бруса. Натуральные материалы высоко оцениваются и загородные дома зачастую возводят не из кирпичей и бетонных плит, а из полезной для здоровья древесины.

В последнее время строительство домов из бруса становится всё более популярным. Строительство производится в несколько этапов. Сначала создаются проекты домов из профилированного бруса. Хорошие строительные организации, как правило, предлагают большое количество заранее подготовленных проектов. 

План строительства дома включает в себя расчёт площади строения, предложение по отделке дома и его дизайну. Выбирая уже подготовленный проект дома из бруса, вы заранее можете увидеть по фотографии, как будет выглядеть место, в котором вы станете жить. Поэтажный план строительства включает в себя план размещения всех внутренних помещений. 

В зависимости от финансовых возможностей проекты дома из бруса могут быть как экономичными, так и дорогими. Каждый из образцов разрабатывается профессионалами с учётом всех требований и норм для строительства, что гарантирует последующее удобное и комфортное проживание в доме.

Заселяться в дом из бруса можно сразу после прекращения строительства. Благодаря данному фактору срок сдачи зданий из бруса существенно сокращается. 

 

Как производится строительство дома из бруса?

На этапе создания проекта дома из бруса предусматривается система вентиляции и отопления помещения. Подобный подход позволяет избежать неточностей на этапе установки элементов всех систем. Этот же момент касается функционального предназначения комнат, особенности которых необходимо учитывать при планировке.  

По сравнению с кирпичами и бетонными блоками брус имеет очень лёгкий вес. Для постройки дома из бруса требуется меньшей рабочей силы по сравнению с прочими видами зданий. 

В качестве основы фундамента для дома из бруса используются такие экономичные решения, как основание из свай или мелкозаглубленная лента. Первый венец дома является его контуром. На него приходится большая часть нагрузки дома. Для того, чтобы венец не вышел из строя по причине влажности под него делается подкладка из древесины. 

Следующий этап при строительстве дома — это сборка сруба. По этой технологии каждый следующий верхний венец бруса укладывают на нижележащий после его монтажа. Для того, чтобы уплотнить стык, между всеми брусьями прокладывают специальный материал — джут. 

Если в стене дома планируется размещение окон и дверей, размеры пиломатериала подбираются с учётом величины будущих проёмов. После проведения этого этапа укладываются пол, потолок и делается крыша дома.

Отделочные работы в доме из бруса производятся с использованием минимума материалов. Это — огромное преимущество, поскольку ремонт в доме зачастую бывает достаточно дорогим. Использование качественного материала для строительства дома из бруса даёт возможность свести затраты времени и средств на отделку к минимуму. 

Следующий этап — установка окон и дверей в проёмы. При строительстве дома из бруса окна и двери монтируют в окосячку. В вертикальной части торцов выпиливаются пазы, в которые закладываются брусья. В целях обеспечения свободной усадки древесины сруба длина бруса устанавливается меньше высоты проёма. К проёму прикрепляется коробка, а в неё монтируются дверь или окна. Окосячка становится не только эффективной конструкцией для крепления, но и становится дополнительным усиливающим элементом, который надёжно фиксирует проём в необходимой плоскости, не давая брусу выгнуться, если изменится уровень влажности пиломатериала.

Имеет значение ещё один очень важный момент: в том случае, если вы собираетесь проживать в доме из бруса на протяжении круглого года и не желаете каждую зиму переплачивать дополнительные деньги за отопление дома, следует заранее подумать об утеплении дома. Популярностью пользуются не только жилые, но и дачные дома из бруса. Строительство дачи из бруса намного экономичнее, чем возведение домика из кирпича по такому же проекту. Причина такой небольшой стоимости заключается не только в дешевизне древесины, но и в том, что расходуется меньшее количество материала. Кирпичные стены многим уступают деревянным, т.к. стены домов из бруса лучше изолируют тепло. 

Кроме этого, на возведение домика для дачи из бруса потребуется гораздо меньшее количество времени. Выкладывать стены из бруса намного проще, чем из кирпичных или бетонных блоков. 

Как вы видите, строительство дачного дома из бруса обойдётся своему владельцу совсем недорого. 

Кроме приятного фактора экономичности, домики из бруса обладают привлекательным дизайном. Что может быть симпатичнее изящного деревянного крыльца, веранды с просторной террасой и натуральной текстуры стен из дерева? 

Качественный дом из бруса, будь это жилой или дачный домик, будет радовать вас на протяжении долгих лет. Ухаживать за ним очень просто.

что это такое и чем профбрус отличается от обычного бруса? Его производство и виды профиля, плюсы и минусы

В настоящее время рынок современных строительных материалов насыщен разнообразными изделиями, предназначенными для малоэтажного строительства. Материалы из натуральной древесины по-прежнему не потеряли своей актуальности и востребованности. Одним из лидеров древесных строительных пиломатериалов считают пазогребневый профилированный брус. Промышленность выпускает в большом количестве брус прямоугольной формы с ровными или округлыми боковыми сторонами. Верхняя и нижняя стороны могут быть снабжены специальными выступами и выемками по типу пазогребневого соединения.

Что это такое?

Характеристики древесины позволяют отнести этот материал к экологически чистому продукту, пригодному для строительства жилых домов. Профилированный брус позволяет сократить сроки строительства.

На сегодняшний день древесный брус профилированного типа считается одним из бюджетных и технологичных материалов для возведения построек. Натуральная древесина выглядит довольно презентабельно и дает возможность сохранять теплопроводность.

Если вам требуется в сжатые сроки соорудить жилую постройку, то стоит обратить внимание на профилированный брус, который является качественным природным материалом.

Изготавливается брус с помощью специальных промышленных деревообрабатывающих станков. Древесную заготовку в процессе изготовления подвергают нескольким циклам обработки, результатом такой работы является идеально ровная форма бруса с необходимыми для строительства характеристиками. В качестве исходного материала для производства бруса используются ель, осина, сосна, лиственница и даже кедр. Бюджетными вариантами являются сосна и осина, эти породы деревьев выдерживают резкие температурные перепады и разность влажности.

Что касается дорогих пород, то к ним можно отнести кедр и лиственницу, их ценят за наиболее длительный срок службы. Самым низкосортным сырьем считается ель, так как ее древесина подвержена гниению, поэтому материал применяется для внутренней отделки. Профилированный брус имеет преимущества, главное из которых заключается в наличии двухстороннего профиля, с помощью которого и обеспечивается фиксация элементов во время выполнения строительства. Наличие у бруса специального профиля дает возможность ускорить темпы строительства и сэкономить бюджет на утеплении каркаса дома.

Качественный древесный брус изготавливается по нормативам ГОСТ. Изначально производится подбор древесины для заготовок, выбирается параметр сечения бруса – квадратный, округлый или прямоугольный. Все материалы с дефектами выбраковываются. Далее заготовки группируют по размерам и отправляют на сушку в естественных условиях, которая может продолжаться несколько месяцев.

Для ускорения процесса используют сушильные камеры, где брус выдерживают при определенных условиях в течение 3-4 недель.

Все заготовки подлежат обработке антипиреном и антисептиком, после чего их отправляют на распиловку и профилирование.

Профилированный брус имеет свои плюсы и минусы. Основные достоинства этого строительного материала заключаются в следующем:

  • дом, построенный из древесного бруса, выглядит добротно и красиво, он не потребует дополнительных затрат на наружную отделку;
  • материал является экологичным и благоприятно влияет на здоровье человека;
  • древесина имеет низкую степень теплопроводности, что дает возможность сэкономить на обогреве дома;
  • элементы бруса плотно прилегают друг к другу, поэтому венцы и стены не нуждаются в герметизации;
  • древесина обладает долговечностью, после обработки специальными составами она не подвержена горению, воздействию плесени и грибка;
  • строительство дома отличается простотой монтажа и быстротой выполнения строительных работ;
  • качественный брус обладает длительным сроком эксплуатации, он не склонен к растрескиванию, хорошо сохраняет первоначальные габаритные параметры, несмотря на то что после сборки каркаса происходит незначительная усадка материала;
  • дом из бруса, обладает определенной легковесностью, поэтому для него не требуется глубокий фундамент – достаточно ленточного или столбчатого основания.

Несмотря на массу достоинств, недостатки у бруса тоже имеются:

  • брус может иметь дефект самой древесины или профильной части;
  • в продажу нередко поступает материал, имеющий плохую степень просушки, в результате чего период усадки у постройки значительно удлиняется;
  • даже обработанный антипиреном, брус является горючим материалом, поэтому требует соблюдения норм противопожарной безопасности;
  • если толщина бруса выбрана без учета климатических условий, а также при несоблюдении технологии сборки постройка будет нуждаться в создании дополнительного пояса утепления;
  • после того как сооружение дало усадку, изменить планировку в помещении будет сложно и затратно;
  • натуральная древесина склонна к потемнению, поэтому снаружи постройку потребуется окрашивать.

После того как дом построен, внутренняя отделка стен ему чаще всего, не требуется, так как массив дерева выглядит эстетично, не нуждаясь в дополнительных украшениях.

Чем отличается от других материалов?

Натуральный брус профилированного типа – это строительный материал, изготовленный с использованием высоких технологий. Отличие профилированного бруса от обычного клееного аналога заключается в том, что у клееного материала полностью нарушается естественная структура древесины, что плохо отражается на качестве бруса после просушки. Профилированный брус делают из массива, поэтому он лучше, надежнее и долговечнее, но может быть подвержен растрескиванию и усадке.

Внешне профилированный брус выглядит так: его наружная сторона бывает плоской или в форме полукруга, а сторона, расположенная внутри строения, всегда ровная и тщательно выстроганная. Боковые стороны бруса имеют специальный паз и выступ в виде шипа, с их помощью элементы надежно стыкуются при монтаже. Между брусом укладывается ленточный джутовый утеплитель. Сечение у профилированного изделия может быть различным – зависит это от назначения материала.

Основным достоинством профилированного материала является наличие у него пазогребневого элемента с двух сторон, что обеспечивает сборку стен с минимальным числом отверстий, которые потом придется конопатить. Если сравнивать с этим материалом обычное оцилиндрованное бревно, которое стоит дешевле, то оно не имеет таких свойств, поэтому профильный брус стоит дороже.

Как делают профбрус?

Профилированный брус выпускает деревообрабатывающий завод, имеющий оборудование для производства, на котором можно выполнять профилирование. Каждый производитель выпускает свою продукцию в соответствии со стандартами ГОСТ, а само изготовление подразумевает выполнение нескольких этапов обработки древесины.

  • Выбор пиломатериала. Для профилированного бруса используется лиственница, сосна, возможно изготовление бруса из алтайского кедра или ели. Самым ценным сырьем считается лиственница, ее древесина имеет хорошую устойчивость к влажности, а также она медленно и равномерно прогревается, а затем остывает. Иногда для изготовления бруса используют дуб или липу.
  • Выбор сечения. На производстве могут быть изготовлены изделия круглого или квадратного сечения. При этом влажность у изделий будет соответствовать влажности свежей древесной заготовки.
  • Этап отбраковки. Материал подвергают осмотру, при обнаружении повреждений или дефектов его изымают из дальнейшего производственного цикла.
  • Этап калибровки. Древесину сортируют не только по размерным показателям, но и по размеру сечения.
  • Процесс сушки. Подразделяется на естественную или камерную. Чтобы избежать растрескивания материала во время сушки, производители нередко делают посредине заготовки компенсационный пропил. Для осуществления сушения в специальных камерах брус укладывают штабелями так, чтобы материал имел возможность циркуляции воздуха.
  • Шлифовка. Выполняется на станке, где заготовка обрабатывается со всех 4-х сторон одновременно, что исключает отклонения в заданной размерности. После обработки материал приобретает гладкую и ровную поверхность, а на боковых сторонах получаются пазогребневые элементы крепления.
  • Упаковка материала. После обработки древесный строительный материал складывают штабелем, сохраняя его в условиях низкой влажности при транспортировке.

Мелкие частные производственные компании могут нарушать установленную технологию процесса изготовления бруса, что проявляется появлением дефектов древесины, которые можно увидеть не только настадии производства, но и в процессе сборки постройки. Хуже всего, если дефекты начинают проявлять себя на этапе эксплуатации дома.

Обзор видов

Профилированный брус, как и строганый, изготавливается по сложной производственной технологии, которая постоянно совершенствуется, повышая качество изделий. В обобщенном виде типы изделий классифицируют по нескольким признакам.

По типу профиля

Разновидности профилированного бруса зависят от формы и числа пазогребневых элементов.

