М в квадрате

В лазерной науке параметр M ² , также известный как коэффициент распространения луча или коэффициент качества луча , представляет степень отклонения луча от идеального гауссова луча . ^[1] Он рассчитывается из отношения произведения параметров луча (BPP) луча к таковому для гауссова луча с той же длиной волны . Он связывает расходимость лазерного луча с минимальным размером сфокусированного пятна, который может быть достигнут. Для одномодового лазерного луча ТЕМ ₀₀ (гауссова) M ² равно единице. В отличие от произведения параметров пучка, M² безразмерен и не зависит от длины волны.

Значение M ² для лазерного луча широко используется в лазерной промышленности в качестве спецификации, а его метод измерения регулируется как стандарт ISO. ^[2]

Измерение [ править ]

Коммерческий измерительный прибор M ²

Есть несколько способов определить ширину балки. При измерении произведения параметров луча и M ² используют ширину луча D4σ или «второй момент» для определения как радиуса перетяжки луча, так и расходимости в дальней зоне. ^[1]

M ² можно измерить, поместив матричный детектор или профилировщик со сканирующей щелью в нескольких положениях внутри луча после его фокусировки с помощью линзы высокого оптического качества и известного фокусного расстояния . Чтобы правильно получить M ^2, необходимо выполнить следующие шаги: ^[3]

1. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых позициях рядом с перетяжкой луча (место, где луч наиболее узкий).
2. Измерьте ширину D4σ в 5 осевых позициях, по крайней мере, на одну длину Рэлея от талии.
3. Подгоните 10 точек измеренных данных к , ^[4]${\ displaystyle W ^ {2} (z) = W_ {0} ^ {2} + M ^ {4} \ left ({\ frac {\ lambda} {\ pi W_ {0}}} \ right) ^ { 2} (г-я_ {0}) ^ {2}}$

Здесь половина ширины балки и расположение перетяжки балки с шириной . Монтаж 10 точек данных дает М ² , и . Сигман показал, что все профили пучка - гауссовский, с плоским верхом , TEMxy или любой формы - должны соответствовать приведенному выше уравнению при условии, что для радиуса пучка используется определение ширины пучка D4σ. ^[1] Использование других определений ширины луча не работает.${\ displaystyle W (z)}$${\ displaystyle {\ text {D4}} \ sigma (z)}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle W_ {0}}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle W_ {0}}$

В принципе, можно использовать одно измерение на талии для получения диаметра перетяжки, одно измерение в дальней зоне для получения расходимости, а затем использовать их для расчета M ² . Однако на практике описанная выше процедура дает более точный результат.

Утилита [ править ]

M ² полезен, потому что он отражает, насколько хорошо коллимированный лазерный луч может быть сфокусирован в маленькое пятно 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 M ^2, далекое от единицы. ^[1] Точно так же профиль интенсивности луча может казаться очень "негауссовым", но иметь значение M ^2, близкое к единице.

Качество луча важно для многих приложений. В оптоволоконной связи для связи с одномодовым оптическим волокном требуются лучи с M ^2, близким к 1 .

M ² определяет, насколько сильно может быть сфокусирован коллимированный луч заданного диаметра: диаметр фокального пятна изменяется как M ² , а энергетическая освещенность масштабируется как 1 / M ⁴ . Для данного лазерного резонатора диаметр выходного луча (коллимированный или сфокусированный) масштабируется как M, а энергетическая освещенность - как 1 / M ² . Это очень важно при лазерной обработке и лазерной сварке , которые зависят от высокой плотности энергии в месте сварки.

Обычно M ² увеличивается с увеличением выходной мощности лазера. Одновременное получение превосходного качества луча и высокой средней мощности затруднительно из-за теплового линзирования в среде усиления лазера .

Распространение многомодового луча [ править ]

Реальные лазерные лучи часто бывают негауссовскими, многомодовыми или смешанными. Распространение многомодового луча часто моделируется путем рассмотрения так называемого «встроенного» гауссова луча, перетяжка которого в M раз меньше, чем у многомодового луча. Тогда диаметр многомодового луча в M раз больше диаметра встроенного гауссова луча повсюду, а расходимость в M раз больше, но кривизна волнового фронта остается той же. У многомодового луча площадь луча в M ² раза больше, но интенсивность луча на 1 / M ² меньше, чем у встроенного луча. Это справедливо для любой данной оптической системы, и, таким образом, минимальный (сфокусированный) размер пятна или перетяжка многомодового лазерного луча в M раз превышает перетяжку встроенного гауссова луча.

См. Также [ править ]

• Профилировщик лазерного луча
• Качество лазерного луча
• Продукт параметра луча
• Коэффициент Штреля

Ссылки [ править ]