Качество лазерного луча

Лазерные лучи

В науке лазерной качество лазерного луча определяет аспекты диаграммы направленности луча и характеристики распространения и преобразования конкретного лазерного луча (критерий пространственной ширины полосы пропускания). Например, наблюдая и записывая диаграмму направленности луча, можно сделать вывод о свойствах пространственной моды луча и определить, ограничивается ли луч препятствием или нет; Сфокусировав лазерный луч с помощью линзы количество раз дифракционного предела и измерив минимальный размер пятна, можно вычислить или качество фокусировки.

Исследования качества лазерного луча начались в 1960-х годах, после открытия лазера. Коэффициент M (мода) был введен для экспериментального измерения наличия мод более высокого порядка в гауссовом пучке. В начале 1970 года Ларри Маршалл отметил: «Несмотря на отклонения поперечных сечений интенсивности от гауссовой формы, по-прежнему удобно определять диаметр луча как M, умноженный на 1/e^2 диаметр эквивалентной гауссовой моды». Энтони Э. Зигман значительно усовершенствовал этот формализм, предоставив метод, который можно было измерить и использовать для сравнения различных лучей, независимо от длины волны . Этот коэффициент теперь называется коэффициентом распространения луча (M ² ) , и оно тесно связано с произведением параметров пучка . В то время как М ² Коэффициент не дает подробной информации о пространственных характеристиках луча, он указывает, насколько он близок к гауссовскому лучу на основной моде . Он также определяет наименьший размер пятна луча, а также расходимость луча . М ² также может указывать на искажения луча, например, из-за термического линзирования, индуцированного мощностью, в усиливающей среде лазера , поскольку оно будет увеличиваться.

Есть некоторые ограничения для M. ² параметр как простой показатель качества. Точные измерения могут быть затруднены, а такие факторы, как фоновый шум, могут создавать большие ошибки в M. ² . Лучи с мощностью, выступающей в «хвостах» распределения, имеют M ² гораздо больше, чем можно было бы ожидать. Теоретически идеализированный лазерный луч на крыше имеет бесконечное M ² , хотя это неверно для любой физически реализуемой балки-цилиндра. Для чистого пучка Бесселя невозможно даже вычислить M ² .

Определение «качества» также зависит от применения. В то время как высококачественный одномодовый гауссов пучок (M ² равномерное многомодовое распределение интенсивности пучка близко к единице) является оптимальным для многих приложений, для других приложений требуется . Примером является лазерная хирургия .

Мощность в ведре и коэффициент Штреля — это еще две попытки определить качество луча. Оба эти метода используют профилировщик лазерного луча для измерения количества энергии, доставляемой в данную область. Также нет простого преобразования между M ² , мощность в ведре и коэффициент Штреля.

М ² определения

Основная статья: М в квадрате

М ² определение

Уравнение , расходимости распространяющегося в пространстве , чистого гауссовского несфокусированного луча TEM ₀₀ имеет вид

$\Theta _{00}={4\lambda \over \pi D_{00}}$, (1)

где D ₀₀ — диаметр перетяжки пучка , а λ — длина волны. Пучки более высоких мод часто начинаются с большей перетяжки луча, D ₀ , и/или имеют более быструю расходимость Θ ₀ . В этом случае уравнение (1) принимает вид

$\Theta _{0}=M^{2}{4\lambda \over \pi D_{0}}$, (2)

где Θ ₀ и D ₀ — расходимость и перетяжка пучка более высокой моды, а M ² больше 1 и называется « коэффициентом распространения луча » согласно стандарту ISO 11146. Когда луч гауссова лазера фокусируется, диаметр сфокусированного пятна определяется выражением

$d_{00}={4\lambda f \over \pi D_{00}}$, (3)

где d ₀₀ — идеальный диаметр сфокусированного пятна, f — фокусное расстояние фокусирующей линзы, а D ₀₀ — перетяжка входного луча и располагается на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы, как показано на рисунке. Однако, когда многомодовый луч сфокусирован, уравнение (3) принимает вид

$d_{0}=M^{2}{4\lambda f \over \pi D_{0}}$. (4)

М ² измерение

М ² не может быть определен на основе одного измерения профиля балки. ISO/DIS 11146 определяет, что M ² следует рассчитывать на основе серии измерений, как показано на рисунке ниже. М ² измеряется на реальных лучах путем фокусировки луча с помощью фиксированной линзы с известным фокусным расстоянием, а затем измерения характеристик перетяжки и расходимости луча. Эти измерения можно провести с помощью профилометра лазерного луча .

Позиции измерения для получения М ²

Многочисленные измерения гарантируют определение минимального диаметра луча и обеспечивают «подгонку кривой», что повышает точность расчета за счет минимизации ошибки измерения.