  • Профиль, имеющий 1 шип. Представляет собой гребневидный выступ, направленный вверх. Это предупреждает набирание воды при соединении двух подобных брусьев. Сушат такие изделия естественным путем, а используют для строительства бани, беседки, дачного дома.
  • Профиль, имеющий 2 шипа, Пара гребневидных выступов создает прочное соединение и значительно сокращает потерю тепла. Между гребневидными шипами нередко прокладывают теплоизоляционный рулонный джут.
  • Профиль, имеющий скошенные выступы, является модификацией бруса с 2-мя шипами. Скошенная форма фаски препятствует попаданию влаги в пространство межвенцового соединения. Помимо этого, такая форма фасок дает возможность надежной герметизации стен путем конопачивания. Профилированный брус, имеющий скошенные фаски, выглядит более презентабельно и необычно.
  • Профиль, называемый гребенка. Этот материал имеет множественное число пазов для крепления, высота которых составляет как минимум 10 мм. Такой брус позволяет максимально сохранять тепло и обеспечивает надежность собранной конструкции. Профиль типа гребенка дает возможность отказаться от применения утеплителя. Но стоит отметить, что при сборке работать с таким материалом довольно сложно – потребуется определенный опыт и навыки. Сложнее всего собирать дом из такого бруса во влажную погоду, когда древесина набухает, а гребни туго входят в посадочные пазы.
  • Профиль, называемый финским, имеет 2 гребня, у которых скошенная фаска, кроме того, имеется широкое пространство между этими гребнями. Финский вариант обеспечивает плотное стыкование элементов, а также позволяет применять рулонный джутовый утеплитель.

Более востребован на строительном рынке профиль типа гребенка, этот строительный материал часто подделывают кустарными способами.

По форме профиля

Исходя из формы наружных сторон профилированного бруса, выделяют ровный или полукруглый тип. У ровного профиля имеются скошенные фаски, или же они могут отсутствовать. Полукруглый вариант имеет вид округлого профиля, который еще называют «блок-хаус».

  • Прямолинейная лицевая сторона является стандартным вариантом. Это самый удобный для монтажа профиль, который впоследствии можно подвергнуть любой дополнительной отделке.
  • Выгнутая лицевая сторона – профиль снаружи имеет D-образную форму, а внутренняя поверхность у него ровная. Используя подобный вариант бруса, можно сделать постройку, напоминающую бревенчатый сруб, при этом внутри помещения стена будет ровной.
  • Выгнутый брус с двух сторон – на срезе он будет выглядеть как буква О, так как и наружная, и внутренняя часть профиля будут напоминать оцилиндрованное бревно. Вариант с двумя выгнутыми сторонами является самым дорогостоящим. Применяя его, в дальнейшем можно не использовать наружную и внутреннюю отделку.

Выбор формы профиля зависит от метода сборки дома и эстетических предпочтений его владельца. Наиболее распространено применение полукруглого бруса с округлой наружной стороной и гладкой внутренней поверхностью.

По степени насыщенности влагой

Характеристики естественной влажности у исходного материала и готовый профилированный брус после сушки определяют его эксплуатационные свойства. Различают 2 вида материала по степени влажности древесины.

  • Материал естественной влажности – к этой категории относят брус, который просушивался в естественных условиях. Для этого материал собирают в штабеля таким образом, чтобы между отдельными брусьями мог свободно проходить воздух. Спустя месяц такой сушки древесина равномерно просушивается и уже не растрескивается в процессе эксплуатации. Однако стоит помнить, что собранный дом будет подвержен длительному процессу усадки.
  • Материал после принудительной сушки – чтобы получить сухой брус, его можно высушить в специальной сушильной камере. Влажность древесины снижается до заданных параметров в течение 3-4 недель. Такой вид сушки увеличивает себестоимость бруса, но эти затраты оправдываются тем, что после сборки дома его дальнейшая усадка исключается, а значит, появляется возможность сразу после постройки приступить к отделочным работам.

Для профилированного изделия существуют критерии важности. При сушке естественным путем влажность древесины может составить от 20 до 40%, а при сушке в сушильной камере такой показатель не должен превышать 17-20%. Во время хранения материал может еще немного утратить свою влажность примерно на 5%.

По внутренней структуре

Процесс изготовления строительного бруса подразумевает применение различных технологий. Различают их следующие виды.

  • Клееный (выполненный из ламелей) брус – этот материал делают из заготовок хвойных или лиственных пород древесины. У бруса ламели расположены противоположно друг к другу по направлению древесных волокон, что предотвращает растрескивание изделия при изменении его влажности.
  • Цельный (выполненный из массива) брус – этот материал делают только из хвойных пород деревьев, причем на брусе выполняется запил для компенсации натяжения древесины при высушивании. Цельный брус является наиболее дорогостоящим материалом.
  • Двойной (теплый) брус – является разновидностью клееного варианта, у которого ламели, расположенные внутри, заменяют теплоизоляционным материалом в виде пенополистирола экструдированного.

В отличие от клееного или цельного варианта, двойной брус имеет более низкую стоимость, так как количество древесины в этом материале снижено.

Размеры и вес

Максимальная длина бруса не превышает 6 м, но при необходимости производители по индивидуальному заказу могут выполнить материал любой длины например, 12 или 18 м. Толщина профилированного элемента для внешних несущих стен бывает от 100 до 200 мм. Ходовым вариантом считают сечение 150 на 150 или 220 на 260 мм. В регионах с суровым климатом применяется сечение 280 на 280 мм или 320 на 320 мм. Вес профилированного элемента зависит не только от его влажности, но и от исходного сырья. Например, сосна имеет вес 480 кг/куб. м, а лиственница весит 630 кг/куб. м.

Нюансы выбора

Чтобы выбрать качественный строительный материал, следует обратить внимание на такие нюансы:

  • изделие должно быть абсолютно ровным по всей длине;
  • расстояние между годовыми кольцами древесины должно быть одинаковым, при большой разнице брус со временем начнет изгибаться;
  • окрашивание древесины на всем протяжении бруса должно быть равномерное, в противном случае материал со временем будет деформирован.

Специалисты считают, что, выбирая брус, можно допустить его высокую влажность при условии, что остальные показатели соответствуют стандартам.

Такой строительный материал перед работой подвергают естественному или принудительному просушиванию.

Особенности применения

Приобретенный пиломатериал внимательно осматривают на предмет влажности и наличия дефектов. Кладка бруса выполняется после его просушки. Соединение элементов типа шип-паз в любом случае нужно утеплять. При естественном усыхании материал дает усадку, при которой образуются небольшие зазоры между брусьями. С применением утеплителя такая усадка нестрашна, так как зазоры будут закрыты.

Используя профиль бруса типа гребенка, утеплитель вам не потребуется, так как эти стыковочные элементы очень плотно подходят друг к другу, не оставляя зазоров.

Чтобы обеспечить плотность прилегания брусьев, для сборки стены дома используют только хорошо просушенный материал, не дающий усадки.

Некоторые изготовители делают брус с нарезкой специальных углублений на концах в виде лунки, он используется для угловых стыков, и процесс сборки в значительной мере ускоряется. Однако стоит помнить, что такой брус склонен давать усадку, предотвратить которую поможет осуществление небольших перерывов в процессе монтажа, необходимых для адаптации материала.

Обзор отзывов

По мнению экспертов в области строительства и владельцев домов, построенных из профилированного бруса, натуральный древесный материал обладает высокой степенью экологичности, что положительным образом сказывается на комфорте проживания. Профилированный стройматериал различной модификации дает возможность быстро и бюджетно выполнить постройку дома, бани, дачи с длительным сроком их дальнейшей эксплуатации. Применяя древесный материал, владельцу строения стоит быть готовым к периодической обработке древесины от плесени и грибка, а также к выполнению вторичной конопатки стен после усадки конструкции. Кроме того, следует знать, что в зимний период такие дома требуют значительных затрат на отопление.

Профилированный деревянный брус — сборка, размеры, влажность, характеристики и применение

Профилированный деревянный брус является экологически чистым материалом естественного происхождения, отличается огромным количеством достоинств перед обрезным брусом. У него есть две строганных грани, на которых находятся фаски и две грани с особым профилем шип-паз. Такая конструкция нужна для очень плотного прилегания брусьев друг к другу, а также укладки специального утеплительного материала, что делает минимальным уровень продуваемости помещения.

Сухой профилированный брус имеет такие достоинства:

  • экологически чистый материал
  • очень маленький процент усадки здания – не выше 3%
  • не бывает выкручивания и коробления материала. Сырье, которое подвержено скручиванию, отбраковывается на этапе сортировки по завершению сушки в сушильной камере
  • строительство здания из этого материала производится в минимальные сроки, потому что уровень усадки несущей конструкции крайне мала
  • грамотно высушенный материал не дает трещин во время эксплуатации
  • его не нужно конопатить 
  • имеет отличный внешний вид, который не требует какой-либо отделки.

Сборка профилированного бруса

Процесс сборки здания из такого материала включает несколько этапов, которые нужно осуществлять в определенной последовательности. На первом этапе нужно подготовить фундамент. Когда он готов, на него кладется слой гидроизоляции для того, что влага не попала в стены дома, что часто становится причиной их деформации. После этого монтируется обвязочный венец из неструганого бруса и закрепляется на фундаменте. Далее устанавливаются лаги перекрытия. Если фундамент свайный, то по его периметру стоит уложить два обвязочных венца.

Во время возведения деревянного коттеджа все составные части нужно обязательно пропить антисептическими средствами. Это можно делать лишь при плюсовой температуре. По обвязке фундамента стоит нанести джутовое полотно. Следующим этапом является рубка сруба. Она осуществляется в теплый угол, при этом все соединения элементов становятся совершенно непродуваемыми. Скреплять венцы сруба специалисты рекомендую при помощи сухих березовых нагелей, которые монтируются в предварительно просверленные отверстия на расстоянии примерно 1,5–2 м, по углам, на стыках и возле оконных и дверных проемов. В одноэтажном срубе около 19 венцов.

Третьим этапом является создание кровли. Он начинается лишь по окончанию установки всех лаг перекрытия между этажами. Стропильная система монтируется из лесоматериалов сечением 50х150 мм. На стропильную систему нужно уложить ветрогидрозащитную пленку. Далее формируется вентиляционная рейка, к которой прикрепляется каркас для кровли.

Если при строительстве был использован профилированный брус естественной влажности, то нужно ждать усадки. Уровень усадки достигает 10%. Поэтому монтировать сразу чистовой вариант кровли опасно. Ведь вследствие усадки может произойти перекос крыши. Чистовую кровлю лучше монтировать через 3-6 месяцев.

Но если вы строите дом из сухого материала, который был высушен на производстве, то установкой чистовой кровли можно заниматься сразу.

Влажность профилированного бруса

Уровень влажности профилированного бруса показывает количество воды в древесине. Жидкость в лесоматериалах бывает свободная и связанная. Свободная влага быстро и легко испаряется из древесины. А связанная влага, напротив, испаряется медленно, в зависимости от ее количества период высыхания может составлять до нескольких лет. С увеличением объема связанной влаги понижается уровень прочности лесоматериалов. Во время высушивания древесины жидкость испаряется неравномерно. Вначале она выходит из наружных слоев, а потом из внутренних. Такая неравномерность становится причиной нарастающего внутреннего напряжения, которое растягивает поверхность и сжимает внутренность. Следствием этого процесса является появление трещин.

Уровень влажности выражается в процентах. Наиболее точным измерением влажности является сушка опытных кусков сырья в печи до прекращения уменьшения массы. Затем по формуле вычисляется влажность.

К основным факторам, влияющим на итоги измерения уровня влажности профилированного бруса можно отнести:

  • температура опытного образца. С ростом температуры даже на 5°С аппарат показывает практически на 0,5% больше влажности. Самый точный результат получается при температуре сырья +20°С
  • сорт лесоматериалов, область и темп роста. К примеру, сухая или болотистая местность
  • плотность сырья 
  • случайная жидкость на поверхности профилированных материалов
  • показатель влажности в конце высушивания. Поверхность всегда суше сердцевины. К примеру, после сушки поверхностный слой содержит 6,5%, а сердцевина около 11,5%. Однако считается, что такой материал имеет 8% влажности. 

Размеры профилированного бруса

Размеры профилированного бруса регламентируются ГОСТом. Однако при этом производители учитывают пожелания заказчиков и делают его по индивидуальным размерам. К стандартным размерам относятся: 100х100, 100х150, 150х150, 150х200, 200х200. главный показатель – толщина. Она бывает 10, 15, 20 см.

Из бруса толщиной 10 см возводят легкие конструкции. К примеру, баню, беседку, дачный домик, который будет использоваться лишь в летние месяцы. Профиль у этого материала зачастую — два шипа — два паза. Материал толщиной 15 см применяют для возведения жилых домов. Он изготавливается с профилем в виде гребенки, который предотвращает промерзание здания. Брус толщиной 20 см мастера рекомендуют применять для возведения коттеджей. Он отличается высоким сопротивлением стен. Этот вариант самый дорогостоящий. По стандарту профилированный пиломатериал имеет длину 6 м.

