Продукт параметров луча

В лазерной науке произведение параметров луча ( BPP ) представляет собой произведение лазерного луча угла расхождения (полуугла) и радиуса луча в его самой узкой точке ( перетяжке луча ). BPP количественно определяет качество лазерного луча и то, насколько хорошо его можно сфокусировать в небольшом пятне.

Гауссов луч имеет минимально возможное BPP, $\lambda /\pi$, где $\lambda$ это длина волны света. Отношение BPP реального луча к идеальному гауссову пучку на той же длине волны обозначается M. ² (« М в квадрате »). Этот параметр является независимой от длины волны мерой качества луча.

Общее волновое уравнение в параксиальном приближении дает:

$\mathrm {BPP} =\varphi \cdot w_{0}=M^{2}\cdot {\frac {\lambda }{\pi }}$.

С:

$\varphi$ половина угла в дальнем поле

$w_{0}$ луч талии

$M^{2}$ добротность пучка, М в квадрате

$\lambda$ волны длина .

Качество луча важно для многих применений. В лучах волоконно-оптической связи с М ² требуется значение, близкое к 1 для подключения к одномодовому оптическому волокну . Лазерные станки уделяют большое внимание M ² параметр их лазеров, поскольку лучи будут фокусироваться в области M ⁴ раз больше, чем у гауссова пучка той же длины волны и ширины перетяжки D4σ; другими словами, флюенс масштабируется как 1/M ⁴ . Эмпирическое правило заключается в том, что М. ² увеличивается с увеличением мощности лазера. Трудно получить превосходное качество луча и высокую среднюю мощность (от 100 Вт до кВт) из-за термического линзирования в усиливающей среде лазера .

Измерение

Существует несколько способов определения ширины балки. При измерении произведения параметров пучка и M ² , используется D4σ или ширина луча «второго момента», чтобы определить как радиус перетяжки луча, так и расходимость в дальней зоне.

BPP можно легко измерить, разместив матричный детектор или профилометр со сканирующей щелью в нескольких положениях луча после его фокусировки с помощью линзы с высоким оптическим качеством и известным фокусным расстоянием . Чтобы правильно получить BPP и M ² необходимо выполнить следующие шаги:

1. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых положениях вблизи перетяжки луча (место, где луч является самым узким).
2. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых положениях на расстоянии не менее одной длины Рэлея от талии.
3. Сопоставьте 10 точек измеренных данных с $W^{2}(z)=W_{0}^{2}+M^{4}\left({\frac {\lambda }{\pi W_{0}}}\right)^{2}(z-z_{0})^{2}$, где $W(z)=2\sigma (z)={\tfrac {1}{2}}{\text{D4}}\sigma (z)$ и $\sigma ^{2}(z)$ - второй момент распределения в направлении x или y (см. Диаметр луча § D4σ или ширина второго момента ), и $z_{0}$ - расположение перетяжки балки с шириной второго момента $\sigma _{0}$. Подбор 10 точек данных дает M ² , $z_{0}$, и $\sigma _{0}$. Зигман показал, что все профили луча — гауссовы, с плоской вершиной , TEMxy или любой формы — должны соответствовать приведенному выше уравнению при условии, что радиус луча использует определение ширины луча D4σ. Использование других определений ширины луча не работает.

В принципе, можно использовать одно измерение в области талии, чтобы получить диаметр талии, одно измерение в дальней зоне, чтобы получить расхождение, а затем использовать их для расчета BPP. Однако на практике описанная выше процедура дает более точный результат.

Мощные лазеры, например те, которые используются при лазерной сварке и резке, обычно измеряются с помощью светоделителя для отбора проб луча. Отобранный луч имеет гораздо меньшую интенсивность и может быть измерен профилометром со сканирующей щелью или ножевой кромкой. Хорошее качество луча очень важно при лазерной сварке и резке.

См. также

• Степень
• Список лазерных статей

Дальнейшее чтение

• Ван, Цзолан; Дровс, Саймон; Сегреф, Армин; Кеннинг, Тобиас; Панди, Раджив (2011). Расчет параметров луча волоконно-диодного лазерного луча и правила оптимизации проектирования (PDF) . SPIE Лаза. Фотоника Запад. Бумага 7918-8. Сан-Франциско, Калифорния, США.