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      1. 光束質量——測量激光束聚焦的好壞

        時間:2021-08-03 來源:新特光電 訪問量:1160

        激光束的光束質量是激光束表征的一個重要方面。它可以用不同的方式來定義,但一般理解為如何緊密地一個量度激光束能夠聚焦在某些條件下(例如用在有限的光束發散)。量化光束質量的最常見方法是:

        • 光束參數乘積(BPP),即光束束腰處的光束半徑與遠場光束發散角的乘積

        • M2因子,定義為光束參數乘積除以具有相同波長的衍射受限高斯光束的相應乘積

        BPP或M2因子的低值意味著高光束質量。

        高光束質量意味著平滑的波前(即橫過光束輪廓的強相位相關性),因此用透鏡聚焦光束允許人們獲得波前為平面的焦點。加擾波前使光束聚焦更加困難,即給定光斑尺寸的光束發散增加。

        光束質量差的激光束

        光束質量差的激光束。與理想的高斯光束相比,波前有些混亂,這使得光束更難以緊密聚焦。

        在最高可能的光束質量M2為實現受衍射限制 的高斯光束中,具有M2=1這個值是密切由許多激光器接近,特別是通過固態 散裝激光器上的單個橫向工作模式(→單模操作)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VCSEL)。另一方面,特別是一些高功率激光器(例如固態體激光器和半導體激光器,如二極管條) 可以具有超過100甚至遠高于1000的非常大的M2。在固態激光器中,這通常是增益介質中熱致波前畸變和/或有效模式面積不匹配和激光晶體中的泵浦區域,而在高功率半導體激光器中,較差的光束質量是由于使用高度多模波導而導致的。在這兩種情況下,較差的光束質量都與高階 諧振腔模式的激發有關。

        在衍射受限光束的焦點

        在衍射受限光束的焦點(束腰)(即,在光束半徑達到其最小值的位置),光學波前是平坦的。波前的任何干擾(例如,由于質量差的光學元件、透鏡的球面像差、增益介質中的熱效應、孔徑衍射或寄生反射)都可能破壞光束質量。對于單色光束,原則上可以恢復光束質量,例如使用相位掩模精確補償波前畸變,但這在實踐中通常很困難,即使在畸變是靜止的情況下也是如此。一種更靈活的方法是將自適應光學與波前傳感器結合使用。使用非共振模式清潔器或模式清潔器腔在一定程度上可以改善激光束的光束質量。然而,這會導致一些光功率損失。激光器的亮度,或者更準確地說,它的輻射度,是由其輸出功率和光束質量共同決定的。

        請注意,術語光束質量有時具有定性含義,這與上面討論聚焦性幾乎沒有關系。對于某些應用,獲得平滑的光束強度分布(例如高斯形狀的光束強度分布)至關重要,而光束發散度并不重要。激光束的“質量”可能不具有如下所述的M2特征:一個光束可能具有相對較小的M2值,但具有多峰光束輪廓,而另一個光束可能具有平滑的光束形狀,但具有較高的發散度,因此具有較大的M2值。

        一些激光應用,如光刻,需要大面積的均勻照明。如果術語光束質量出現在該上下文中,則它可能與本文中討論的可聚焦性無關。人們甚至可能更喜歡具有相當低的空間和時間相干性的波束。

        光束質量的測量

        根據ISO標準11146,光束質量因子M2可以通過擬合程序計算,應用于光束半徑沿傳播方向的測量演變(所謂的焦散)。為了獲得正確的結果,必須遵守許多規則,例如關于光束半徑的精確定義和數據點的放置。

        根據測得的焦散計算光束質量

        根據測得的焦散計算光束質量。黑色數據點是用于擬合過程的數據點,而灰色點則被忽略。(根據ISO標準11146,需要平衡選擇數據點,其中一些靠近束腰,另一些距離束腰足夠遠。)

        市面上有一些光束分析儀,可以在幾秒鐘內自動執行光束質量測量。它們通?;趯Σ煌恢玫墓馐喞臏y量?;诓煌瑴y量原理的光束輪廓儀,例如CCD和CMOS相機或旋轉刀刃或狹縫,在光束半徑和光功率的允許范圍、波長范圍、對偽影的敏感度等方面差異很大。例如,狹縫或刀口掃描儀通??梢蕴幚肀认鄼C更高的功率,并且可以精確地接近高斯形狀光束,而基于相機的系統通常更適合復雜的光束形狀。對于功率隨時間變化的光束,例如對于Q開關激光器的輸出,其他問題也會產生影響。然后可能需要使快門與激光脈沖同步??梢允褂每臻g光調制器來避免任何移動部件而不是通過光束移動探測器。替代測量方法基于通過模式匹配的無源光學諧振器或波前傳感器的傳輸。激光束的完整特性只需要在單個平面上進行分析。