Профилирование бруса

Основные этапы производства профилированного бруса:

  • лесоматериалы привозятся на пилораму, где им придают четкую прямоугольную форму, выравнивают по длине
  • продольный распил. Он осуществляется для создания компенсационного пропила. Этот этап необходим лишь для изготовления сухого профилированного материала
  • сушка сырья. Осуществляется в особой сушильной камере. Сушка продолжается на протяжении двух недель
  • придание профиля 
  • нанесение биозащитного средства. Этот процесс происходит сразу после профилирования. Он будет служить защитой домокомплекта от отрицательного влияния биологически активной среды во время транспортировки и сборки 
  • торцевание. Во время торцевания в размер осуществляется нанесение маркировки на каждую деталь
  • создание межвенцовых чаш. Это самый последний этап. Они создаются для минимизирования сквозного продувания и промерзания углов коттеджа
  • после этого готовые домокомплекты погружают в машины и отправляют заказчикам. 

Абсолютно все этапы сопровождаются контролем качества. Результатом такой работы является высокое качество, надежность и относительная доступность. Полное соблюдение технологии позволяет получить долговечное строение с полезным микроклиматом.

профилировщиков луча, объяснение в энциклопедии RP Photonics; анализатор, диагностика, качество луча, ПЗС-камера, КМОП, сканирование, щель, характеристика луча

Энциклопедия > буква Б > профилировщики луча

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Дополнительные сведения о поставщике см. в конце этой статьи энциклопедии или перейдите на страницу

.

Вас еще нет в списке? Получите вход!

Используя наш рекламный пакет, вы можете разместить свой логотип и далее под описанием вашего продукта.

Обратитесь в RP Photonics за любым советом по характеристике лазерного луча, например. по выбору наиболее подходящего оборудования.

Определение: устройства для измерения профиля интенсивности лазерного луча

Более общий термин: приборы оптической метрологии

Немецкий: Strahlprofil-Messgeräte

Категории: фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, зрение, отображение и формирование изображений, оптическая метрология

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Др.Рюдигер Пашотта

URL: https://www.rp-photonics.com/beam_profilers.html

Профилометр луча ( анализатор луча , модовый профилировщик ) — это диагностическое устройство для определения характеристик лазерного луча, которое может измерять весь профиль оптической интенсивности лазерного луча, т. е. не только радиус луча, но и детальную форму.

Профилировщики балок используются по-разному; качественное изображение профиля луча может помочь при юстировке лазера, тогда как измерения радиуса луча в разных местах вдоль оси луча (каустика ) позволяют вычислить коэффициент M 2 или параметр луча произведение, количественно характеризующее качество пучка.

Рисунок 1: Профили интенсивности гауссового луча (слева) и многомодового лазерного луча (справа). Для последних характерны более сложные вариации интенсивности. Такие многомодовые пучки могут генерироваться в лазерах, в которых основные моды резонатора существенно меньше, чем область накачки в усиливающей среде.

Мониторинг качества луча с соответствующей диагностикой лазерного луча может быть важен для многих лазерных применений, таких как лазерная обработка материалов; качество просверленных отверстий, т.е.g., может быть достигнуто более стабильно, если контролировать качество луча.

Профилометры луча на базе камеры

Многие профилировщики луча основаны на оцифровывающей камере того или иного типа. Для видимой и ближней инфракрасной области спектра наиболее распространены камеры CMOS и CCD. Устройства CMOS менее дороги, но ПЗС обычно имеют лучшую линейность и меньший шум. Разрешение (определяемое размером пикселя) порядка 5 мкм возможно как для ПЗС-камер, так и для CMOS-камер, так что радиус луча может составлять всего 50 мкм или даже меньше.Активная область может иметь размеры до нескольких миллиметров, так что можно обрабатывать очень большие лучи.

Фигура 2: Профилометр лазерного луча для M 2 измерений, состоящий из ПЗС-камеры, установленной на моторизованном поступательном столике. Фотография любезно предоставлена ​​компанией Gentec Electro-Optics.

Для разных диапазонов длин волн требуются разные типы датчиков. Датчики на основе кремния являются хорошим выбором для длин волн в видимой и ближней инфракрасной области спектра примерно до 1 или 1.1 мкм, тогда как детекторы на основе InGaAs можно использовать до ≈ 1,7 мкм. Для еще более длинных волн, например. для характеристики луча CO 2 лазеров подходят пироэлектрические и микроболометрические инфракрасные камеры. Это довольно дорого. Их сравнительно низкая чувствительность не может быть недостатком, учитывая высокую выходную мощность таких лазеров. Для ультрафиолетовых лазеров матрицы CCD и CMOS могут использоваться в сочетании с УФ-преобразовательными пластинами, преобразовывая излучение в более длинные волны, которые не повреждают матрицы.

Пространственное разрешение сенсора камеры является важной величиной. С кремниевыми датчиками возможны размеры пикселей значительно меньше 10 мкм, что позволяет измерять диаметр луча до порядка 50 мкм. Детекторы InGaAs имеют значительно большие пиксели шириной, например, 30 мкм, в то время как пироэлектрические массивы не намного меньше 100 мкм. Следствием низкого пространственного разрешения является необходимость сохранения больших размеров пучка, что также приводит к большой длине Рэлея. По этой причине для полного измерения M 2 требуется больше места. Количество пикселей также имеет практическое значение; большее число позволяет измерять диаметры пучков в большем диапазоне.

При использовании лазерного излучения с узкой шириной линии системы на основе камер особенно чувствительны к артефактам, вызванным высокой временной когерентностью. Тщательная оптическая конструкция (без окон, вызывающих паразитные отражения) требуется для подавления таких артефактов и/или устранения их влияния на измеренные данные.

Большинство камер очень чувствительны к свету — зачастую гораздо больше, чем требуется.Затем лазерный луч должен быть ослаблен (см. ниже), прежде чем он попадет в камеру. Также может использоваться некоторая визуализирующая оптика (например, расширители луча или ограничители луча для расширения диапазона допустимых радиусов луча), чтобы камера записывала профиль луча, как он возникает в каком-либо другом месте (плоскость изображения). Это также обеспечивает хорошую защиту от окружающего света. Однако оптика, конечно, не должна вносить чрезмерных оптических аберраций.

Записанный профиль луча может отображаться на экране компьютера, возможно, вместе с измеренными параметрами, такими как радиус луча, положение луча, эллиптичность и статистическая информация или аппроксимация Гаусса.Программное обеспечение может позволять выбирать между различными методами определения радиуса луча, такими как метод D4σ или простой критерий 1/e 2 .

Профилировщики сканирующего луча на основе прорезей, кромок ножей или точечных отверстий

Существуют также профилировщики луча, которые сканируют профиль луча с одним или несколькими точечными отверстиями, с прорезью или с острой кромкой. В любом случае некоторая структурированная механическая часть (часто закрепленная на вращающейся части) быстро перемещается по лучу, а передаваемая мощность регистрируется фотодетектором и некоторой электроникой.Компьютер (ПК или встроенный микропроцессор) используется для восстановления профиля пучка по измеренным данным и отображения его на экране. Например, передаваемая мощность в зависимости от положения кромки ножа может существенно различаться, чтобы получить одномерный профиль интенсивности луча, тогда как движущаяся щель непосредственно обеспечивает профиль интенсивности.

Рисунок 3: Сканирующий профилировщик щелевого луча. На экране ПК отображаются полученные сканы в двух направлениях, а также реконструированный профиль луча.Фотография любезно предоставлена ​​компанией Ophir-Spiricon.

Пространственное разрешение сканирующих систем может достигать нескольких микрометров или даже близко к одному микрометру (особенно при сканировании точечных отверстий или щелей), что подходит для определения характеристик пучков малого диаметра. Важным преимуществом концепции сканирования является то, что используемый фотодетектор не должен иметь пространственное разрешение, так что можно легко использовать детекторы для очень разных областей длин волн. Также легче получить большой динамический диапазон, по сравнению, например, с .г. , камера. Мощность, с которой можно работать, может варьироваться от микроватт до ватт. Ослабление луча перед детектором легко достигается, поскольку требуемое оптическое качество намного ниже, чем для системы камеры.

Сканирующие профилировщики луча, особенно те, которые основаны на щели или лезвии ножа, наиболее подходят для профилей луча, которые не слишком далеки от гауссова, поскольку регистрируемый сигнал обычно интегрируется в одном пространственном направлении, так что реконструкция сложных (более структурированные) формы луча не идеальны.

Некоторые профилировщики сканирующего луча также могут использоваться для импульсных лазерных лучей, например, от лазеров с модуляцией добротности. Однако это работает только при достаточно высокой частоте повторения импульсов; обратите внимание, что минимальная частота повторения может зависеть от диаметра луча.

Важные вопросы для наблюдения

При выборе профилировщика луча для конкретного применения необходимо учитывать различные требования:

  • В каком диапазоне измеряемых радиусов или диаметров луча? Какова требуемая точность? Какое определение радиуса луча следует использовать?
  • Близки ли рассматриваемые лучи к гауссовым, или они имеют сложную форму, например, такую, какг. , на выходе диодные планки?
  • Каков диапазон оптических сил (часто в зависимости от радиуса луча)? Требуется ли прибор с большим динамическим диапазоном или допустима работа в узком диапазоне оптических мощностей? Нужен ли регулируемый аттенюатор?
  • Наиболее удобно иметь устройство, подключенное к ПК (или ноутбуку), например. по кабелю USB 2.0, или в приборе должна быть своя электроника для отображения результатов?
  • Какие функции программного обеспечения необходимы? Например, какие параметры луча необходимо отображать напрямую? Должен ли прибор надежно измерять параметры пучка в широком диапазоне радиусов и мощностей пучка? Требуются ли функции регистрации данных?
  • Необходимо ли, чтобы устройство могло обрабатывать лучи с изменяющейся во времени мощностью, например.г. от лазеров с модуляцией добротности?
  • Для полной характеристики качества луча: должно ли устройство автоматически записывать профили луча в разных местах и ​​вычислять коэффициент M 2 ?

Затухание луча

Во многих случаях, особенно для систем на основе камер, необходимо сначала ослабить мощность лазерного луча перед его отправкой в ​​профилировщик луча. В некоторых системах при передаче используется оптический аттенюатор (например, клиновидный фильтр нейтральной плотности); слабое отражение e.г. Также можно использовать высококачественную стеклянную пластину.

Хотя аттенюация может показаться тривиальной задачей, неподходящие методы могут вызвать ряд проблем. Некоторые примеры:

  • Некоторые аттенюаторы не обладают хорошим оптическим качеством или могут ухудшить качество лучей с узкой шириной линии из-за интерференционных эффектов, основанных на отражениях от поверхностей.
  • Особо поглощающие фильтры могут ухудшить качество луча при высоких уровнях мощности, где возникают тепловые эффекты.
  • Не рекомендуется использовать низкое остаточное пропускание диэлектрического зеркала с высокой отражающей способностью для измерения качества луча, так как остаточное пропускание может сильно зависеть от положения на зеркале.
  • Слабое отражение от оптической поверхности, работающей с p-поляризацией, близкой к углу Брюстера, часто не подходит, поскольку такая рабочая точка имеет гораздо более высокую отражательную способность для s-поляризации и, следовательно, может показывать только картину деполяризации в усиливающей среде лазера, а не фактическое качество луча.
  • Поскольку некоторые методы обеспечивают затухание только с грубыми и нерегулируемыми шагами, может быть трудно достичь оптимального уровня мощности в детекторе.

Аспекты удобства также могут иметь значение. Например, полезно, если электроника может автоматически регулировать требуемый коэффициент затухания.

Поставщики

Руководство покупателя RP Photonics содержит сведения о 35 поставщиках профилировщиков луча. Среди них:

Gentec Electro-Optics

Когда дело доходит до определения характеристик лазерного луча в диапазоне от УФ до ближнего ИК-диапазона, профилограф луча является оптимальным решением.

Благодаря уникальному сочетанию высокой плотности пикселей и большого размера датчика приборы для диагностики лазерного луча серии BEAMAGE имеют двойное преимущество: они точно определяют характеристики как очень маленьких лучей размером всего в несколько десятков микрон, так и более крупных лучей шириной в несколько миллиметров. , таким образом эффективно охватывая большинство приложений в одном пакете.

Простое программное обеспечение очень интуитивно понятно и в то же время включает в себя множество замечательных функций, полезных как для обычных, так и для опытных пользователей. Кроме того, расчеты, выполняемые программным обеспечением, соответствуют требованиям ISO и предоставляют пользователю наиболее точную доступную характеристику луча, и все это в облегченной среде, полное освоение которой занимает не больше нескольких дней.

