Согласно стандарту ISO 11146 [5], коэффициент M ² можно рассчитать по измеренной эволюции радиуса луча вдоль направления распространения (т. е. по так называемой каустике ). См. статью о качестве луча для более подробной информации. Необходимо соблюдать ряд правил, например. относительно точного определения радиуса луча и деталей процедуры подгонки. Альтернативные методы основаны на датчиках волнового фронта, т.е. Датчики волнового фронта Шака-Хартмана, которые требуют характеристики луча только в одной плоскости.

Обратите внимание, что коэффициент M ² , являющийся одним числом, не может рассматриваться как полная характеристика качества луча. Фактическое качество луча для определенного приложения может зависеть от деталей, которые не фиксируются с помощью такого единственного числа.

Концепция коэффициента M ² позволяет не только количественно оценить качество луча с помощью одного числа, но и предсказать изменение радиуса луча с помощью технически очень простого расширения анализа гауссова луча: просто нужно заменить длину волны на M ² раз больше длины волны во всех уравнениях. Это очень удобно, например, для проектирования оптики накачки лазеров с диодной накачкой. Обратите внимание, однако, что этот метод работает только тогда, когда используется метод D4σ для получения радиуса луча, который также подходит для негауссовых форм луча; см. подробности в стандарте ISO 11146 [5].

Ошибки в

К сожалению, важные детали стандарта ISO 11146 часто не соблюдаются в M ² измерений, в результате чего получаются или даже публикуются неверные M ² значения. Некоторые часто допускаемые ошибки при измерениях на основе каустики луча объясняются следующим:

• Радиус луча измеряется по простому критерию, а не по полному профилю интенсивности, хотя не все профили луча близки к гауссову. Такие простые методы измерения допустимы только для луча, близкого к гауссовой форме. Для других необходимо использовать метод D4σ, основанный на втором моменте распределения интенсивности.
• Луч сфокусирован слишком сильно, поэтому перетяжка луча слишком мала для точного измерения радиуса луча. Например, ПЗС-камера имеет ограниченное пространственное разрешение; его нельзя использовать для точных измерений, если диаметр луча соответствует всего нескольким пикселям.
• Вычитание фона, деликатный вопрос для метода второго момента, выполнено неправильно. Изображения с камеры могут иметь некоторый уровень интенсивности фона, который может либо действительно принадлежать лазерному лучу (и тогда его не следует удалять), либо является артефактом, который необходимо удалить. Если такой фон возникает из-за окружающего света, наиболее надежной мерой является его выключение или тщательное экранирование черной трубкой перед камерой. (Вычитание фиксированного уровня для всех изображений проблематично, поскольку уровни окружающего освещения могут меняться, например, когда кто-то перемещается в комнате.) Проблема фона особенно серьезна, когда размер луча составляет лишь часть чувствительной области камеры.
• Интенсивность луча камеры слишком высокая или слишком низкая. Если оно слишком велико, центральные пиксели могут быть насыщенными, так что интенсивность луча в центре будет занижена, а измеренный радиус луча окажется слишком большим. При слишком низкой интенсивности проблемы с фоном интенсивности могут стать более серьезными.
• Радиусы луча измерены недостаточно далеко от фокуса. Стандарт ISO 11146 требует, чтобы для правильной оценки расходимости луча примерно половина точек измерения находилась на расстоянии более двух эффективных рэлеевских длин от фокуса луча (тогда как другая половина точек находилась близко к фокусу, т. е. в пределах одной длины Рэлея). На практике это может быть затруднительно, когда перетяжка балки делается относительно большой, что приводит к большой длине Рэлея и, соответственно, к большим требованиям к пространству для правильного измерения.

Когда разные приборы выдают разные M ² значения, это может быть вызвано такими ошибками, а не самими приборами.

Расчет

Если комплексное распределение монохроматического поля известно в одной плоскости, перпендикулярной направлению луча, можно вычислить распределение поля в любой другой плоскости численно, а M ² можно получить из этого. В качестве технически более простого решения можно напрямую вычислить M ² из распределения поля в одной плоскости на основе нескольких интегралов [3].

