RP 系列激光分析設(shè)計(jì)軟件 | 光束質(zhì)量
光束質(zhì)量 Zv!{{XO2;
激光束的光束質(zhì)量是激光束特性的一個(gè)重要方面。它可以以不同的方式定義，但通常被理解為在特定條件下(例如有限的光束發(fā)散度)激光束可以聚焦得多緊的度量。量化光束質(zhì)量最常用的方法是： S#l5y%&
- 光束參數(shù)乘積(BPP)，即束腰處的光束半徑與遠(yuǎn)場(chǎng)光束發(fā)散角的乘積。
- M2 因子，定義為光束參數(shù)乘積除以具有相同衍射極限的高斯光束的相應(yīng)乘積。
BPP 或 M2 因子的低值意味著高光束質(zhì)量。 {?8B,G2r
高光束質(zhì)量意味著平滑的波面(例如，整個(gè)光束剖面具有很強(qiáng)的的相位相關(guān)性)，這樣，用透鏡聚焦光束就能獲得波面為平面的焦點(diǎn)。擾亂的波面(見圖1)使光束聚焦更加困難，在給定光斑大小的情況下，光束發(fā)散會(huì)增大。 CIC[1,
[attachment=121553] 圖1：光束質(zhì)量較差的激光束。與理想的高斯光束相比，波陣面有些混亂，這使得光束更難緊密聚焦。 i$^ ZTb^
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在衍射受限的高斯光束中，M2 可以獲得最高的光束質(zhì)量，其 M2 = 1。許多激光器都能接近這個(gè)值，特別是在單橫向模式下運(yùn)行的的固態(tài)體激光器(→單模工作)和基于單模光纖的光纖激光器，還有一些低功率激光二極管(特別是 VCSELs)。 NXk!qGV2
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另一方面，特別是一些大功率激光器(如固態(tài)體激光器和半導(dǎo)體激光器，如二極管激光器)的 M2 非常大，可以超過100或者甚至遠(yuǎn)高于1000。在固態(tài)激光器中，這通常是由于增益介質(zhì)中熱引起的波面畸變和/或激光晶體中的有效模式面積和泵浦面積不匹配的結(jié)果，而在高功率半導(dǎo)體激光器中，光束質(zhì)量差的原因則是使用了高度多模波導(dǎo)。在這兩種情況下，光束質(zhì)量不佳都與高階諧振器模式的激發(fā)有關(guān)。 B80aw>M
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在衍射受限光束的焦點(diǎn)(束腰)(即光束半徑達(dá)到其最小值的位置)，光波面是平坦的。波面的任何擾動(dòng)，例如，由于質(zhì)量差的光學(xué)元件、透鏡的球面像差、增益介質(zhì)中的熱效應(yīng)、孔徑的衍射或寄生反射，都會(huì)影響波面的質(zhì)量。對(duì)于單色光束，原則上可以通過相位掩膜等方法來恢復(fù)光束質(zhì)量，但在實(shí)際應(yīng)用中通常很難做到，即使在畸變是穩(wěn)定的情況下也是如此。一種更靈活的方法是使用自適應(yīng)光學(xué)與波前傳感器結(jié)合使用。 ~) ]} 91p
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使用非共振模式清潔器或模式清潔器腔可以在一定程度上改善激光光束的光束質(zhì)量。然而，但是，這會(huì)導(dǎo)致光功率的損失。 &^.57]
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激光器的亮度，或者更準(zhǔn)確地說，其輻射度，是由其輸出功率和光束質(zhì)量共同決定的。 N{Qxq>6 G
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注意，“光束質(zhì)量”一詞有時(shí)具有定性含義，與上文討論的聚焦性關(guān)系不大。在某些應(yīng)用中，獲得如高斯形狀的平滑的光束強(qiáng)度曲線是至關(guān)重要的，而光束發(fā)散則無(wú)關(guān)緊要。因此，激光光束的“質(zhì)量”可能無(wú)法用例如下面討論的 M2 來表征:一束光束可能具有相對(duì)小的 M2 值，但光束形狀多峰，而另一種光束可能具有平滑的光束形狀，但發(fā)散度較高，因此 M2 值較大。 K_&MoyJJ9f
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一些激光應(yīng)用，例如光刻，需要對(duì)大面積區(qū)域進(jìn)行均勻照明。在這種情況下，“光束質(zhì)量”可能與本文討論的聚焦性無(wú)關(guān)。因此，人們甚至可能更喜歡空間和時(shí)間相干性較低的光束。 < V&5P3)d9