Femto Easy

Femto Easy предлагает различные типы профилировщиков луча BeamPro с различными характеристиками:

  • BeamPro Compact может измерять лучи с длиной волны от 190 до 1100 нм. Имея толщину всего 12,5 мм, его можно легко вставить в балки во многих местах.
  • BeamPro One-Inch подходит для измерения лучей диаметром до 25 мм.
  • BeamPro SWIR измеряет лучи в широком спектральном диапазоне от 900 нм до 1700 нм.

Все они поставляются с мощным и удобным программным обеспечением.

Edmund Optics

Edmund Optics предлагает профилировщики луча Coherent® Lasercam™, а также собственную серию профилировщиков луча, предназначенных для измерения широкого диапазона размеров лазерного луча, предоставляя информацию для оптимизации работы лазерной системы. Эти профилировщики лазерного луча оснащены датчиками с высоким разрешением и большой площадью, что обеспечивает точное профилирование как малых, так и больших лазерных лучей.

DataRay

DataRay предлагает лазерные профилировщики луча, включая камеры профилирования луча, сканирующие щелевые профилировщики луча и специализированные системы.

Вопросы и комментарии от пользователей

Здесь вы можете оставить вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним по электронной почте.г. по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1] Стандарт ISO 11554, «Оптика и фотоника. Лазеры и связанное с ними оборудование. Методы испытаний мощности лазерного луча, энергии и временных характеристик»

(Предложите дополнительную литературу!)

См. также: характеристика лазерного луча, качество луча, M 2 фактор, произведение параметра луча, The Photonics Spotlight 2007-04-01, The Photonics Spotlight 2007-06-01
и другие статьи в категориях фотонные устройства, обнаружение и характеристика света, зрение, отображение и формирование изображений, оптическая метрология

Поделитесь этим с друзьями и коллегами, e. г. через социальные сети:

Эти кнопки обмена реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

   
 Статья о профилировщиках луча 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia

С изображением для предварительного просмотра (см. поле чуть выше):

   
  alt ="статья">

Для Википедии, например. в разделе «==Внешние ссылки==»:

  * [https://www. rp-photonics.com/beam_profilers.html 
 статья о «Beam Profilers» в энциклопедии RP Photonics]
Профилирование луча

: что вам не говорит ваш лазер? | Особенности | июнь 2021 г.

Приборы для профилирования лазерного луча прошли долгий путь за последние несколько десятилетий.Это помогает обеспечить качественное построение систем и избежать неудовлетворительных результатов в приложениях по обработке материалов.

KEVIN D. KIRKHAM, MKS/OPHIR


Хотя может показаться интуитивно понятным, что увеличение мощности лазера даст более быстрые результаты в операции обработки материалов, инструменты измерения луча часто показывают, что это только распределяет энергию лазера по большей области, что приводит к снижению освещенности (энергии на единицу площади) цели. Сегодняшнее оборудование для профилирования луча позволяет конечным пользователям настраивать свои лазерные процессы для достижения точного излучения, достаточно интенсивного для задачи, но не настолько интенсивного, чтобы, например, сварной шов перегревался и давал менее оптимальные результаты.
Ранние инструменты измерения лазерного луча полагались на выжигающую бумагу, которая давала примерный порядок величины размера луча, но не содержала количественных данных и подробностей о горячих точках или дырах в луче, вызванных смещением резонатора лазера. Предоставлено Кентек.

Не всегда было возможно быстро и легко оценить качество луча лазерного обрабатывающего инструмента. Когда-то операторы лазеров полагались на депрессоры для языка, апельсиновые корки или просто на стену в конце скамейки, чтобы наблюдать и измерять распределение энергии лазера в поперечном сечении или профиль луча.Лезвия бритвы даже использовались для измерения интенсивности некоторых прототипов импульсных лазеров. Лучи сравнивали в «Жиллетте», что означало количество лезвий, через которые может пройти энергия импульсного лазера. Позже нашли применение такие устройства, как термометры для мяса и силовые шайбы, хотя их показания часто давали лишь приблизительную оценку, им не хватало точности и простоты. использования в современных измерительных устройствах.

Эволюция приложений, основанных на освещении, была как разрешена, так и остановлена ​​наличием соответствующих и точных измерительных систем.Многие достижения в лазерных приложениях были вызваны одновременным развитием технологий, используемых для измерения их прикладных свойств.

От первоначальных продуктов для измерения лазерного луча, которые были ориентированы исключительно на удобство, до умных, инновационных продуктов, которые стали основой для современных тщательно спроектированных решений для лазерных измерений — технология эволюционировала, чтобы решить проблемы измерения параметров лазера, которые имели решающее значение для успеха ранних лазерные приложения.

Измерители мощности и профилировщики луча

Сегодня большинство пользователей лазеров знакомы с измерителями мощности, которые используют полупроводниковые или термоэлементные датчики для измерения интенсивности лазерного излучения от нескольких фемтоватт до сотен киловатт. Пользователи высокоэнергетических импульсных лазеров используют пироэлектрические или полупроводниковые датчики для измерения энергии, содержащейся в каждом импульсе. Коммерческие лазерные датчики энергии, способные измерять импульсы от микроджоулей до килоджоулей, могут без перерыва количественно определять частоты импульсов от одиночных импульсов до сотен килогерц.

Распределение интенсивности лазера в поперечном сечении или профиль луча — еще один важный параметр, который часто измеряется. Профили луча могут предоставить визуальные признаки смещения резонатора или оптики доставки, ухудшения или смещения фокусирующей оптики и других проблем, влияющих на доставляемую лазерную энергию.Продукты для профилирования луча предлагают численный анализ интенсивности, размера, местоположения и радиальной симметрии луча — или цилиндрической однородности. Статистический анализ этих данных можно использовать для мониторинга рабочих параметров, поиска производственных аномалий или тенденций и документирования согласованности параметров процесса.

Сканирующие апертурные датчики также используются для профилирования лазерных лучей. Эти устройства создают профиль луча за короткое время, поскольку через луч проходит очень тонкая щель или микроскопическое отверстие.Сенсоры на основе апертуры требуют очень небольшого оптического затухания, если оно вообще требуется, потому что лишь незначительная доля лазерного излучения передается через апертуру на одноэлементный детектор.

Системы на основе камер требуют на много порядков большего оптического затухания, поскольку сенсоры камер могут насыщаться при уровне освещенности всего 1,0 мкВт/см 2 . Оптические аттенюаторы для профилирования лазерного луча могут безопасно обеспечивать оптическое ослабление до 16 порядков с очень небольшим искажением падающего луча.Для успешного выполнения оптического затухания требуется тщательное проектирование и выбор материалов. Материалы с высокими эксплуатационными характеристиками, такие как плавленый кварц лазерного качества — с очень низким уровнем загрязнения, высокой прозрачностью, превосходным оптическим качеством поверхности и плоскостностью — обеспечивают некоторые из характеристик, необходимых для успешных многокиловаттных систем отбора проб лазерного луча.

Профилировщики профилей

Пироэлектрические и кремниевые детекторы с линейными матрицами, а также продукты со сканирующей апертурой использовались ранними изобретателями лазеров для контроля профиля интенсивности их невидимых лазерных лучей.Первоначальные профилировщики пучка на основе камеры включали аналоговые датчики CID (устройство ввода заряда) и CCD или, для NIR, видиконовые камеры с фотоэлектрическим катодом из сульфида свинца. Массивы пироэлектрических матриц с низким разрешением использовались для характеристики лазерных лучей, работающих в коротковолновом и длинноволновом ИК-диапазоне, поскольку эти матрицы были единственными доступными устройствами для обнаружения этих длин волн.


Неохлаждаемые системы измерения мощности лазера обеспечивают удобные измерения интенсивности на рабочем месте и даже в небольших ограниченных пространствах, например, в системах аддитивного производства.Предоставлено MKS/Ophir.

Сегодня 8-битные аналоговые камеры 1980-х годов были обновлены 12- и 14-битными мегапиксельными версиями с огромным динамическим диапазоном и пространственным разрешением. Профильные пучки InGaAs-камер высокого разрешения в коротковолновом ИК-спектре, а также пироэлектрические и микроболометрические камеры широко используются для контроля лазеров MWIR и LWIR. Возможности подключения камеры также значительно расширились, так как аналоговые интерфейсы были заменены. Вместо этого изображения с высоким разрешением оцифровываются в камере и отправляются по высокоскоростному порту USB 3.0 или Gigabit Ethernet к приложению для анализа луча, установленному на ноутбуке, ПК или смартфоне.
Современные лазерные измерительные системы могут измерять от фемтоватт до сотен киловатт и от пикоджоулей до сотен джоулей. Предоставлено компанией Coherent.

Сканирующие апертурные датчики второго поколения поставляются с широким спектром опций, которые обеспечивают полный охват лазерного спектра, от УФ до LWIR. Сканирующие щелевые и сканирующие точечные системы практически не требуют оптического затухания лазерного луча, что делает их очень удобными для промышленных применений, в которых обычны высокие уровни лазерного излучения. Благодаря использованию специальных материалов, сканирующей апертуры и продуктов для профилирования луча на основе камеры теперь можно контролировать сфокусированную область многокиловаттных волоконных и дисковых лазеров без риска повреждения датчика или оптики выборки луча.

Измерение мощности сегодня

Неохлаждаемая система измерения мощности лазера непрерывного или импульсного действия делает мониторинг интенсивности луча удобным на рабочем месте. Существующие системы, такие как прибор Ophir Ariel, могут профилировать выходную мощность до 8000 Вт без необходимости водяного охлаждения для измерения несфокусированных лучей при типичной плотности вычислительной мощности.Приложения для таких инструментов включают профилирование мощности и энергии лазеров, используемых для аддитивного производства, а также для резки, сварки, термообработки и других операций обработки материалов.


Бесконтактные лазерные анализаторы могут одновременно контролировать всю каустику области фокусировки и мощность лазера. Предоставлено MKS/Ophir.

Семейство высокоскоростных тонкопленочных пироэлектрических датчиков Coherent PowerMax-Pro еще раз иллюстрирует, как профилирование луча перекочевало из лаборатории в производственные цеха.Эта технология обеспечивает откалиброванное измерение мощности и контроль формы импульса с микросекундным временем нарастания для лазеров MWIR и FWIR, используемых для высокоточной микрообработки и обработки материалов, таких как сварка пластика и скрайбирование стекла.

Бесконтактное измерение

Многокиловаттные волоконные и дисковые лазеры, используемые для сборки топливных элементов и сварки компонентов аккумуляторов, теперь можно контролировать с помощью систем бесконтактного профилирования луча. Эти интегрированные системы находят фокальную плоскость — положение вдоль оси распространения пятна наименьшего размера — и, основываясь на общей мощности луча, определяют положение профиля распределения освещенности, в котором применяется лазерная энергия. Критические рабочие параметры, такие как смещение фокуса или изменение положения талии, глубина фокуса, размер луча, мощность и освещенность в рабочей плоскости, — все это показатели производительности лазерной системы. Правильное освещение рабочей поверхности порошкового слоя является особенно важным показателем успешной сборки для приложений аддитивного производства. Текущие измерительные решения также сохраняют данные, что позволяет сравнивать все перечисленные параметры производительности с предыдущими профилями производительности.

Бесконтактные лазерные анализаторы могут одновременно контролировать всю область фокусировки, каустику луча и мощность лазера. Изображения, полученные в результате этих измерений, определяют профиль освещенности, доступный для лазерного процесса. Измерение параметров лазера до и после каждого процесса может немного замедлить процесс, но это гарантирует, что к детали применяется правильная энергия/излучение для получения желаемого результата процесса. Отсутствие точного контроля параметров, таких как мощность лазера, энергия и излучение на заготовке, может привести к потере ценных материалов и времени обработки.Кроме того, это подвергает процесс несоответствующим требованиям условиям, что может привести к увеличению брака и ухудшению процесса до такой степени, что это негативно повлияет на срок службы конечного продукта.

Что дальше?

На протяжении десятилетий лазерная технология зависела от измерительных систем и методов, что позволяло расширять область применения и улучшать как производительность, так и продукцию лазерных разработок.

Современные применения промышленных лазеров напрямую выигрывают от технологий измерения, и дальнейшее внедрение лазерных инструментов зависит от высокоточного анализа критических параметров лазера, таких как выходная мощность или энергия, освещенность на изделии, положение в фокальной плоскости и стабильность луч.

Изобретательность всегда играла важную роль в разработке инструментов для лазерных измерений, и современные технологии мониторинга готовы помочь осуществить следующую революцию в лазерной обработке материалов. Любое начинание, основанное на лазере, выиграет от более глубокого понимания производительности лазера.