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности. ) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	А. Э. Зигман, «Новые разработки в лазерных резонаторах», Тр. SPIE 1224, 2 (1990), doi: 10.1117/12.18425
[2]	А. Э. Зигман, «Определение, измерение и оптимизация качества лазерного луча», Proc. SPIE 1868, 2 (1993), doi: 10.1117/12.150601
[3]	Х. Йода, П. Полынкин и М. Мансурипур, «Коэффициент качества луча мод более высокого порядка в волокне со ступенчатым показателем преломления», Дж. Технология световых волн. 24 (3), 1350 (2006), doi: 10.1109/JLT.2005.863337
[4]	X. Luo et al. , «Мощность M 2 – значения меньше единицы», Appl. физ. B 98 (1), 181 (2010), doi:10.1007/s00340-009-3623-8
[5]	Стандарт ISO 11146, «Лазеры и оборудование, связанное с лазерами. углы расходимости и коэффициенты распространения луча» (2005)

(предложите дополнительную литературу!)

См. также: характеристика лазерного луча, качество луча, продукт параметра луча, расходимость луча, яркость, яркость, гауссовы лучи, The Photonics Spotlight 2007 -06-11
и другие статьи в рубриках Общая оптика, оптическая метрология

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  rp-photonics.com/m2_factor.html"> 
 Статья о M2 Фактор 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia 

С предварительным изображением (см. рамку чуть выше):

  
  alt="article"> 

Для Википедии, например. в разделе “==Внешние ссылки==”:

 * [https://www.rp-photonics.com/m2_factor.html 
 статья о M2 Factor' в RP Photonics Encyclopedia] 

Качество луча, поясняется энциклопедией RP Photonics; качество лазерного луча, коэффициент М2, стандарт ISO 11146, расходимость, нелинейное преобразование частоты

Качество лазерного луча является важным аспектом характеристики лазерного луча. Его можно определить по-разному, но обычно он понимается как мера того, насколько сильно лазерный луч может быть сфокусирован при определенных условиях (например, при ограниченной расходимости луча). Наиболее распространенные способы количественной оценки качества луча:

• произведение параметра луча (BPP), т. е. произведение радиуса луча в перетяжке луча на угол расхождения луча в дальней зоне
• M ² коэффициент, определяемый как произведение параметра луча, деленное на соответствующее произведение для дифракционно-ограниченного гауссова луча с той же длиной волны

Низкие значения коэффициента BPP или M ² означают высокое качество луча.

Высокое качество луча подразумевает гладкие волновые фронты (т. е. сильную фазовую корреляцию по профилю луча), так что фокусировка луча с помощью линзы позволяет получить фокус с плоскими волновыми фронтами. Скремблированные волновые фронты (см. рис. 1) затрудняют фокусировку луча, т. е. расходимость луча для заданного размера пятна увеличивается.

Максимально возможное качество луча с точки зрения M ² достигается для дифракционно-ограниченного гауссова луча, имеющего M ²  = 1. К этому значению близки многие лазеры, в частности объемные твердотельные лазеры, работающие на одной поперечной моде (→  одномодовый режим ) и волоконными лазерами на основе одномодовых волокон, а также некоторыми маломощными лазерными диодами (в частности, VCSEL). С другой стороны, в частности, некоторые мощные лазеры (например, объемные твердотельные лазеры и полупроводниковые лазеры, такие как диодные линейки) могут иметь очень большое значение M ² , превышающее 100 или даже значительно превышающее 1000. В твердотельных лазерах это часто является результатом термически индуцированных искажений волнового фронта в усиливающей среде и/или несоответствия эффективной площади моды и площади накачки в лазерном кристалле, тогда как в мощных полупроводниковых лазерах плохое качество луча является результатом Работа с многомодовым волноводом. В обоих случаях плохое качество пучка связано с возбуждением высших мод резонатора.

Расчет качества луча

Внимание: Кнопки не работают, так как в вашем браузере отключен Javascript!

В фокусе (перетяжке) дифракционно-ограниченного луча (т. е. в месте, где радиус луча достигает своего минимума) оптические волновые фронты плоские. Любое скремблирование волновых фронтов, т.е. из-за оптических компонентов низкого качества сферические аберрации линз, тепловые эффекты в усиливающей среде, дифракция на апертурах или паразитные отражения могут ухудшить качество луча. Для монохроматических лучей качество луча в принципе может быть восстановлено, т.е. с фазовой маской, которая точно компенсирует искажения волнового фронта, но на практике это обычно затруднительно, даже в тех случаях, когда искажения стационарны. Более гибкий подход заключается в использовании адаптивной оптики в сочетании с датчиком волнового фронта.

