Качество лазерного луча - Laser beam quality

В лазерная наука, качество лазерного луча определяет аспекты диаграммы направленности луча и достоинства конкретного лазерный луч свойства распространения и преобразования (критерий ширины полосы пропускания). Например, наблюдая и записывая диаграмму направленности, можно сделать вывод пространственный режим свойства балки и то, срезана ли балка препятствием; За счет фокусировки лазерного луча линза и измеряя минимальный размер пятна, количество раз предел дифракции или можно вычислить 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 длина волны.^[1] Фактор называется M², и он тесно связан с произведение параметров пучка. В то время как M² Фактор не дает подробных сведений о пространственных характеристиках пучка, он указывает, насколько он близок к фундаментальной моде. Гауссов пучок. Он также определяет наименьший размер пятна для луча, а также расходимость луча. M² также может указывать на искажения луча из-за, например, индуцированного мощностью тепловое линзирование в среда усиления лазера, так как он будет увеличиваться.

Есть некоторые ограничения для M² параметр как простой показатель качества. Точные измерения могут быть затруднены, а такие факторы, как фоновый шум, могут создавать большие ошибки в M².^[2] Лучи с выходом мощности в «хвосты» распределения имеют M² намного больше, чем можно было бы ожидать. Теоретически идеализированный лазерный луч в шляпной шляпе имеет бесконечное M², хотя это не относится ни к какой физически реализуемой балке-шляпе. Для чистого Бесселева балка, невозможно даже вычислить M².^[3]

Определение «качества» также зависит от приложения. А качественный одномодовый гауссов пучок (M² близка к единице) оптимальна для многих приложений, для других приложений - однородный многомодовый балка-цилиндр требуется распределение интенсивности. Примером является лазерная хирургия.^[4]

Мощность в ковше и коэффициент Штреля - две другие попытки определить качество луча. Оба эти метода используют Профилировщик лазерного луча чтобы измерить, сколько мощности доставляется в заданную область. Также нет простого преобразования между M², мощность в ковше и коэффициент Штреля.

M² определения

Основная статья: М в квадрате

M² определение

В уравнение для расхождение, чистого Гауссовский ТЕМ₀₀ несфокусированный луч, распространяющийся в пространстве, определяется выражением

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

куда D₀₀ это диаметр луч талии, и λ это длина волны. Лучи более высоких мод часто начинаются с большей перетяжки луча, D₀, и / или иметь более быстрое расхождение Θ₀. В этом случае уравнение (1) становится

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

куда Θ₀ и D₀ - расходимость и перетяжка пучка более высоких мод и M² больше 1 и называется "Распространение луча Соотношение "согласно стандарту ISO 11146. Когда гауссов лазерный луч сфокусирован, сфокусированное пятно диаметр определяется

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

куда d₀₀ идеальный диаметр сфокусированного пятна, ж это фокусное расстояние фокусирующей линзы, и D₀₀ является перетяжкой входного луча и находится 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)

M² измерение

M² не может быть определен из измерения профиля одного луча. ISO / DIS 11146 определяет, что M² должны быть рассчитаны на основе серии измерений, как показано на рисунке ниже.^[5] M² 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 могут быть выполнены с профилограф лазерного луча.^[6]

Положения измерения для получения M²

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

Рекомендации

1. Сигман, Энтони Э. (5 февраля 1993 г.). «Определение, измерение и оптимизация качества лазерного луча». Proc. SPIE 1868, Лазерные резонаторы и когерентная оптика: моделирование, технология и приложения. 2. Дои:10.1117/12.150601.
2. Зигман, А. Э. (октябрь 1997 г.). «Как (возможно) измерить качество лазерного луча». CiteSeerX  10.1.1.177.3400. Учебная презентация на Ежегодном собрании Оптического общества Америки, Лонг-Бич, Калифорния
3. Borghi, R .; Сантарсиеро, М. (1 марта 1997 г.). "М² фактор пучков Бесселя – Гаусса " (PDF). Письма об оптике. 22 (5). Bibcode:1997OptL ... 22..262B. Дои:10.1364 / ол.22.000262.
4. Фрай, Констанс Л .; Фолкнер., Алан Р. (ред.). Современные концепции эстетической и реконструктивной окулопластической хирургии,.
5. ISO 11146: 2005 (E), «Лазеры и связанное с ними оборудование. Методы испытаний ширины лазерного луча, углов расходимости и коэффициентов распространения луча».
6. Г. Лангер и др., Веб-камера в режиме Байера в качестве профилографа светового пучка для ближнего инфракрасного диапазона, Оптика и лазеры в технике 51 (2013) 571–575