Качество лазерного луча

Лазерные лучи

В лазерной науке качество лазерного луча определяет аспекты картины освещения луча и достоинства свойств распространения и преобразования конкретного лазерного луча (критерий пространственной полосы пропускания). Наблюдая и регистрируя картину луча, например, можно сделать вывод о свойствах пространственной моды луча и о том, отсекается ли луч препятствием; Фокусируя лазерный луч линзой и измеряя минимальный размер пятна, можно вычислить количество дифракционных пределов или качество фокусировки.

Исследования качества лазерного луча начались в 1960-х годах после открытия лазера. ^[1] Фактор M (мода) был введен для экспериментального измерения наличия мод высшего порядка в гауссовом пучке. В начале 1970-х годов Ларри Маршалл ^[2] отметил: «Несмотря на изменения поперечных сечений интенсивности от гауссовой формы, по-прежнему удобно определять диаметр пучка как M, умноженное на диаметр 1/e^2 эквивалентной гауссовой моды». Энтони Э. Сигман значительно продвинул этот формализм, предложив метод, который можно было бы измерить и использовать для сравнения различных пучков, независимо от длины волны . ^[3] Фактор теперь называется отношением распространения пучка (M ² ) , и он тесно связан с произведением параметров пучка . Хотя фактор M ² не дает подробностей о пространственных характеристиках пучка, он показывает, насколько он близок к тому, чтобы быть гауссовым пучком основной моды . Он также определяет наименьший размер пятна для луча, а также расходимость луча . M ² также может дать указание на искажения луча, вызванные, например, тепловой линзой, вызванной мощностью в среде усиления лазера , поскольку он будет увеличиваться.

Существуют некоторые ограничения параметра M ² как простой метрики качества. Его может быть трудно измерить точно, и такие факторы, как фоновый шум, могут создавать большие ошибки в M ² . ^[4] Лучи с мощностью, выходящей далеко за пределы «хвостов» распределения, имеют M ² намного больше, чем можно было бы ожидать. В теории идеализированный луч лазера tophat имеет бесконечный M ² , хотя это не относится ни к одному физически реализуемому лучу tophat. Для чистого луча Бесселя невозможно даже вычислить M ² . ^[5]

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 равномерное распределение интенсивности многомодового луча tophat . Примером может служить лазерная хирургия . ^[6]

Мощность в бакете и отношение Штреля — еще две попытки определить качество луча. Оба эти метода используют профилировщик лазерного луча для измерения мощности, поступающей в заданную область. Также нет простого преобразования между M ² , мощностью в бакете и отношением Штреля.

М2определения

М ² определение

Уравнение для расходимости чистого гауссова TEM _{00 несфокусированного пучка} , распространяющегося в пространстве, задается выражением

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

где D ₀₀ — диаметр перетяжки пучка , а λ — длина волны. Лучи более высокой моды часто начинаются с большей перетяжки пучка, D ₀ , и/или имеют более быстрое расхождение Θ 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 — расхождение и перетяжка пучка более высокой моды, а M ² больше 1 и называется « коэффициентом распространения пучка » согласно стандарту ISO 11146. Когда фокусируется гауссовский лазерный луч, 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 пучка, которая располагается на расстоянии одного фокусного расстояния от линзы, как показано на рисунке. Однако, когда фокусируется многомодовый пучок, уравнение (3) становится

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

М2измерение

M ² не может быть определен из одного измерения профиля луча. ISO/DIS 11146 определяет, что M ² следует рассчитывать из серии измерений, как показано на рисунке ниже. ^[7] M ² измеряется на реальных лучах путем фокусировки луча с помощью фиксированной линзы с известным фокусным расстоянием, а затем измерения характеристик перетяжки и расхождения луча. Эти измерения можно выполнить с помощью лазерного профилировщика луча . ^[8]

Позиции измерения для получения M ²

Многократные измерения гарантируют нахождение минимального диаметра пучка и позволяют выполнить «подгонку кривой», что повышает точность расчета за счет минимизации погрешности измерения.

Ссылки

1. Показатели качества лазерного луча Т. Шона Росса
2. Маршалл, Ларри, «Применение в моде», Laser Focus, апрель 1971 г.
3. Siegman, Anthony E. (5 февраля 1993 г.). Bhowmik, Anup (ред.). "Определение, измерение и оптимизация качества лазерного луча". Proc. SPIE 1868, Лазерные резонаторы и когерентная оптика: моделирование, технология и приложения . Лазерные резонаторы и когерентная оптика: моделирование, технология и приложения. 2 : 2. Bibcode :1993SPIE.1868....2S. doi :10.1117/12.150601. S2CID  73623358.
4. Siegman, AE (октябрь 1997 г.). «Как (возможно) измерить качество лазерного луча». CiteSeerX 10.1.1.177.3400 . Презентация обучающего материала на ежегодном собрании Оптического общества Америки, Лонг-Бич, Калифорния
5. Borghi, R.; Santarsiero, M. (1 марта 1997 г.). "M2 factor of Bessel–Gauss beams" (PDF) . Optics Letters . 22 (5): 262–264. Bibcode :1997OptL...22..262B. doi :10.1364/ol.22.000262. PMID  18183169.
6. Фрай, Констанс Л.; Фолкнер, Алан Р. (ред.). Современные концепции в эстетической и реконструктивной окулопластической хирургии .
7. ISO 11146:2005(E), «Лазеры и лазерное оборудование. Методы испытаний ширины лазерного луча, углов расходимости и коэффициентов распространения луча».
8. G. Langer et al., Веб-камера в режиме Байера как профилировщик светового луча для ближнего инфракрасного диапазона, Optics and Lasers in Engineering 51 (2013) 571–575