Можно до некоторой степени улучшить качество лазерного луча с помощью нерезонансного очистителя мод или резонатора с очистителем мод. Это, однако, приводит к некоторой потере оптической силы.

Яркость лазера, точнее его излучение, определяется его выходной мощностью и качеством луча.

Обратите внимание, что термин качество луча иногда используется с качественным значением, которое имеет мало общего с фокусируемостью, как обсуждалось выше. Для некоторых применений жизненно важно получить гладкий профиль интенсивности луча, например. гауссовой формы, а расходимость пучка не представляет интереса. Тогда «качество» лазерного луча может быть не охарактеризовано, т. е. с M ² как описано ниже: один луч может иметь относительно маленькое M ² значение, но многовершинный профиль луча, в то время как другой луч может иметь гладкую форму луча, но высокую расходимость и, следовательно, большое М ² значение.

Для некоторых применений лазера, таких как литография, требуется равномерное освещение большой площади. Если термин «качество луча» появляется в этом контексте, он может не иметь ничего общего с фокусируемостью, как обсуждается в этой статье. Тогда можно даже предпочесть лучи с довольно низкой пространственной и временной когерентностью.

Измерение качества луча

В соответствии со стандартом ISO 11146 коэффициент качества луча M ² можно рассчитать с помощью процедуры подгонки, применяемой к измеренному изменению радиуса луча вдоль направления распространения (так называемая каустик , см. рис. 2). Для корректных результатов необходимо соблюдать ряд правил, т. е. относительно точного определения радиуса луча и размещения точек данных.

Существуют коммерчески доступные профилировщики луча, которые могут автоматически выполнять измерения качества луча в течение нескольких секунд. Обычно они основаны на измерении профиля луча в различных положениях. Профилировщики луча, основанные на различных принципах измерения, т.е. ПЗС- и КМОП-камеры или вращающиеся режущие кромки или щели значительно различаются по допустимым диапазонам радиуса луча и оптической мощности, диапазону длин волн, чувствительности к артефактам и т. д. Например, щелевые или остроконечные сканеры обычно могут работать с большей мощностью, чем камеры, и могут быть точными для лучей почти гауссовской формы, тогда как системы на основе камер обычно больше подходят для сложных форм лучей. Другие проблемы вступают в игру для лучей с изменяющейся во времени мощностью, например. на выходе лазеров с модуляцией добротности. Затем может потребоваться синхронизация затвора с лазерными импульсами.

Вместо перемещения детектора по лучу можно использовать пространственный модулятор света, чтобы избежать движущихся частей [8].

Альтернативные методы измерения основаны на передаче через пассивный оптический резонатор с согласованными модами или на датчиках волнового фронта, т.е. Датчики волнового фронта Шака-Гартмана. Полная характеристика лазерного луча требует анализа только в одной плоскости.

Важность качества луча для приложений

Высокое качество луча может быть важным, например когда требуется сильная фокусировка луча. В области лазерной обработки материалов печать, маркировка, резка и сверление часто требуют высокого качества луча, тогда как сварка, пайка, закалка и различные другие виды обработки поверхности менее критичны в этом отношении, поскольку они работают с большими пятнами, так что прямое применение мощных лазерных диодов со сравнительно плохим качеством пучка ( прямые диодные лазеры ). Для резки и дистанционной сварки относительно высокое качество луча (при M ² ненамного больше 10) позволяет использовать большое рабочее расстояние (т. е. большое расстояние между заготовкой и фокусирующим объективом), что весьма желательно напр. для защиты оптики от мусора и дыма. Кроме того, высокое качество луча уменьшает диаметр луча в системе доставки луча, так что можно использовать меньшие и, следовательно, более дешевые оптические элементы (например, зеркала и линзы). Кроме того, увеличенная эффективная длина Рэлея (для заданного размера пятна) увеличивает допуск на продольное выравнивание.

Большое рабочее расстояние, ставшее возможным благодаря высокому качеству луча, также важно для конструкции лазеров с диодной накачкой, когда луч накачки должен пройти через различные элементы оптики (например, дихроичное зеркало), прежде чем достичь лазерного кристалла.

Очень высокое (близкое к дифракционному) качество пучка, связанное с высокой пространственной когерентностью, часто требуется для интерферометров, оптической регистрации данных, лазерной микроскопии и т. п.

Лазеры с синхронизацией мод всегда должны иметь высокое качество пучка, так как возбуждение поперечных мод более высокого порядка нарушит процесс формирования импульса.

