Качество лазерного луча

В лазерной науке , качество лазерного луча определяет аспекты диаграммы направленности освещения и достоинство конкретного лазерного луча «ы распространения и трансформации свойств (критерий пространственно-пропускной способность). Например, наблюдая и записывая диаграмму направленности, можно сделать вывод о пространственных модовых свойствах луча и о том, ограничен ли луч препятствием; Сфокусировав лазерный луч линзой и измерив минимальный размер пятна, можно вычислить , сколько раз дифракционный предел или качество фокусировки.

Энтони Э. Сигман был первым, кто предложил формализм для коэффициента качества лазерного луча, который можно было измерить и использовать для сравнения различных лучей, независимо от длины волны . ^[1] Коэффициент называется M ² , и он тесно связан с произведением параметров пучка . Хотя коэффициент M ² не дает подробных сведений о пространственных характеристиках пучка, он показывает, насколько он близок к гауссову пучку с основной модой . Он также определяет наименьший размер пятна для луча, а также его расходимость . M ² также может указывать на искажения луча, например, вызванные мощностьютепловое линзирование в среде усиления лазера , так как оно будет увеличиваться.

Есть некоторые ограничения для параметра M ² как простого показателя качества. Точное измерение может быть затруднено, а такие факторы, как фоновый шум, могут создавать большие ошибки в M ² . ^[2] Лучи с мощностью, значительно превышающей «хвосты» распределения, имеют M ² намного больше, чем можно было бы ожидать. Теоретически идеализированный лазерный луч в виде шляпки-цилиндра имеет бесконечное M ² , хотя это не относится к любому физически реализуемому лучу-шляпке. Для чистого бесселевого пучка невозможно даже вычислить M ² . ^[3]

Определение «качества» также зависит от приложения. В то время как высококачественный одномодовый гауссов пучок (M ² близок к единице) является оптимальным для многих приложений, для других приложений требуется однородное многомодовое распределение интенсивности луча . Пример - лазерная хирургия . ^[4]

Мощность в ковше и коэффициент Штреля - две другие попытки определить качество луча. Оба этих метода используют профилировщик лазерного луча для измерения мощности, поступающей в заданную область. Также не существует простого преобразования между M ² , мощностью в ковше и коэффициентом Штреля.

M ² определения

M ² определение

Уравнение для дивергенции чистого гауссова ТЕМ ₀₀ несфокусированном пучка , распространяющегося через пространство задается

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

где D ₀₀ - диаметр перетяжки луча , а λ - длина волны. Выше режим балок часто начинает с большим талией луча, D ₀ , и / или иметь более быстрые дивергенции thetas ; ₀ . В этом случае уравнение (1) становится

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

где Θ ₀ и D ₀ - расходимость и перетяжка луча более высокой моды, а M ² больше 1 и называется « Коэффициент распространения луча » в соответствии со стандартом ISO 11146. Когда гауссов лазерный луч сфокусирован, диаметр сфокусированного пятна определяется как

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

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

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

Измерение M ²

M ² не может быть определен путем измерения профиля одиночного пучка. ISO / DIS 11146 определяет, что M ² следует рассчитывать на основе серии измерений, как показано на рисунке ниже. ^[5] M ² измеряется на реальных лучах путем фокусировки луча с помощью линзы с фиксированным положением и известным фокусным расстоянием, а затем измерения характеристик перетяжки и расходимости луча. Эти измерения могут быть выполнены с помощью профилометра лазерного луча . ^[6]

Позиции измерения для получения M ²

Множественные измерения гарантируют, что минимальный диаметр луча найден, и позволяют «подобрать кривую», которая повышает точность расчета за счет минимизации ошибки измерения.

использованная литература