激光束质地因子M2的观念及衡量的手法

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所属分类:固体激光器
激光束质量因子M2的概念及测量的方法_物理_自然科学_专业资料。激光束质量因子 M2 的概念及测量的方法 1988 年,A.E.Siegman 利用无量纲的量光束质量因子 M 较科学合理地描述了激光束质
激光束质地因子M2的观念及衡量的手法

激光束质地因子M2的观念及衡量的手法

  激光束质量因子M2的概念及测量的方法_物理_自然科学_专业资料。激光束质量因子 M2 的概念及测量的方法 1988 年,A.E.Siegman 利用无量纲的量——光束质量因子 M 较科学合理地描述了激光束质量,并由 国际标准组织(ISO)采纳。 M 克服了常用的

  激光束质量因子 M2 的概念及测量的方法 1988 年,A.E.Siegman 利用无量纲的量——光束质量因子 M 较科学合理地描述了激光束质量,并由 国际标准组织(ISO)采纳。 M 克服了常用的光束质量评价方法的局限,对激光光束的评价具有重要意义。 激光束质量因子 M 的概念 2 2 2 M 因子被称为激光束质量因子或衍射极限因子,其定义为:实际光束束腰宽度和远场束散 角的乘积比上基模高斯光束的束腰宽度和远场束散角的乘积。 对于基模(TEM00)高斯光束,光束质量因子为 1,光束质量最好,而实际中均大于 1,表征实 际光束相对于衍射极限的倍数,即 Times-diffraction-limited。光束质量因子可以表示为: M =πD0θ/(4λ)。 光束质量因子的参数同时包含了远场和近场特性,,能够综合描述光束的品质,且具有通过理想介 2 2 质传输变换时不变的重要性质。而由上式可知,对光束质量因子的测量,归结为光束束腰宽度和光束远 场发散角的测量。 激光束宽 D 的定义和束腰宽度 D0 对光束束宽的定义有多种,如半强度定义、1/e 强度定义等,较严格而通用的是强度矩量分析法,即光束 束宽正比于光束横截面上光强分布的二阶中心矩(方差),在直角坐标系中,光束在 Z 处能量/功率密度分 布函数的二阶矩表示为: 2 (2) (3) 式中, , 是光束横截面归一化的能量/功率密度分布函数的一阶矩,其表达式为: : (4) (5) 在 Z 处,x 方向和 y 方向光束束宽 Dx 和 Dy 表示为: Dx=4σx(z); Dy=4σy(z) (6) 光束束宽最小处即为光束束腰 D0,其位置为 Z0。 假如光束束腰能够直接测量,可沿光束传播轴 Z 测量不同位置的束宽 D,然后利用双曲线拟合来确定 光束束腰的大小和位置。双曲线 D =A+BZ+CZ (7) D x=Ax+BxZ+CxZ 2 2 (8) D y=Ay+ByZ+CyZ 2 2 (9) 确定系数 A,Ax,Ay,B,Bx,By,C,Cx,Cy 后,束腰的位置 Z0 及宽度 D0 表示为: (10) (11) 如果束腰的宽度和位置不能够直接测量,可利用一无像差的聚焦透镜,对激 光束进行变换, 测量变换后不同位置 Z 处的光束束宽 D′,然后利用公式(7),(8), (9)确定双曲线)求出模拟腰斑直径 D′0 和位置 Z′0。再 根据透镜的成像性质,求出实际光束的腰斑直径 D0 和位置 Z0,如图 1 所示。 Fig.1 The lens arrangement of creating artificial waist 光束发散角 θ 激光束在腰部最细,随着离腰部距离的逐渐增大,光束的有效截面逐渐变粗,也就是激光束具有一定的发 散性质,发散程度用发散角 θ 表示。对于某些激光器,其远场可能距激光器很远,直接测量远场发散角十 分不方便。根据拉格朗日不变式,可采用聚焦光束测量法,即在透镜的像方焦点处,测得光束直径为 DF,则 光束发散角 θ 表示为: θ=DF/f (12) 对于非对称的激光光束,应求出 x,y 方向上相应的发散角 θx,θy。利用 M 评价激光束的质量具有重要特点: 1.M 因子表示实际光束偏离基模高斯(TEM00)光束(衍射极限)的程度。 2.M 因子综合描述了光束的质量,包括光束远场和近场特性。 3.光束通过理想光学系统后 M 因子不变。 利用 M 因子来评价激光束的质量也有其局限性, 它要求光束截面上光强分布必须是连续的, 而且不能 有陡直的边缘,比如对于“超高斯光束”(Super-Gaussion beam)、“圆环光束”(Ring beam)等 M 就不适用。 尽管如此,M 因子仍不失为一种较为完善、合理的光束质量的评价标准。 2 2 2 2 2 2 2