Типичное качество луча некоторых лазеров

Как правило, качество луча не определяется типом лазера, но существуют некоторые типичные тенденции:

• Большинство маломощных твердотельных лазеров с диодной до дифракционно-ограниченного) качества луча.
• То же самое относится к различным газовым лазерам, таким как гелий-неоновые лазеры и CO ₂ лазеры.
• Некоторые мощные твердотельные лазеры имеют низкое качество луча, главным образом потому, что сильные тепловые эффекты в лазерном кристалле приводят к искажению луча. Кроме того, в конструкции может быть компромисс между высоким качеством луча и высокой энергоэффективностью или высоким качеством луча и низкой чувствительностью юстировки.
• Маломощные лазерные диоды обычно имеют довольно высокое качество луча, тогда как мощные лазерные диоды в основном всегда имеют низкое качество луча. По сути, это связано с тем, что большие мощности требуют больших излучающих апертур, что делает используемые волноводы очень многомодовыми. (Числовая апертура не может быть сильно уменьшена.)

Оптимизация качества лазерного луча

Решающими факторами для получения высокого качества луча объемного твердотельного лазера являются:

• оптимизированная конструкция резонатора с подходящей площадью моды (особенно в усиливающей среде) и низкой чувствительностью к тепловым линзам
• хорошее выравнивание резонатора
• сводит к минимуму тепловые эффекты, особенно тепловые линзы в усиливающей среде
• высококачественные оптические компоненты (особенно в отношении усиливающей среды)
• оптимизированное распределение интенсивности накачки (иногда требуется источник накачки с хорошим качеством луча) – легче достигается при торцевой накачке, чем при боковой накачке

Качество луча в нелинейной оптике

Качество луча является проблемой не только для лазеров, но и для нелинейного преобразования частоты. В то время как тепловая линза в нелинейных кристаллических материалах возникает только при очень высоких средних уровнях мощности (поскольку нагрев происходит только за счет слабого паразитного поглощения), на качество пучка могут влиять другие эффекты:

• Пространственное отклонение может пространственно сместить взаимодействующие лучи, так что перекрытие станет слабее, а взаимодействие станет пространственно асимметричным.
• Для сильного преобразования, например. в удвоителе частоты или оптическом параметрическом усилителе может быть сильное обеднение луча накачки вблизи оси луча или даже обратное преобразование, что в крайних случаях приводит к ярко выраженным кольцевым структурам. Управление усилением может сделать такие проблемы более серьезными. Было показано, что проблемы с качеством луча ограничивают масштабируемость мощности устройств нелинейного преобразования частоты с высоким коэффициентом усиления [5].
• Для ультракоротких импульсов несоответствие групповой скорости и другие эффекты могут даже привести к тому, что качество луча будет зависеть от времени.

Кроме того, использование лазерного луча плохого качества в устройстве нелинейного преобразования частоты может значительно ухудшить эффективность преобразования.

Эффекты качества луча в нелинейной оптике можно исследовать с помощью численных компьютерных моделей, которые могут моделировать эволюцию пространственных (и, возможно, временных) профилей задействованных лучей.

Поставщики

В Руководстве покупателя RP Photonics указаны 25 поставщиков устройств для измерения качества луча. Среди них:

Femto Easy

Femto Easy предлагает различные типы профилировщиков луча BeamPro с различными характеристиками:

• Профилировщики BeamPro с малыми пикселями доступны с размерами пикселей от 1,45 мкм до 3 мкм. Они подходят для измерения сфокусированных лазерных лучей диаметром до 10 мкм и менее.
• Профилографы большой площади BeamPro подходят для лазерных лучей диаметром более 7 м и даже до 25 мм без дополнительной оптики.
• Компактный профилировщик Beampro имеет толщину менее 15 мм, что позволяет профилировать балку в небольших помещениях.
• Профилировщики квадратного формата BeamPro доступны с самым широким набором квадратных датчиков, предлагая идеальное сочетание маленьких пикселей, большой площади и глобального затвора в одном устройстве.
• Профилометры BeamPro SWIR доступны с широким диапазоном датчиков SWIR на основе InGaAs для измерения лазерных лучей в диапазоне 900–1700 нм.

Все они поставляются с мощным и удобным программным обеспечением.

DataRay

Продукты DataRay предлагают несколько способов измерения качества луча: M ² Измерения в соответствии с ISO 11146 могут быть выполнены с помощью камеры для профилирования луча или сканирующего щелевого профилировщика луча Beam’R2, установленного на трансляционном столике M2DU.