В будущем мониторинг производительности лазерной системы может стать стандартной практикой для ведения постоянной записи правильной освещенности для целей мониторинга процесса. Четкий профиль оптимального луча, применяемого к процессу, поможет изолировать или оправдать лазер как виновника, если процесс ухудшится.Но это также может помочь обеспечить успех операций лазерной обработки с высокой добавленной стоимостью, проверяя, что процесс стабилен и воспроизводим, и что он поддерживает условия, которые ранее производили качественную продукцию.

Без сомнения, появятся новые технологии и методы измерения, которые сделают возможными новые революции в лазерной обработке и критически важные новые применения света.

Что дальше? Более продвинутый датчик можно ожидать, что технологии, такие как камеры с меньшими пикселями, более крупными датчиками и расширенным охватом длин волн, станут более широко использоваться по мере снижения их стоимости. Компактная оптика для отбора проб лазерного луча позволит проводить анализ луча на линии и в режиме реального времени. И бесконтактные методы будут более широко использоваться.

В конце концов, проще измерять параметры лазера до и во время процессов, решать проблемы по мере их возникновения, а не переделывать или утилизировать изделия, изготовленные из недостаточное знание переменных процесса.

Работу мощных лазерных систем теперь можно легко контролировать. Быстрые, неохлаждаемые датчики мощности и бесконтактные инструменты для профилирования луча упрощают определение характеристик и снижают затраты.Первые пионеры лазеров осознали необходимость точных, воспроизводимых измерений. Можете ли вы позволить себе не знать свой лазер?

Познакомьтесь с автором

Кевин Д. Киркхэм (Kevin D. Kirkham) — старший менеджер по развитию нового бизнеса Ophir в MKS Instruments. Он имеет более чем 30-летний опыт работы в области лазерной диагностики и оценки качества. До работы в MKS он был менеджером по продукции в Coherent Inc. и региональным менеджером по продажам в Molectron Detector; электронная почта: [электронная почта защищена].


Системы профилирования луча и их применение

Системы профилирования луча являются важной технологией, обеспечивающей качество и однородность лазеров.Профилировщики луча измеряют оптическую пространственную интенсивность входного лазерного луча, предоставляя информацию об однородности луча во времени, а также в разных областях луча. Лазеры используются повсеместно — для передачи сигналов, спектроскопии, производства и многих других областей — поэтому крайне важно, чтобы применяемый лазерный луч был должным образом откалиброван по своим свойствам и постоянству с высокой степенью точности.

Важные характеристики лазерного луча, которые могут быть получены из показаний интенсивности профилографа луча, включают радиус луча, профиль (диаграмма интенсивности луча в любой точке на его пути), дрейф (степень, в которой луч смещается по время), угол расхождения (угол, под которым луч распространяется на расстояние), ширину в перетяжке луча, положение перетяжки, астигматизм и качество луча (задается параметром M^2, произведением угла расхождения и радиуса перетяжки). Тем не менее, огромное количество лазерных приложений поддается соразмерно разнообразному количеству различных лазерных лучей, а это означает, что ни один профилировщик одного луча не подходит для каждой задачи.

Какие существуют типы систем профилирования балки?

На рынке доступны два основных типа систем профилирования лазерного луча: профилировщики на базе камеры и профилировщики с острым краем или сканирующей щелью. Профилировщики луча на основе камеры включают прямое освещение лазером ПЗС- или КМОП-сенсора для непосредственного измерения интенсивности профиля лазерного луча до определенного разрешения на основе пикселей.Лазерные профилировщики на основе камер являются сегодня наиболее часто используемыми системами на рынке. В профилировщиках с ножевым краем используется вращающееся лезвие или «нож», позволяющий анализировать части лазерного сигнала с помощью измерителя мощности, после чего программное обеспечение может реконструировать полный профиль луча. Преимущество профилировщиков пучка с остроконечной кромкой заключается в их обычно превосходном нижнем пределе разрешения, контролируемом дифракцией, который обычно составляет порядка микронов (по сравнению с десятками микрон, наблюдаемыми в профилировщиках пучка на основе камеры). Однако профилировщики остроконечного луча подходят только для непрерывных лазерных источников, а не для импульсных лазеров.

Для систем профилирования луча на основе камеры обычно необходимо ослабить измеряемый луч в зависимости от чувствительности используемой системы профилирования луча с помощью фильтров нейтральной плотности. Обычно это не требуется для систем профилирования луча с острой кромкой из-за небольшой площади поперечного сечения луча, анализируемого в любой момент времени. Одним из недостатков систем профилирования луча с острым краем является то, что они обычно измеряют луч только по нескольким осям луча, что не дает информации о луче, перпендикулярном направлению его движения по краю.

Системы на базе ПЗС- или КМОП-камер?

При выборе системы профилирования луча на основе камеры также необходимо учитывать систему формирования изображения – ПЗС или КМОП? ПЗС, или устройство с зарядовой связью , датчик изображения , использует матрицу фоточувствительных ячеек, которые перетасовывают фотоэлектроны из каждой ячейки в единый считывающий усилитель, что позволяет каждой ячейке использовать все свои возможности для преобразования светового сигнала в электронный сигнал. . Он также имеет тенденцию уменьшать шум в выходном цифровом сигнале, но требует больше времени для считывания.С другой стороны, системы датчиков изображения CMOS или , комплементарные металл-оксид-полупроводник, , состоят из считывающих усилителей для каждой светочувствительной ячейки, которые преобразуют входной аналоговый свет в электронное напряжение. Хотя такая установка может увеличить сложность, датчики изображения CMOS часто считаются выгодными из-за их более широкой полосы пропускания и, как правило, имеют меньшую стоимость из-за отсутствия внешней электронной структуры для перетасовки и интерпретации сигналов, присутствующих в ПЗС-системах.

Эффект Блума в цифровом сигнале системы профилирования луча камеры на основе ПЗС.Предоставлено DataRay

В настоящее время в большинстве профилировщиков луча используется датчик изображения CMOS из-за их более низкой стоимости и простоты производства. Как уже упоминалось, КМОП-системы, как правило, имеют более высокую пропускную способность, что позволяет быстрее обрабатывать изображения и, как правило, снижает энергопотребление. Кроме того, ПЗС-системы склонны к перенасыщению сигнала в ячейке, «проливу» своего лишнего сигнала в соседние ячейки и созданию эффекта цветения в цифровом сигнале. Хотя это обычно смягчается в КМОП-датчиках изображения из-за параллелизма аналого-цифрового преобразования, может быть сложнее исправить, когда это происходит из-за обилия активной электроники на борту, которую необходимо перевести в состояние низкого напряжения. для коррекции шума.Однако по мере развития технологии КМОП и совершенствования методов коррекции шума можно ожидать, что датчики изображения на основе КМОП будут продолжать доминировать на рынке.

Выбор системы профилирования балки для вашего применения

Различные профили балки для различных применений. Предоставлено UCSD

Системы профилирования балки чрезвычайно важны для целого ряда разнообразных приложений. Независимо от того, профилируете ли вы луч для волоконно-оптических, производственных или медицинских инструментов, знание однородности и стабильности луча может сделать или сломать лазерные приборы. Например, незнание диаграммы направленности лазера при производстве может привести к неравномерному резу или появлению нежелательных дефектов в изготавливаемом материале.

Первый фактор, который необходимо принять во внимание, — это размер и форма используемого вами лазерного луча. Предварительное знание размера лазерного луча необходимо, особенно для пятен сфокусированного луча размером порядка микрона. При таких малых размерах системы профилирования луча на основе камер становятся невозможными, поскольку системы на основе камер обычно имеют общую чувствительную площадь порядка миллиметров.Это можно преодолеть с помощью расширителей луча или датчиков большой площади. С другой стороны, если ваш луч слишком велик для площади датчика, можно использовать расширитель луча в обратном направлении.

Форма лазерного луча также влияет на методы, используемые для профилирования луча. Как правило, гауссовский луч используется в приложениях, где желательно сконцентрировать лазерный луч в одной точке. Другой профиль луча, который может быть желательным – это профиль с плоской вершиной для равномерного распределения по площади (используется при фоторефракционной кератэктомии) или эллиптический профиль луча для целей лазерного производства.Различия в плотностях мощности, зависящие от формы луча, требуют различных уровней ослабления луча при использовании системы профилирования луча на основе камеры.

Для получения дополнительной информации о системах профилирования луча ознакомьтесь с нашей предыдущей статьей о системах профилирования луча и наборе профилировщиков луча FindLight.

Приложения для профилирования лазерного луча — Axiom Optics

Описание

На этой странице приложения основное внимание уделяется параметрам, используемым для выбора правильного профилировщика луча.Рекомендации по профилированию лазерного луча, измерения M² и расхождения измерений.

Как правильно выбрать профилировщик луча для моего приложения?

Когда дело доходит до выбора профилировщика лазерного луча, выбор часто может оказаться ошеломляющим. Ниже приведены рекомендации, как сделать правильный выбор для и . Все наши профилировщики лазерного луча основаны на 2D-матрицах (а не на сканирующих щелях).

1- Длина волны

Какая у меня длина волны и я работаю с одной или несколькими длинами волн? Это определит, какую технологию использовать (КМОП-датчики на основе кремния, инфракрасные датчики на основе InGaAs и т. д.) для приложения для профилирования лазерного луча

.

Для длин волн <1150 нм, а в некоторых случаях <1320 нм, подойдет датчик на основе КМОП или ПЗС.Все предлагаемые нами профилировщики лазерного луча на основе КМОП и ПЗС имеют без защитного стекла . В настоящее время датчики CMOS очень эффективны и будут экономически эффективным решением в более чем 95% случаев. Преимущество ПЗС-сенсоров заключается в том, что они доступны с большими активными площадями для приложений с несколькими лучами или большими лучами (> 10 мм). Тип используемого фильтра нейтральной плотности (ND) влияет на порог чувствительности.

400 – 1150 нм (или 1320 нм)

Используйте фильтр абсорбционного типа.Каждый фильтр изготовлен из стеклянной подложки, выбранной из-за ее спектрально плоского коэффициента поглощения в видимой области. Варьируя тип и толщину используемого стекла, можно создать целую линейку поглощающих фильтров нейтральной плотности.

По умолчанию все лазерные профилировщики CinCam CMOS s поставляются со встроенным поглощающим фильтром OD3.0 с клином для минимизации интерференционных эффектов из-за параллельных поверхностей.

320 – 1150 нм (или 1320 нм)

Используйте фильтр отражающего типа.Отражающие фильтры нейтральной плотности состоят из тонкопленочных оптических покрытий, обычно металлических, которые наносятся на стеклянную подложку. Оптимизация покрытия доступна для определенных диапазонов длин волн, таких как UV, VIS или NIR. Тонкопленочное покрытие в основном отражает свет обратно к источнику. Пользователь должен проявлять особую осторожность, чтобы отраженный свет не мешал настройке системы.

240 – 1150 нм  

Этот диапазон может быть достигнут за счет удаления массива микролинз, который обычно используется для увеличения коэффициента заполнения каждого пикселя.Используемое стекло блокирует УФ-излучение, поэтому, удаляя его, достигается чувствительность до 240 нм.

<150 – 1150 нм

Этот диапазон достигается за счет специального флуоресцентного покрытия непосредственно на датчике CMOS. Сенсор покрыт тонким слоем покрытия, преобразующего УФ-излучение в видимое, которое поглощает УФ-излучение и вместо этого излучает видимый свет. Прочный флуоресцентный материал идеально подходит для УФ-изображения. Материал показывает превосходный квантовый выход почти 100% для длин волн ниже 450 нм и вплоть до 100 нм.Напротив, для длин волн выше 480 нм материал обладает высокой прозрачностью, что дает очень хороший отклик даже в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне длин волн.

~1550 нм

Может быть достигнуто с помощью специального люминофорного покрытия непосредственно на датчике CMOS. Используемое покрытие основано на сложном и незаряженном антистоксовом материале с уникальными эмиссионными свойствами и преобразует фотоны с длиной волны 1495-1595 нм в видимые и обнаруживаемые длины волн без выцветания или задержки изображения.Предлагаем программную коррекцию нелинейности.

Из-за размера частиц эффективное разрешение составляет 5-9 мкм, независимо от того, насколько мал шаг пикселя датчика.

900 – 1700 нм

Для этого требуется датчик на основе InGaAs. Вы можете достичь высокого QE от 1 мкм до 1,6 мкм. Несмотря на то, что QE может быть очень малым до 900 нм, возможна некоторая чувствительность до 800 нм.

