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高斯激光束
来源:TEKSCAN_压力发电膜_piezoelectricity_压力发电_压力发电膜鞋_压力发电机_薄膜压力发电 | 发布时间:2020-5-17 | 浏览次数:
激光束空间分布 激光束的辐照度分布是由离开激光腔的横模决定的。通常,选择最低阶横模(TEM00)进行发射,因为它以最小的光束发散角传播,并且可以聚焦到最紧的点。该TEM00模式的辐照度分布由高斯函数描述,因此本节的大部分内容详细描述了高斯光束的轮廓及其随距离的演变。高斯光束传输是很好理解的,甚至不具有TEM00模式的激光束也经常使用修正的高斯模式分析(使用其M平方值)来描述。最后,对非高斯光束作了简要的描述。 高斯光束 高斯光束沿其轴向(z)传播时的演变如图1所示。辐照度呈径向(r)分布,在与轴正交的任何平面上都是圆对称的,光束的功率(φ)集中在轴附近。辐照度分布(E)的函数形式如下: 这说明光束形状在沿轴的任何点上都保持高斯,并且仅在其宽度和振幅上变化。光束半径W被定义为辐照度减小到1/e2或0.135分轴上的峰值(r=0)。这有时称为半宽度1/e2(HW1/e2)值。如图1所示,随着与最小光束半径(称为光束腰,W0)的距离增大,W逐渐增大。由于E是单位面积的功率,如上面的方程所示,当一个人离开光束腰时,辐照度减小。整个径向平面(在任何轴向位置)上的辐照度积分产生总光功率。换句话说,φ沿轴保持不变。从实际的角度看,在一个半径圆内积分辐照度1.5瓦产生99%的总功率。这与测量高斯光束的光功率有关。 显示高斯激光束某些参数的图表 图1:显示高斯激光束的一些参数的图(左)。归一化光束辐照度是沿传播轴不同点的径向距离(右)的函数。 描述光束半径沿z轴(其中z是到光束腰的距离)的演变的方程由下式给出: zR被称为Rayleigh范围,表示从腰部到半径增加一倍的距离。如果将上述方程代入辐照度分布方程,则zR是辐照度从其腰部峰值下降√2因子的距离。瑞利距离的两倍称为共焦参数(或聚焦深度),是对光束准直的粗略估计。如上式所示,光束尺寸随离腰部的轴向距离而缓慢增加。当z>>zR时,光束尺寸随z线性增加,斜率为W0/zR。该斜率表示光束的全角宽度散度(θ),由下式给出: 光斑大小(2W0)与散度之间存在明显的倒数关系。另外,对于给定波长的高斯光束,光斑大小和发散角的乘积是4λ/π的常数。这对于定义光束偏离完美高斯光束的程度很重要。 高斯光束通过薄透镜的传输 图2:高斯光束通过薄透镜的传播,其中z0表示从透镜到腰部的位置,下标1和2分别指原始光束参数和修改后的光束参数。 激光束通常通过由透镜、反射镜、介电界面或其他光学元件组成的光学系统传播。幸运的是,在大多数情况下,高斯光束在遇到这些元素后仍然是高斯光束,从而确保上面使用的传输方程仍然有效。光学元件通过改变输入光束束腰的位置和大小来修改输入光束。利用对输入光束参数和光学元件特性的了解,可以使用各种传播方法来确定新值。薄聚焦透镜可能是影响激光束的最重要的光学元件。图2说明了光束通过薄透镜的传播,从而导致光束腰的重新定位和尺寸调整(以及zR和θ)。当准直光束(即., 2.锆>>f)遇到透镜时,产生的光束束腰只是焦距和原始散度(见全角宽度散度方程)的乘积,束腰位于透镜的焦点处。 M平方分析 M平方分析 即使是设计良好的激光系统,其TEM00模也不是理想的高斯光束。M2(“M平方”)分析是为了表征激光束的质量。也就是说,它离理想高斯光束有多近。M2定义为实际光束的光斑大小(2WM)和发散度(θM)除以理想高斯光束的光斑大小发散度乘积: 这个定义的一个实际结果是理想高斯光束(即,M2=1)可以聚焦到最小光斑直径,而M值较高的光束聚焦到与M2值成比例的较大光斑直径。因此,M2提供了关于激光的有意义的信息,特别是当它们的应用涉及到小的聚焦光斑尺寸时。虽然WM和θM足以确定M2,但这些值通常不能直接测量。通过使用已知焦距的透镜对焦光束(如图2所示),可以测量人造光束的束腰和发散特性。为了提供M2的精确计算,国际标准组织(ISO)要求在聚焦光束腰区至少进行5次测量,在远场至少进行5次测量(距离腰区两个瑞利范围),如图3所示。这些多重测量可确保找到最小光束宽度,而“曲线拟合”可通过最小化任何单个点的测量误差来提高精度。 确定激光束M平方值的实验方法 图3:确定激光束M平方值的实验方法(左)和获得的数据(右)。 一个常用的氦氖激光发射一个接近理想的高斯光束,其值为M2<1.1款. 对于许多固体激光器,M.在1.1款-1.3款. 发出基本TEM00模式的准直激光二极管具有1.1款到1.7条而高能多模激光器可以产生10到100倍的M2因子。空间滤波可以提高傅里叶光学的光束质量。最后,附加的光束质量度量包括光束传播因子(K),其中K=1/M2以及光束参数积(BPP),其定义为BPP=M2λ/π=2平方米 非高斯光束 虽然许多激光系统使用的是近高斯光束,但其他激光系统拥有的非高斯光束传播方式不同,空间分布也明显不同(示例见图4)。在某些情况下,激光谐振器发射高阶TEMmn模式的光束。根据谐振腔的几何结构,这些模式在本质上可以是圆柱形的,称为拉盖尔高斯光束或矩形的,称为厄米高斯光束。在其他情况下,激光束被光学系统修改到不能再使用高斯光束分析来近似其轮廓和传输的程度。平顶光束就是这样一个例子,其中光束在其光束宽度上显示出几乎恒定的辐照度(见图4)。考虑到光束轮廓的陡峭边缘,这些光束的直径通常由其半最大宽度(FWHM)值的全宽度来表征,而不是高斯光束使用的HW1/e2半径值。这种平顶光束对于激光材料加工非常重要,在这种加工中,恒定的辐照度可以提供更均匀的材料改性。这些光束的传输非常复杂,在高分辨率显微镜中,当激光束充满聚焦物镜以产生非常小的光斑尺寸时,常常会遇到这种情况。 实验测量的激光束剖面示例 图4:实验测量的光束剖面示例,显示近高斯光束形状(左)、平顶光束(中)和高调制多模光束(右)。 相关主题 激光 激光中的基本光物质相互作用 激光所需组件 激光输出特性 激光器类型 光学传感器 辐射测量 热电堆传感器物理 热释电传感器物理 光电二极管传感器物理 光束特性 LED特性 激光束剖面测量 激光脉冲特性 即使是设计良好的激光系统,其TEM00模也不是理想的高斯光束。M2(“M平方”)分析是为了表征
 
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