Gentec Electro-Optics

BEAMAGE-M2 — это автоматизированная система измерения качества лазерного луча. Это единственная система M ² на рынке, оснащенная полным комплектом 50-мм оптики. Также датчик имеет размеры 11,3 × 11,3 мм.

В комплект поставки входят два зеркала для управления лучом для быстрого и простого выравнивания лазера в системе. Внутренние зеркала выровнены на заводе, а предустановленная высота также упрощает выравнивание.

Низкопрофильная гениальная механика позволяет легко разместить устройство на любом оптическом столе.

Расчеты полностью соответствуют стандартам ISO 11146 и 13694.

Проведите полное измерение в соответствии со стандартами ISO всего за 20 секунд с функцией ROI и менее чем за минуту с полнокадровым захватом.

В простом в использовании программном обеспечении доступны как автоматические, так и ручные настройки, поэтому точки данных можно добавлять или удалять даже после завершения автоматического сканирования.

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете задать вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о принятии на основе определенных критериев. По существу, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы удалили его в ближайшее время. (См. также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личную обратную связь или консультацию от автора, свяжитесь с ним, например. по электронной почте.

Ваш вопрос или комментарий:

Проверка на спам:

  (Пожалуйста, введите сумму тринадцати и трех в виде цифр!)

Отправляя информацию, вы даете свое согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если вы позже отзовете свое согласие, мы удалим эти материалы.) Поскольку ваши материалы сначала просматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1]	Стандарт ISO 11146, «Лазеры и связанное с ними оборудование. Методы испытаний ширины лазерного луча, углов расхождения и коэффициентов распространения луча» (2005)
А. Э. Зигман, “Новые разработки в лазерных резонаторах”, Тр. SPIE 1224, 2 (1990), doi: 10.1117/12.18425
[3]	А. Э. Зигман, «Определение, измерение и оптимизация качества лазерного луча», Proc. SPIE 1868, 2 (1993), doi:10.1117/12.144597
[4]	Т. Ф. Джонстон мл., «Распространение луча ( M 2 ) измерение максимально простое: метод четырех разрезов», заявл. Опц. 37 (21), 4840 (1998), doi:10.1364/AO.37.004840
[5]	G. Arisholm et al. , «Пределы масштабируемости мощности оптических параметрических генераторов и усилителей с высоким коэффициентом усиления», J. Opt. соц. Am.B 21 (3), 578 (2004), doi:10.1364/JOSAB.21.000578
[6]	Р. Пашотта, «Ухудшение качества луча лазеров, вызванное внутрирезонаторными искажениями луча», Опт. Express 14 (13), 6069 (2006), doi:10.1364/OE.14.006069
[7]	Е. Перевезенцев и др. , “Сравнение критериев качества лазерного луча с фазовой аберрацией”, Заявл. Опц. 46 (5), 774 (2007), doi:10.1364/AO.46.000774
[8]	C. Schulze et al. , «Измерения качества луча с использованием пространственного модулятора света», Опт. лат. 37 (22), 4687 (2012), doi:10.1364/OL.37.004687
[9]	The Photonics Spotlight 2020-09-30: радиус луча и качество луча лазерных импульсов

(предложить дополнительную литературу!)

, дифракция -ограниченные лучи, гауссовы лучи, M ² фактор, радиус луча, расходимость луча, произведение параметров луча, яркость, профилировщики луча, тепловое линзирование, конструкция резонатора, очистители мод, формирователи луча, The Photonics Spotlight 2007-04-01 , В центре внимания фотоники 11 июня 2007 г., В центре внимания фотоники 04 марта 2008 г.
и другие статьи в категории общая оптика

Автором этой энциклопедии является доктор Рюдигер Пашотта, основатель и исполнительный директор RP Photonics AG. Как насчет индивидуального курса обучения от этого выдающегося эксперта в вашем регионе? Свяжитесь с RP Photonics, чтобы узнать, как его технические консультационные услуги (например, дизайн продукта, решение проблем, независимые оценки, обучение) и программное обеспечение могут стать очень ценными для вашего бизнеса!

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем сайте, в социальных сетях, на дискуссионном форуме, в Википедии), вы можете получить необходимый код здесь.

HTML-ссылка на эту статью:

  
 Статья о качестве луча 
 в  
 RP Photonics Encyclopedia 

С изображением для предварительного просмотра (см.