2- Размер балки

Как правильно выбрать модель профилировщика лазерного луча, учитывая размер моего луча для профилирования лазерного луча? Размер луча часто принимается равным 1/e2 для гауссова луча.Важно понимать, что, например, размер луча 1 мм не означает, что за пределами круга диаметром 1 мм находится 0% энергии. Хвост луча, хотя и небольшой интенсивности, необходим для расчета точных измерений луча по стандарту ISO.

Минимальный измеряемый размер луча: Точность измерения размера зависит от количества освещенных пикселей. 15 пикселей дадут очень высокую точность. До 12 пикселей точность приемлемая. Не рекомендуется профилировать лазерный луч с менее чем 10 освещенными пикселями.   Таким образом, минимальный измеряемый размер луча лазерного профилировщика составляет шаг_пикселя (мкм) x ~10 . Например: профилировщик лазерного луча CinCam CMOS 1201 имеет шаг пикселя 5,2 мкм. Поэтому рекомендуемый минимальный размер луча > 52 мкм. Наименьший доступный шаг пикселя составляет 2,2 мкм (см. профилировщик лазерного луча CinCam CMOS 1204   и профилировщик лазерного луча CinCam CMOS PICO )

.

Максимальный измеряемый размер луча: Активная площадь датчика профилировщика лазерного луча определяет максимальный измеряемый размер луча. Эмпирическое правило состоит в том, чтобы занимать ~ 75% длины в одном направлении. Например: профилировщик лазерного луча CinCam CMOS Nano 1.001 имеет активную область 11,3 x 11,3 мм. Таким образом, максимальный измеряемый размер луча составляет ~8,5 мм.

Самым большим КМОП-датчиком является профилировщик лазерного луча CinCam CMOS Nano 1.001 с активной площадью 11,3 x 11,3 мм. Самым большим ПЗС-датчиком является профилировщик лазерного луча CinCam CCD 3501 с активной площадью 36 x 24 мм.

3- Импульсный или непрерывный?

Является ли мой лазер непрерывным или импульсным, и если да, то какова его частота повторения? Некоторые датчики имеют скользящий затвор, что означает, что все пиксели считываются не одновременно, а построчно.Для лазеров непрерывного действия подходит скользящий или глобальный затвор. Однако для импульсных лазеров с частотой повторения <1 кГц необходим глобальный затвор. Импульсные лазеры с частотой повторения> 1 кГц или >> 1 кГц, глобальный затвор или скользящий затвор подходят, поскольку такая частота будет «восприниматься» профилировщиком лазерного луча как непрерывная. Другими словами, датчик не увидит разницы.

4- Мощность

Какая у меня мощность луча и какой внешний диаметр или затухание мне нужны? Независимо от того, используете ли вы нейтральный фильтр поглощающего или отражающего типа, профилировщики лазерного луча обеспечивают максимальную пиковую мощность ~ 1 Вт.Для мощности более 1 Вт блок ослабления может быть добавлен непосредственно к профилировщику лазерного луча (работает со всеми моделями КМОП, ПЗС и InGaAs благодаря широкому спектральному диапазону от 190 до 2000 нм). Аттенюатор основан на двух клиньях из плавленого кварца без покрытия и предназначен для предварительного ослабления лазерных лучей высокой интенсивности. Принцип основан на эффекте поляризации при отражении от оптической поверхности. с-пол. и р-пол. части лазерного луча имеют разные коэффициенты отражения. Ортогональное расположение клиньев компенсирует эффект поляризации и обеспечивает нейтральное затухание лазерного луча

Вы можете использовать призменный аттенюатор до интенсивности 2 ГВт/см2 для импульсных волн и 25 кВт/см2 для непрерывных волн. Можно комбинировать с фильтрами нейтральной плотности для окончательной подстройки мощности под уровень чувствительности профилировщика луча. Высокоэффективная оптическая конструкция в компактном корпусе обеспечивает точное затухание луча.

Доступны 3 модели: 5 Вт, 100 Вт или 200 Вт.

5- Форм-фактор

Ограничено ли место в моей оптической системе? Для профилировщиков лазерного луча CMOS существует 3 типа корпуса в зависимости от доступного места в оптической установке.

Стандартные модели профилировщика лазерного луча CinCam CMOS имеют размеры 40 x 40 x 20 мм.

Модели профилировщика лазерного луча CinCam CMOS Nano имеют размеры 29 x 29 x 20 мм со стандартным корпусом.

Лазерный профилировщик луча CinCam CMOS PICO — это самый маленький профилировщик луча в мире, его размеры составляют всего 15 x 15 x 11,5 мм.

Нажмите для получения дополнительной информации и технических характеристик: CinCam CMOS,

6- Калибровка

Нужна ли мне специальная калибровка для моего приложения? Выйдите за рамки стандартного профилирования лазерного луча, предоставив высокопроизводительные функции для своих приложений!

Программное обеспечение

RayCi автоматически выполняет исправления, но некоторые исправления требуют активации пользователем. Дополнительную информацию см. в руководстве пользователя программного обеспечения для профилирования лазерного луча Rayci. Дополнительные калибровки, такие как калибровка абсолютной мощности или угловая калибровка для расходящихся источников, таких как VCSEL, доступны и должны быть запрошены во время заказа.

Калибровка мощности

Уровень насыщения в некоторых случаях линейно зависит от входной мощности. Основываясь на этом простом принципе, профилировщик лазерного луча можно калибровать по мощности, чтобы отображать абсолютную мощность лазера в режиме реального времени.Поскольку чувствительность сенсора сильно зависит от длины волны лазера, калибровку необходимо выполнять для каждой целевой длины волны.

  • Цена : $ за длину волны (укажите длину волны при заказе)
  • Точность : 5-7% 
  • Наличие оборудования: CinCam CMOS 1201 Nano, CinCam CMOS 1.001 Nano, CinCam CCD 3501
  • Наличие версии RayCi : Lite, Standard, Pro
  • Тип : Заводская калибровка
НОВИНКА! Угловая калибровка

Для приложений профилирования лазерного луча с сильно расходящимся лучом (обычно > ±10°) QE и, следовательно, отклик датчика уменьшаются с углом падения. Калибровка углового отклика корректирует этот эффект, обеспечивая точные результаты.

  • Цена : $ за длину волны (укажите длину волны при заказе)
  • Точность : 10-15% при ±40° (калибровка уровня 1) или 3-5% при ±40°  (калибровка уровня 2)
  • Наличие оборудования: CinCam CMOS 1.001 Nano и CinCam CCD 3501
  • Наличие версии RayCi : Standard, Pro
  • Тип : Заводская калибровка и требуется калибровка положения датчика

Калибровка положения датчика

Знать точное оптическое положение поверхности датчика относительно корпуса с высокой точностью.

  • Цена :
    • долларов США
  • Точность : 50 мкм
  • Наличие оборудования: CinCam CMOS 1.001 Nano, CinCam CMOS 1201 Nano и CinCam CCD 3501
  • Наличие версии RayCi : Lite, Standard, Pro
  • Тип : Заводская калибровка
Калибровка плоского поля

Калибровка устраняет изменения чувствительности пикселей, возникающие при освещении плоского поля (белое однородное изображение). Если доступно, 2D-вид будет постоянно корректироваться с учетом этих изменений чувствительности пикселей.

  • Цена :
    • долларов США
  • Точность : 2-3% по всей площади сенсора
  • Наличие оборудования: CinCam CMOS 1.001 Nano, CinCam CMOS 1201 Nano и CinCam CCD 3501
  • Наличие версии RayCi : Lite, Standard, Pro
  • Тип : Заводская калибровка
Фоновая калибровка

Калибровка фона — это процесс постоянного вычитания полученного фонового изображения (эталонного изображения) из прямой трансляции.Эта коррекция устраняет нежелательные эффекты освещения, а также включает коррекцию холодных и горячих пикселей.

  • Цена : включена
  • Доступность оборудования: Все
  • Наличие версии RayCi : Lite, Standard, Pro
  • Тип : Изображение получено пользователем
Базовая коррекция Программное обеспечение

RayCi для профилирования лазерного луча рассчитывает плоскость коррекции для каждого живого кадра. 2, также известный как коэффициент качества луча, представляет собой степень отклонения луча от идеального гауссова луча.2, значение лазерного луча широко используется в лазерной промышленности в качестве спецификации, а метод его измерения регулируется стандартом ISO (11146-1 и 11146-2).

Почему M² важен? Значение

м² полезно, потому что оно отражает, насколько хорошо коллимированный лазерный луч может быть сфокусирован в маленьком пятне или насколько хорошо может быть коллимирован расходящийся лазерный источник. Это лучший показатель качества луча, чем гауссовский вид, потому что во многих случаях луч может выглядеть гауссовым, но иметь значение M², далекое от единицы.Точно так же профиль интенсивности луча может казаться очень «негауссовым», но иметь значение M², близкое к единице.

Значение M² определяется путем измерения D4σ или ширины «второго момента». В отличие от продукта параметра луча, M² безразмерна и не зависит от длины волны.

Качество луча важно для многих приложений. В волоконно-оптической связи лучи с M², близким к 1, необходимы для соединения с одномодовым оптическим волокном.

M²,,M2, определяет, насколько плотно может быть сфокусирован коллимированный пучок заданного диаметра: диаметр фокального пятна варьируется как M², M2, а шкала освещенности — как 1/M4.Для данного лазерного резонатора диаметр выходного луча (коллимированного или сфокусированного) масштабируется как M, а энергетическая освещенность — как 1/M². Это очень важно при лазерной обработке и лазерной сварке, которые зависят от высокой плотности энергии в месте сварки.

Как правило, M², M2 увеличивается по мере увеличения выходной мощности лазера. Трудно одновременно получить превосходное качество луча и высокую среднюю мощность из-за тепловых линз в усиливающей среде лазера.

Как измеряется M²  ?

Предложение Зигмана стало популярным из-за своей простоты, но экспериментально оно не так просто, и из-за этих принципов возникают некоторые неопределенности. Например, если вы хотите измерить радиус талии в лаборатории, как вы можете быть уверены, что ваше измерительное устройство расположено точно в фокусе?

И как далеко нужно пройти, чтобы оказаться в дальнем поле, чтобы измерить дивергенцию? Достаточно ли этих двух точек данных? Ребята из Международной организации по стандартизации, или ISO, решили положить конец всей этой путанице, поэтому они написали норму, объясняющую, как правильно измерять и рассчитывать M2, M2: ISO 11146.

.

Норма ISO объясняет метод расчета M², M2 на основе набора измерений диаметра луча таким образом, чтобы свести к минимуму источники ошибок.Вот основные шаги:

  • Сфокусируйтесь с помощью объектива без аберраций
  • Используйте уравнения регрессии, подробно описанные в норме, чтобы подогнать гиперболу к вашим точкам данных для осей X и Y. Это повышает точность расчета за счет минимизации погрешности измерения.
  • Из этой подгонки извлеките значения для θ, w0, R и M², M2 для каждой оси.

Норма ISO также устанавливает несколько дополнительных правил измерения диаметра (особенно при использовании матричных датчиков, таких как датчики CCD или CMOS):

  • Используйте область интереса в 3 раза больше диаметра
  • Всегда удаляйте фоновый шум перед измерением

Использование CinSquare для точного измерения качества лазерного луча.

CinSquare от CINOGY — это компактный и полностью автоматизированный инструмент для измерения качества луча непрерывных и импульсных лазерных систем в спектральном диапазоне от УФ до SWIR. Система состоит из объектива с фиксированной фокусировкой перед моторизованным транслятором, на котором установлен профилировщик луча CinCam на базе камеры. Его эксплуатационная устойчивость и надежность обеспечивают непрерывное использование в промышленности, науке, исследованиях и разработках.

В соответствии со стандартом ISO 11146-1/2 система CinSquare измеряет полную каустику луча и определяет M², M^2, положение перетяжки, расходимость и т. д., относительно базовой плоскости. Для облегчения использования система CinSquare оснащена двумя юстировочными зеркалами для точного позиционирования лазерного луча и фильтром для постепенного ослабления луча.

Программное обеспечение RayCi в действии: пример измерения

Как измерить расходимость лазерного луча?

Существует несколько способов измерения расходимости лазерного луча Здесь мы описываем 2 метода измерения расходимости лазерного луча.

Метод 1:

Измерение расходимости лазерного луча в дальней зоне с использованием линзы с известным фокусным расстоянием.По определению полная расходимость Θ=D/f, где D — диаметр луча на фокусном расстоянии, а f — фокусное расстояние.

Поместив профилировщик CinCam на фокусное расстояние и введя фокусное расстояние непосредственно в программное обеспечение RayCi, можно легко измерить расходимость лазерного луча.

Метод 2:

Измерение прямым расчетом размера луча в нескольких точках на пути луча

По определению дивергенция (полный угол) Θ определяется как:

Θ=2 arctan(D1-D2)/2L, где D1,D2 — диаметр луча в разных положениях, а L — расстояние между точками измерения.

