Laserstrålekvalitet

Laser strålar

Inom laservetenskap definierar laserstrålekvalitet aspekter av strålens belysningsmönster och fördelarna med en viss laserstråles utbrednings- och transformationsegenskaper ( rymd -bandbreddskriterium). Genom att observera och registrera strålmönstret, till exempel, kan man härleda strålens spatiala modegenskaper och huruvida strålen klipps av ett hinder eller inte; Genom att fokusera laserstrålen med en lins och mäta den minsta punktstorleken kan antalet gånger diffraktionsgränsen eller fokuseringskvaliteten beräknas.

Anthony E. Siegman var den första som föreslog formalismen för en laserstrålekvalitetsfaktor som kunde mätas och användas för att jämföra olika strålar, oberoende av våglängd . Faktorn kallas strålutbredningsförhållande (M2) ^, och den är nära relaterad till strålparameterprodukten . Även om M ² -faktorn inte ger detaljer om strålens rumsliga egenskaper, indikerar den hur nära den är en Gaussisk stråle i grundläge . Den bestämmer också den minsta punktstorleken för strålen, såväl som strålens divergens . M2 kan också ge en indikation på strålförvrängningar på grund av till exempel effektinducerad termisk linsning i laserförstärkningsmediet , eftersom den kommer att öka ^.

Det finns vissa begränsningar för M ² -parametern som ett enkelt kvalitetsmått. Det kan vara svårt att mäta exakt, och faktorer som bakgrundsljud kan skapa stora fel i M ² . Balkar med effekt väl ute i "svansarna" av fördelningen har M ² mycket större än man skulle förvänta sig. I teorin har en idealiserad tofatlaserstråle oändlig ^M2 , även om detta inte är sant för någon fysiskt realiserbar tofatstråle. För en ren Bessel-stråle kan man inte ens beräkna M ² .

Definitionen av "kvalitet" beror också på tillämpningen. Medan en högkvalitativ singelmods gaussisk stråle (M ² nära enhet) är optimal för många applikationer, krävs för andra applikationer en enhetlig multimod tophat stråleintensitetsfördelning. Ett exempel är laserkirurgi .

Power-in-the-bucket och Strehl ratio är två andra försök att definiera strålkvaliteten. Båda dessa metoder använder en laserstråleprofilerare för att mäta hur mycket effekt som levereras till ett givet område. Det finns inte heller någon enkel omvandling mellan M ² , kraft-i-skopan och Strehl-förhållande.

M ² definitioner

Huvudartikel: M i kvadrat

M ² definition

Ekvationen för divergensen för en ren Gaussisk TEM _{00 ofokuserad stråle som fortplantar} sig genom rymden ges av

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

₀₀ där D ₀₀ är diametern på strålens midja och λ är våglängden. Högre lägesstrålar börjar ofta med en större strålemidja, D , och/eller har en snabbare divergens Θ . I detta fall blir ekvation (1).

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

₀₀ där Θ och D är divergensen och midjan för en högre lägesstråle och M ² är större än 1 och benämns "Beam Propagation Ratio " enligt ISO 11146-standarden. När en Gaussisk laserstråle fokuseras, definieras den fokuserade punktdiametern av

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

där d ₀₀ är den idealiska fokuserade punktdiametern, f är brännvidden för fokuseringslinsen och D ₀₀ är den ingående strålens midja och placeras en brännvidd från linsen som visas i figuren. Men när en multimodsstråle fokuseras, blir ekvation (3).

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

M ² mätning

M ² kan inte bestämmas från en enda strålprofilmätning. ISO/DIS 11146 definierar att M ² ska beräknas från en serie mätningar som visas i figuren nedan. M2 mäts på verkliga strålar genom att fokusera strålen med en fast positionslins med känd brännvidd, och sedan mäta egenskaperna hos strålens midja och divergens ^. Dessa mätningar kan göras med en laserstråleprofilerare .

Mätpositioner för att erhålla M ²

De multipla mätningarna säkerställer att den minsta stråldiametern hittas och möjliggör en "kurvanpassning" som förbättrar noggrannheten i beräkningen genom att minimera mätfel.