        光束質量對應用的重要性

        例如,當需要強聚焦光束時,高光束質量可能很重要。在激光材料加工領域,印刷、打標、切割和鉆孔通常需要高光束質量,而焊接、釬焊、硬化和各種其他類型的表面處理在這方面不太重要,因為它們處理的光斑較大,因此可以直接應用光束質量相對較差的高功率激光二極管(直接二極管激光器)。對于切割和遠程焊接,相對較高的光束質量(M2≤10) 可以使用大工作距離(即工件和聚焦物鏡之間的大距離),這是非常需要的,例如為了保護光學器件免受碎屑和煙霧的影響。此外,高光束質量會降低光束傳輸系統中的光束直徑,從而可以使用更小、更便宜的光學元件(例如反射鏡和透鏡)。此外,增加的有效瑞利長度(對于給定的光斑尺寸)增加了縱向對準的容差。

        當泵浦光束在到達激光晶體之前必須通過各種光學部件(例如分色鏡)時,高光束質量使大工作距離成為可能,這對于二極管泵浦激光器的設計也很重要。干涉儀、光學數據記錄、激光顯微鏡等通常需要非常高(接近衍射極限)的光束質量,以及高空間相干性。鎖模激光器必須始終具有高光束質量,因為高階橫模的激發會干擾脈沖形成過程。

        某些激光器的典型光束質量

        一般來說,光束質量不是由激光器的類型決定的,但有一些典型的趨勢:

        • 大多數低功率二極管泵浦 固態激光器表現出高(接近衍射極限)光束質量。

        • 這同樣適用于各種氣體激光器,例如氦氖激光器和CO2激光器。

        • 一些高功率 固態激光器的光束質量較差,主要是因為激光晶體中的強烈熱效應會導致光束失真。此外,在高光束質量和高功率效率或高光束質量和低對準靈敏度之間可能存在設計權衡。

        • 低功率激光二極管通常具有較高的光束質量,而高功率激光二極管基本上總是具有較差的光束質量。本質上,這是因為高功率需要大的發射孔徑,這使得所使用的波導高度多模。(數值孔徑不能大幅降低。)

        優化激光束質量

        從固態體激光器獲得高光束質量的關鍵因素是:

        • 優化的諧振器設計,具有合適的模式面積(特別是在增益介質中)和對熱透鏡的低敏感性

        • 良好的諧振器對準

        • 最小化的熱效應,尤其是從熱透鏡中的增益介質

        • 高質量的光學元件(特別是關于增益介質)

        • 優化的泵浦強度分布(有時需要具有良好光束質量的泵浦源)——端泵浦比側泵浦更容易實現

        非線性光學中的光束質量

        光束質量不僅是激光器的問題,也是非線性頻率轉換的問題。而熱透鏡在非線性晶體的材料僅在非常高的平均功率電平(因為只有通過寄生吸收發生弱加熱)發生時,光束質量可受到其他效果:

        • 空間走離可以在空間上移動相互作用的光束,使重疊變弱,相互作用在空間上變得不對稱。

        • 對于強轉換,例如在倍頻器或光學參量放大器中,在光束軸附近可能存在泵浦光束的強烈耗盡甚至反向轉換,在極端情況下會導致明顯的環形結構。增益引導會使此類問題更加嚴重。光束質量問題已被證明會限制高增益非線性頻率轉換設備的功率可擴展性。

        • 對于超短脈沖,群速度失配和其他效應甚至會導致與時間相關的光束質量。

        此外,在非線性頻率轉換設備中使用光束質量較差的激光束會顯著破壞轉換效率。

        可以使用數值計算機模型研究非線性光學中的光束質量效應,該模型可以模擬所涉及光束的空間(也可能是時間)輪廓的演變。

        Femto Easy BeamPro光束輪廓儀

        Femto Easy是一家專門從事超快測量的公司。在高能超短脈沖的生產和表征方面擁有豐富的專業知識,為超快激光器提供穩健可靠的測量設備,這些設備已在多個最先進的實驗室中使用。Femto Easy 提供各種不同規格的BeamPro光束輪廓儀,允許對激光束進行整體光強分布測量,不僅檢索光束直徑和位置,還檢索光束的完整形狀。

        Easy BeamPro 光束輪廓儀

        Femto Easy BeamPro光束輪廓儀

        BeamProCompact光束輪廓儀厚度僅為12.5毫米,適用于190至1100nm的波長和大至12mm的光束。還有用于聚焦光束測量的像素小至1.67μm 的高分辨率型號,因此,它可以輕松集成到大多數復雜環境中。

        BEAMPROONE-INCH光束輪廓儀采用大傳感器尺寸,是具有最大可用測量區域的特殊型號,能夠測量直徑達25毫米的光束。

        BeamProSWIR光束輪廓儀基于InGaAs傳感器,因此可以測量900-1700nm范圍內的光束。它具有集成的熱電冷卻功能,可提高低照度應用中的靈敏度。

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