Gaussian Profile Beam — обзор

4 Органические молекулы в световой пластинчатой ​​микроскопии

Экстремально удлиненное гауссово лучевое освещение (E 2 GBI), ортогональное плоское освещение (OPI), световое плоскостное освещение (LSI) и селективное плоскостное освещение ( SPI) представляют собой синонимическую терминологию для описания освещения объекта лазерным лучом, поперечное сечение которого в направлении распространения ( z -оси) чрезвычайно широкое ( x -оси) при чрезвычайно малой высоте ( у -ось).Основное преимущество этого класса конфигурации освещения заключается в том, что он устраняет необходимость в точечном освещении и сборе данных, необходимых для традиционных средств освещения. Геометрия этого подхода к освещению показана на рис. 16.11.

Рисунок 16.11. Освещение светового листа, как показано через поперечное сечение чрезвычайно вытянутого гауссова лазерного луча, распространяющегося вдоль оси z . Согласно [22,23], размеры луча этого класса составляют 20 мкм по оси y (высота) и 60 000 мкм по оси x (ширина).Эта фигура не в масштабе, и высота изображенного луча сильно преувеличена.

Следует отметить, что еще один аналогичный тип освещения был впервые введен в микроскопию с использованием некогерентных источников и щели Р. А. Жигмонди в начале 1900-х годов. Основное отличие состоит в том, что в принципе щель вносит дифракцию на краях. Эта дифракция, которая может исказить профиль освещения, полностью отсутствует, например, в E 2 GBI.

Эти синонимичные или аналогичные геометрические формы лазерного освещения отлично подходят для освещения визуализируемых поверхностей и биологических образцов при микроскопическом исследовании.В связи с этим E 2 GBI [22, 23] был применен к интерферометрической микроскопии пленок галогенидов серебра [24, 25], а параллельно лазерное освещение через цилиндрические линзы было применено к микроскопии биологических образцы с помощью микроскопии с ортогональным плоским освещением (OPIM) [26], микроскопии с световым листовым освещением (LSIM) [27] и микроскопии с селективным плоским освещением (SPIM) [28]. Следовательно, похоже, что терминология, связанная с LSIM и SPIM, была разработана после первоначальных вкладов, в которых была представлена ​​концепция E 2 GBI с использованием другой терминологии.Для удобства в этом разделе в качестве основного дескриптора используется термин «освещение светового листа ».

Одно из различий между микроскопией, проведенной с использованием E 2 GBI, и микроскопией с использованием других методов освещения заключается в том, что микроскопия с использованием E 2 GBI до сих пор была в основном направлена ​​на неорганические поверхности пленок, в то время как другие, помимо биологические образцы также включали использование флуоресцентных органических молекул.

Другим отличием является то, что E 2 GBI может создавать огромные отношения высоты к ширине по сравнению с OPI, LSI и SPI.Например, физические размеры луча, связанные с E 2 GBI, приводят к соотношению высоты к ширине 1: 3000, в то время как другие методы дают отношения максимум в диапазоне 1: 400 [29,30].

Различные органические молекулы используются для генерации флуоресценции при однофотонном или двухфотонном лазерном возбуждении путем освещения через удлиненные профили. Например, производные антрахинона использовались в SPIM в Ref. [31], в то время как зеленые органические красители также использовались в SPIM (см., например, Ref.[32]). В Таблице 16.2 перечислены некоторые важные характеристики этих органических молекул.

Таблица 16.2. Органические молекулы, используемые для генерации флуоресценции в световых микроскопиях

Microscopy Органические молекулы Химическая формула Приблизительная область поглощения
SPIM Anthraquinone производной C 24 ч 28 N 4 N 4 O 4 4
LSM Fluorsceincein C 20 H 12 O 5 O 5 O 5 3

2 270-505 A

Moleculs , как видно из раздела 2, представляют собой очень большие молекулы с множеством колебательно-вращательных уровней в каждом электронном состоянии [33]. В большинстве этих молекул возбуждение сине-зеленым лазером приводит к прямому заселению из основного электронного состояния в первое возбужденное электронное состояние, откуда может происходить излучение на более высокие колебательно-вращательные уровни в основном электронном состоянии. Однако если в качестве источника возбуждения используется красный или ближний инфракрасный лазер, а не сине-зеленый лазер, то для достижения и заселения колебательно-вращательных уровней в высшем электронном состоянии необходимо два фотона. Это известно как двухфотонное возбуждение и обычно используется в микроскопических исследованиях с использованием лазеров ближнего инфракрасного диапазона.Двухфотонное возбуждение в ближней инфракрасной области важно для микроскопии и области оптогенетики , поскольку человеческая ткань, и в частности мозговое вещество, сильно поглощает в сине-зеленой области спектра, в то время как она легче передает в ближний инфракрасный.

Как заставить размеры чертежей балок указывать от верхней части профиля, а не от опорной линии детали?

Вопрос:
Как сделать так, чтобы размеры на чертежах балок отсчитывались от верхней части профиля, а не от опорной линии детали?

Ответ:
Обычно балки моделируются так, что опорная линия детали проходит вверху балки. Однако иногда опорная линия детали может проходить по центру балки, и это может означать, что размеры наносятся от центра балки, а не сверху. В этой статье показано, как можно контролировать, из какой части балки вычерчиваются размеры.

Чтобы определить параметры размеров для профилей, необходимо отредактировать таблицу плоскостей размеров dim_planes_table.txt .

Этот файл расположен в .\TeklaStructures\<версия>\Environments\<среда>\General\profile

В этом примере мы скопируем файл в папку модели и отредактируем эту копию, чтобы изменения коснулись только текущей модели, но вы также можете поместить копию этого файла в папку вашего проекта или фирмы, если вы хотите использовать изменения во всех будущих проектах.

Пример

В этом примере есть две балки с отверстиями в полках. Один из них был смоделирован с опорной линией в центре луча. Другой был смоделирован с опорной линией вверху.

 

При создании чертежей расстояние до болтов измеряется от центра балки для верхней балки и от верха балки для нижней балки.

 

 

Чтобы получить оба размера сверху, выполните следующие действия.

  • В меню Файл нажмите Настройки > Дополнительные параметры , чтобы открыть диалоговое окно Дополнительные параметры .
  • Выберите Размеры: Детали и введите только имя файла для XS_PART_DIMENSION_PLANES_TABLE , т. е. «dim_planes_table.txt».

Если ввести только имя файла, Tekla Structures выполнит поиск файла в папках модели, проекта, фирмы и профиля (в указанном порядке).Альтернативой является указание пути к файлу.

  • Щелкните Применить , а затем OK .
  • Сохраните модель и закройте Tekla Structures.
  • Скопируйте файл dim_planes_table.txt из …\TeklaStructures\<версия>\Environments\<среда>\General\profile   в папку модели.
  • Откройте файл из папки модели с помощью текстового редактора и измените последние три записи в строке, соответствующей соответствующему профилю, на ЛОЖЬ, ЛОЖЬ, ИСТИНА*, как показано ниже.

В этом случае профиль представляет собой раздел I, поэтому нам нужно отредактировать строку, начинающуюся с « 1 ». Это изменение коснется только I-профилей.
  • Запустите Tekla Structures и снова откройте ту же модель.
  • Воссоздайте чертежи двух балок и убедитесь, что размеры не указаны сверху на обоих чертежах, как показано ниже.

 

См. также

Добавление размеров к профилям
Отверстие Размер от середины полки для I-образного профиля на чертежах
Размер до осевых линий на чертежах

Формирование лазерного луча Обзор | Эдмунд Оптикс

Это Раздел 5.1, 5.2, 5.3, 5.4, 5.5, и 5.6  Справочника по лазерной оптике.

Форма лазерного луча обычно определяется его распределением освещенности и фазой. Последнее имеет важное значение для определения однородности профиля пучка по расстоянию его распространения. Поэтому формирователи луча предназначены для перераспределения энергетической освещенности и фазы оптического луча для достижения желаемого профиля луча, который поддерживается на желаемом расстоянии распространения. Распространенные распределения освещенности включают распределение по Гауссу, при котором освещенность уменьшается с увеличением радиального расстояния, и лучи с плоской вершиной, также известные как цилиндрические лучи, в которых освещенность постоянна в заданной области ( Рисунок 1 ).Подробное описание распространения гауссова луча можно найти в наших указаниях по применению гауссового луча, а информацию о количественной оценке качества распределения излучения лазера можно найти в наших указаниях по применению режимов лазерного резонатора.


Рис. 1: Для профиля пучка Гаусса (слева) освещенность уменьшается с увеличением расстояния от центра в соответствии с уравнением Гаусса. Для плоского верхнего луча (справа) освещенность постоянна на заданной площади.


В некоторых приложениях лучше использовать профили луча, отличные от профилей лазерного источника, которые обычно являются гауссовыми. Например, профили с плоской вершиной выгодны в таких приложениях, как определенные системы обработки материалов, поскольку они часто обеспечивают более точные и предсказуемые разрезы и края, чем гауссовы лучи ( рис. 2 ). Однако введение оптики, формирующей луч, увеличивает сложность и стоимость системы.


Рис. 2. Пучки с гауссовым профилем менее эффективны, чем пучки с плоской вершиной, при лазерной абляции из-за большой площади луча с избыточной энергией выше требуемого порога абляции и энергией ниже порога во внешних областях гауссовского профиля.

Формирование луча изменяет свойства света на их самом фундаментальном уровне, и его эффективность определяется принципом неопределенности Гейзенберга в зависимости от временной полосы: 1

(1) $$ \Delta _x \Delta _{\nu} \geq \frac{1}{4 \pi } $$

(1)

$$ \Delta _x \Delta _{\nu} \geq \frac{1}{4 \pi } $$

x представляет положение, а v представляет импульс. Принцип неопределенности накладывает некоторые ограничения на конструкцию формирователей луча.Например, для дизайна с очень четко определенным положением пространственные частоты становятся менее определенными. Применяя принцип неопределенности к теории дифракции, т.е. соотношение преобразования Фурье в интеграле Френеля, получаем характеристический параметр $\beta$:

(2) $$ \beta = C \frac{r_i r_o}{\lambda z} $$

(2)

$$ \beta = C \frac{r_i r_o}{\lambda z} $$

где $ \small{r_o} $ – полуширина входного луча, $ \small{r_i} $ – полуширина выходного луча, $ \small{C} $ – константа, $ \small{\lambda} $ – длина волны, а $ \small{z} $ – расстояние до выходной плоскости.Значение $ \small{\beta}$ очень важно при разработке или рассмотрении приложения для формирования луча, поскольку большие значения соответствуют лучшим характеристикам формирования луча. Например, при $ \small{\beta} < 4 $ формирователь луча не будет давать приемлемых результатов практически для любого лазерного применения, в то время как $ \small{ 4 < \beta <16} $ обеспечит низкую производительность. Следовательно, для оптимальной работы следует использовать экспериментальные условия, которые приводят к $ \ small{\ beta} > 16 $. Эта формула подразумевает, что будет проще спроектировать формирователи луча для больших лучей, более коротких длин волн и более коротких фокусных расстояний.

Формирование преломляющего луча

В низкопроизводительных системах, где стоимость является определяющим фактором, гауссовы лучи могут быть физически обрезаны апертурой для формирования псевдоплоского верхнего профиля. Это неэффективно и тратит энергию во внешних областях гауссового профиля, но сводит к минимуму сложность и стоимость системы.

В приложениях с более высокими характеристиками, требующих большей эффективности, часто используются преломляющие и дифракционные формирователи лазерного луча. В этих сборках обычно используются фазовые элементы с отображением поля, такие как асферические линзы или линзы произвольной формы и дифракционные элементы, для перераспределения освещенности и фазового профиля лазерного излучения. На рис. 3 показан пример компоновки картографа поля преломления, который преобразует профиль гауссового луча в профиль с плоской вершиной за счет искажения волнового фронта и условия сохранения энергии. 2 Амплитуда и фаза падающего луча изменяются после прохождения через оба элемента в линзе Галилея или Кеплера. Полученное в результате формирование луча является высокоэффективным (> 96% пропускной способности) и не зависит от длины волны в пределах диапазона конструкции. Формирователи преломляющего луча обеспечивают равномерное распределение освещенности и плоские фазовые фронты.


Рис. 3: Пример формирования рефракционного луча с использованием карты поля 2

Однако фокусировка луча с плоской вершиной через линзу не приведет к получению профиля плоской вершины в конечной точке фокусировки, так как линза повлияет на профиль луча. Когда требуется сфокусированное пятно с плоской вершиной, вместо этого используются картографы поля для преобразования гауссовых лучей в коллимированные профили диска Эйри, которые образуют пятна с плоской вершиной после фокусировки бездифракционной линзой ( рис. 4 ).