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光束質(zhì)量的測(cè)量 iCQ>@P]nE
根據(jù) ISO 標(biāo)準(zhǔn)11146，光束質(zhì)量因子 M2 可通過擬合程序計(jì)算，擬合程序適用于測(cè)量到的光束半徑沿傳播軌跡的演變(所謂的焦散線，見圖2)。為了獲得正確的結(jié)果，必須遵守許多規(guī)則，例如，光束半徑的精確定義和數(shù)據(jù)點(diǎn)的放置。 A%bCMP
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[attachment=121554] 圖1:根據(jù)測(cè)量的焦散計(jì)算光束質(zhì)量。 X$n(-65
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黑色數(shù)據(jù)點(diǎn)是擬合過程中使用的的數(shù)據(jù)點(diǎn)，而灰色數(shù)據(jù)點(diǎn)被忽略。(根據(jù) ISO 標(biāo)準(zhǔn)11146，需要均衡選擇數(shù)據(jù)點(diǎn)，其中一些數(shù)據(jù)點(diǎn)靠近束腰，另一些數(shù)據(jù)點(diǎn)離束腰足夠遠(yuǎn)。) [ .,>wo~
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市面上有一些光束輪廓儀，可以在幾秒鐘內(nèi)自動(dòng)進(jìn)行光束質(zhì)量測(cè)量。它們通常以測(cè)量在不同位置的光束輪廓�；诓煌瑴y(cè)量原理的光束輪廓儀，例如 CCD 和 CMOS 相機(jī)或旋轉(zhuǎn)刀口或狹縫，在光束半徑和光功率的允許范圍、波長(zhǎng)范圍、對(duì)偽影的靈敏度等方面有很大差異。例如，狹縫或刀口掃描儀通常可以處理比相機(jī)更高的功率，并能精確地處理近似高斯形狀的光束，而基于相機(jī)的系統(tǒng)通常更適合復(fù)雜的光束形狀。對(duì)于功率隨時(shí)間變化的光束，例如對(duì)于 Q 開關(guān)激光器的輸出，其他問題也開始起作用。這時(shí)有必要使快門與激光脈沖同步。 {MBTP;{*~
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可以使用空間光調(diào)制器來代替通過光束移動(dòng)探測(cè)器，以避免任何移動(dòng)部件。 Dm0a.J v
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另一種測(cè)量方法是通過模式匹配的無(wú)源光學(xué)諧振器或波前傳感器進(jìn)行傳輸，例如 Shack–Hartmann 波前傳感器。這樣，只需要在單個(gè)平面上進(jìn)行分析，就能全面鑒定激光束的特性。 YTaLjITG
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光束質(zhì)量對(duì)應(yīng)用的重要性 a[!%L d
高光束質(zhì)量非常重要，例如當(dāng)需要對(duì)光束進(jìn)行強(qiáng)聚焦時(shí)。在激光材料加工領(lǐng)域，打印、打標(biāo)、切割和鉆孔通常需要高光束質(zhì)量，而焊接、錫焊、淬火和各種其他類型的表面處理在這方面的要求較低，因?yàn)樗鼈冃枰幚磔^大的光斑，因此可以直接使用光束質(zhì)量相對(duì)較差的高功率激光二極管(直接二極管激光器)。 YK#fa2ng
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對(duì)于切割和遠(yuǎn)程焊接，相對(duì)高的光束質(zhì)量(M2 不大于10)使得可以使用較大的工作距離(即工件和聚焦物鏡之間的較大距離)，這一點(diǎn)非常可取，例如可以保護(hù)光學(xué)器件免受碎片和煙霧的影響。此外，高光束質(zhì)量減小了光束傳輸系統(tǒng)中的光束直徑，這樣就可以使用更小且更便宜的光學(xué)元件(例如，反射鏡和透鏡)。此外，有效瑞利長(zhǎng)度的增加(對(duì)于給定的光點(diǎn)尺寸)增加了縱向?qū)?zhǔn)的容差。 t+
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