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激光束质量因子M2的概念及测量的方法
激光束质量因子M2的概念及测量的方法
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???? 1988年,A.E.Siegman利用无量纲的量——光束质量因子 M2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。 M2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M2的概念
???? M2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:
M2=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
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/e2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)
(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。双曲线拟合公式如下:
D2=A+BZ+CZ2
(7)
D2x=Ax+BxZ+CxZ2
(8)
D2y=Ay+ByZ+CyZ2
(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)确定双曲线模拟公式,由公式(10),(11)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M2评价激光束的质量具有重要特点: 1.M2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.M2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M2因子不变。 利用M2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M2就不适用。尽管如此,M2因子仍不失为一种较为完善、合理的光束质量的评价标准。
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