Рисунок 4: Изображение того, как некоторые формирователи луча, такие как формирователь луча с плоской вершиной AdlOptica Focal-πShaper Q, преобразуют профили падающего гауссова луча в профили воздушного диска, так что они приводят к профилям луча с плоской вершиной после передачи через фокусирующую оптику. .

Формирование дифракционного луча

Формирователи дифракционного луча используют дифракцию, а не преломление, для формирования лазерного луча в определенное распределение излучения. Дифракционные элементы используют процесс травления для создания определенной микро- или наноструктуры в подложке.Как правило, проектные длины волн и функция элемента зависят от высоты и расстояния между зонами соответственно. Следовательно, использование дифракционного оптического элемента на расчетной длине волны имеет важное значение, чтобы избежать ошибок в работе. По сравнению с рефракционными формирователями луча дифракционные элементы также больше зависят от выравнивания, расходимости и положения луча в плоскости номинального рабочего расстояния. С другой стороны, дифракционные оптические элементы очень выгодны в лазерных установках с ограниченным пространством, поскольку они обычно состоят из одного элемента, а не из нескольких преломляющих линз.

Интеграторы лазерных лучей

Интегратор лазерного луча, или гомогенизатор, состоит из нескольких линз, которые делят луч на массив меньших лучей или лучей, за которыми следует линза или другой фокусирующий элемент, который накладывает лучи на целевую плоскость. Они могут использоваться как с когерентным лазерным излучением, так и с другими некогерентными источниками света. Как правило, окончательный профиль выходного луча представляет собой сумму картин дифракции, определяемых массивом линз. Большинство интеграторов лазерного луча используются для создания гомогенизированного профиля с плоской вершиной из падающих гауссовых лучей.Гомогенизаторы луча обычно страдают от случайных флуктуаций освещенности, что приводит к не идеально плоскому профилю луча. Интеграторы пучков, не основанные на дифракции, такие как интеграторы изображений или волноводы, также подходят для пространственно некогерентного падающего света. Выбор между интеграторами дифракционного или отображающего пучка зависит от числа Френеля. Как правило, при числах Френеля <10 потребуется интегратор изображений для получения очень однородного профиля с плоской вершиной. 3

  Преломляющий Дифракционный Интеграторы балок
 Принцип формирования  Детерминированный  Детерминированный  Случайный или квазислучайный
 Случайные колебания  Низкий  Низкий  Высокий
Чувствительность выравнивания  Низкий  Низкий  Высокий
Однородность выходного луча  Высокий  Средний-высокий  Низкий
 Стоимость  Высокий  Средний  Низкий
 Отпечаток  Большой  Маленький  Маленький
Таблица 1: В этой таблице приведены технические характеристики для различных применений.

Axicons для генерации пучков Бесселя

До сих пор мы обсуждали формирование света с помощью картирования поля или интеграции пучков, когда дифракционные эффекты играют главную роль в конструкции и характеристиках оптики. Дифракция — это отклонение света от прямого распространения, не вызванное отражением или преломлением. Эти эффекты дифракции заставляют лазерные лучи расходиться по мере их распространения. С другой стороны, пучок, профиль которого описывается функцией Бесселя, определяемой как точное и инвариантное решение уравнения Гельмгольца, не испытывает дифракции; я.е. он не распространяется по мере распространения. 4 Эти лучи также являются самовосстанавливающимися, что означает, что они могут восстановиться в любой момент после препятствия. Однако идеальные пучки Бесселя невозможно создать, потому что они требуют бесконечного количества энергии. Вместо этого приближенные лучи Бесселя, известные как квазибесселевые лучи, могут генерироваться интерференцией плоских волн, образованных конической поверхностью, такой как аксикон.

Axicons формируют квазибесселев луч с почти нулевой дифракцией в заданной области, известной как их глубина резкости (DOF).После этой области луч продолжает распространяться по кольцу (рис. 5 ). Традиционными рефракционными аксиконами считаются либо конические линзы, либо призмы. Свет проходит через них, а затем преломляется на конической поверхности. Отражающие аксиконы с отражающей конической поверхностью также используются в определенных ситуациях, например, в сверхбыстрых лазерных системах. Широкая полоса длин волн, присущая сверхбыстрым лазерам, будет испытывать значительную хроматическую дисперсию при передаче через преломляющий аксикон, в то время как в отражающих аксиконах эта дисперсия отсутствует ( рис. 6 ).Квазибесселевские пучки также могут быть получены с использованием голографических методов с высокой эффективностью дифракции, но имеют осевой профиль, модулированный дифракцией.


Рис. 5: Схема традиционного рефракционного аксикона, показывающая область луча Бесселя в ГРИП и кольцеобразный пучок, который распространяется после области перекрытия.
Рис. 6: Схема отражающего аксикона, который, как и традиционный аксикон, создает область луча Бесселя в ГРИП и кольцеобразный пучок после области перекрытия, но, в отличие от традиционных аксиконов, не зависит от длины волны. Лучи Бесселя

практически не претерпевают дифракции на расстоянии своего распространения и обеспечивают превосходную глубину резкости, что делает их идеальными для таких приложений, как лазерная обработка материалов и хирургия роговицы. Благодаря одинаковому диаметру луча в DOF могут быть получены чистые срезы с острыми кромками.

Круговые лучи с цилиндрическими линзами

Другим типом формирования лазерного луча является округление луча, которое включает преобразование овального профиля или профиля другой формы в круглый.Лазерные диоды без коллимирующей оптики будут иметь разные углы расходимости по осям x и y из-за прямоугольной формы активной области диода, что приводит к продолговатой форме луча ( рис. 7 ). Круглые профили часто желательны для формирования симметричных, компактных пятен окончательной фокусировки.


Рис. 7: Геометрия лазерных диодов заставляет их создавать эллиптические лучи с двумя разными углами расхождения

Как и стандартные сферические линзы, цилиндрические линзы используют изогнутые поверхности для схождения или расхождения света, но они обладают оптической силой только в одном измерении.Цилиндрические линзы не влияют на свет в перпендикулярном измерении. Этого нельзя достичь, используя стандартные сферические линзы, потому что свет будет равномерно фокусироваться или рассеиваться вращательно-симметричным образом. Это свойство цилиндрических линз делает их полезными для формирования лазерных световых листов и округления эллиптических лучей.

Система отсчета цилиндрических линз определяется двумя ортогональными размерами: направлением увеличения и направлением без увеличения. «Направление оптической силы» проходит по изогнутой длине линзы и является единственной осью линзы с оптической силой ( рис. 8 ).«Неоптимальное направление» цилиндрической линзы проходит по всей длине линзы без какой-либо оптической силы. Длина цилиндрической линзы вдоль направления без оптической силы может изменяться, не влияя на оптическую силу линзы. Цилиндрические линзы могут иметь различные форм-факторы, включая прямоугольную, квадратную, круглую и эллиптическую формы.


Рис. 8: Направления оптического и неоптического оптического увеличения в прямоугольных и круглых цилиндрических линзах

Поскольку лазерные диоды расходятся асимметрично, сферическую оптику нельзя использовать для создания кругового коллимированного луча от диода.Линза воздействует на обе оси одновременно, что сохраняет исходную асимметрию луча. Каждую ось можно рассматривать отдельно, используя ортогональную пару цилиндрических линз.

Соотношение фокусных расстояний обеих линз должно совпадать с отношением расхождений луча по осям x и y для достижения симметричного выходного луча. Как и при стандартной коллимации, лазерный диод размещается в общей фокусной точке обеих линз, а расстояние между линзами поддерживается равным разнице их фокусных расстояний ( рис. 9 ).


Рис. 9: Пример округления эллиптического луча с помощью цилиндрических линз.

Небольшая выходная апертура лазерных диодов может привести к очень большим углам расходимости, что может вызвать трудности при попытке коллимировать луч. Дивергенция напрямую влияет как на допустимую длину системы, так и на требуемые размеры линз. Взаимосвязь между расходимостью и размером луча описана в наших примечаниях по применению гауссового луча. Поскольку относительные положения каждой цилиндрической линзы достаточно фиксированы в зависимости от их фокусного расстояния, можно рассчитать максимальную ширину луча $ \left( \small{d} \right) $ на каждой линзе, используя фокусное расстояние линзы $ \left( \small{f} \right) $ и угол расхождения $ \left( \small{\theta} \right) $ оси, на которую коллимирует линза. Чистая апертура каждой линзы должна быть больше, чем соответствующая максимальная ширина луча, чтобы избежать ограничения луча.

(3) $$ d = 2 f \times \tan{\left( \frac{\theta}{2} \right)} $$

(3)

$$ d = 2 f \times \tan{\left(\frac{\theta}{2} \right)} $$

Для получения дополнительной информации см. рекомендации по применению цилиндрических линз.

Круговые лучи с парами анаморфотных призм

Пара анаморфотных призм — это еще один тип оптики, используемый для округления эллиптических лучей.Анаморфные пары призм состоят из двух призм, используемых вместе для изменения формы лазерного луча. Обычно они используются для преобразования эллиптических профилей луча в круговые распределения, но они также могут создавать другие эллиптические профили луча различных размеров. Оптический принцип изменения формы такой же, как у цилиндрических линз: преломление. Свет изгибается в одном направлении или по одной оси, в то время как другая ось остается неизменной ( Рисунок 10 ). Это компенсирует разные углы расходимости луча.


Рис. 10: Анаморфотная пара призм, действующая как расширитель луча в одном направлении, которая может округлить эллиптический луч.

Одинокая призма может изменить радиус луча по одной оси, но это также изменит направление луча. Две призмы необходимы для сохранения исходного направления распространения луча при изменении его эллиптичности. Анаморфные пары призм сохраняют параллельность исходному направлению, но смещают луч в перпендикулярном направлении.Использование пар анаморфотных призм также требует точного углового выравнивания для правильной работы. Это не обязательно, но полезно, чтобы одна призма была ориентирована под углом Брюстера или углом падения, при котором p-поляризованный свет не отражается. Другая поверхность призмы будет находиться под прямым углом к ​​лучу и должна быть покрыта просветляющим (AR) покрытием, чтобы максимизировать пропускную способность. Требуемая точная настройка приводит к тому, что многие интеграторы оптических систем покупают их в виде предварительно настроенной пары.

Высококачественные лазерные диоды часто имеют пары анаморфотных призм, встроенные в их лазерную головку для округления лучей.Однако многие более дешевые диоды этого не делают. Стоимость покупки отдельной пары анаморфотных призм и менее дорогого диода без встроенной пары анаморфотных призм может быть меньше, чем у более дорогого диода.

Цилиндрические линзы имеют больше степеней свободы, чем пары установленных анаморфотных призм, что затрудняет их юстировку. Цилиндрические линзы могут наклоняться, что делает анаморфотные призмы более щадящими при попытках независимого выравнивания осей. Особое внимание следует также уделить фокусному расстоянию цилиндрических линз, чтобы они располагались на правильном расстоянии от лазерного диода для получения коллимированного круглого выходного луча.Установленные пары анаморфотных призм более удобны для пользователя. Они предварительно настроены на фиксированную степень расширения, что избавляет от необходимости устанавливать и собирать их самостоятельно, как это было бы с цилиндрическими линзами. Призмы имеют только одну ось, которая должна быть независимо выровнена, поскольку пользователь просто перемещает призму на пути луча. Это устраняет этап выравнивания, экономя время пользователя и избавляя его от возможного разочарования. Физическое расположение анаморфотных призм относительно положения падающего лазерного луча также менее чувствительно.

Однако дополнительные степени свободы, предлагаемые цилиндрическими линзами, обеспечивают большую гибкость, что может быть полезно при проведении исследований и создании прототипов. Цилиндрические линзы также могут обеспечить более высокую пропускную способность, чем пары анаморфотных призм, особенно когда линзы имеют просветляющее покрытие. Свету не нужно проходить через столько материала в цилиндрических линзах, сколько в парах анаморфотных призм, и p-поляризованный свет будет потерян, если анаморфотные призмы используются под углом Брюстера. Для получения дополнительной информации ознакомьтесь с нашими указаниями по применению пар анаморфных призм.

  Цилиндрические линзы Пара анаморфотных призм
Смещение балки Не смещен Перемещенный
Степени свободы Высокий Низкий
Чувствительность выравнивания Высокий Низкий
Пропускная способность Высокий Средний
Стоимость Низкий Низкий
След Маленький Маленький
Таблица 2: Сравнение цилиндрических линз и пар анаморфотных призм для циркуляризации луча.

 

Каталожные номера:

  1. Ф. М. Дики и С. К. Холсуэйд, Формирование лазерного луча: теория и методы, Марсель Деккер, Нью-Йорк (2000).

    No related posts.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *