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光束质量——测量激光束聚焦的好坏

时间:2021-08-03 来源:新特光电 访问量:1019

激光束的光束质量是激光束表征的一个重要方面。它可以用不同的方式来定义,但一般理解为如何紧密地一个量度激光束能够聚焦在某些条件下(例如用在有限的光束发散)。量化光束质量的最常见方法是:

  • 光束参数乘积(BPP),即光束束腰处的光束半径与远场光束发散角的乘积

  • M2因子,定义为光束参数乘积除以具有相同波长的衍射受限高斯光束的相应乘积

BPP或M2因子的低值意味着高光束质量。

高光束质量意味着平滑的波前(即横过光束轮廓的强相位相关性),因此用透镜聚焦光束允许人们获得波前为平面的焦点。加扰波前使光束聚焦更加困难,即给定光斑尺寸的光束发散增加。

光束质量差的激光束

光束质量差的激光束。与理想的高斯光束相比,波前有些混乱,这使得光束更难以紧密聚焦。

在最高可能的光束质量M2为实现受衍射限制 的高斯光束中,具有M2=1这个值是密切由许多激光器接近,特别是通过固态 散装激光器上的单个横向工作模式(→单模操作)和基于单模光纤的光纤激光器,还有一些低功率激光二极管(特别是VCSEL)。另一方面,特别是一些高功率激光器(例如固态体激光器和半导体激光器,如二极管条) 可以具有超过100甚至远高于1000的非常大的M2。在固态激光器中,这通常是增益介质中热致波前畸变和/或有效模式面积不匹配和激光晶体中的泵浦区域,而在高功率半导体激光器中,较差的光束质量是由于使用高度多模波导而导致的。在这两种情况下,较差的光束质量都与高阶 谐振腔模式的激发有关。

在衍射受限光束的焦点

在衍射受限光束的焦点(束腰)(即,在光束半径达到其最小值的位置),光学波前是平坦的。波前的任何干扰(例如,由于质量差的光学元件、透镜的球面像差、增益介质中的热效应、孔径衍射或寄生反射)都可能破坏光束质量。对于单色光束,原则上可以恢复光束质量,例如使用相位掩模精确补偿波前畸变,但这在实践中通常很困难,即使在畸变是静止的情况下也是如此。一种更灵活的方法是将自适应光学与波前传感器结合使用。使用非共振模式清洁器或模式清洁器腔在一定程度上可以改善激光束的光束质量。然而,这会导致一些光功率损失。激光器的亮度,或者更准确地说,它的辐射度,是由其输出功率和光束质量共同决定的。

请注意,术语光束质量有时具有定性含义,这与上面讨论聚焦性几乎没有关系。对于某些应用,获得平滑的光束强度分布(例如高斯形状的光束强度分布)至关重要,而光束发散度并不重要。激光束的“质量”可能不具有如下所述的M2特征:一个光束可能具有相对较小的M2值,但具有多峰光束轮廓,而另一个光束可能具有平滑的光束形状,但具有较高的发散度,因此具有较大的M2值。

一些激光应用,如光刻,需要大面积的均匀照明。如果术语光束质量出现在该上下文中,则它可能与本文中讨论的可聚焦性无关。人们甚至可能更喜欢具有相当低的空间和时间相干性的波束。

光束质量的测量

根据ISO标准11146,光束质量因子M2可以通过拟合程序计算,应用于光束半径沿传播方向的测量演变(所谓的焦散)。为了获得正确的结果,必须遵守许多规则,例如关于光束半径的精确定义和数据点的放置。

根据测得的焦散计算光束质量

根据测得的焦散计算光束质量。黑色数据点是用于拟合过程的数据点,而灰色点则被忽略。(根据ISO标准11146,需要平衡选择数据点,其中一些靠近束腰,另一些距离束腰足够远。)

市面上有一些光束分析仪,可以在几秒钟内自动执行光束质量测量。它们通常基于对不同位置的光束轮廓的测量。基于不同测量原理的光束轮廓仪,例如CCD和CMOS相机或旋转刀刃或狭缝,在光束半径和光功率的允许范围、波长范围、对伪影的敏感度等方面差异很大。例如,狭缝或刀口扫描仪通常可以处理比相机更高的功率,并且可以精确地接近高斯形状光束,而基于相机的系统通常更适合复杂的光束形状。对于功率随时间变化的光束,例如对于Q开关激光器的输出,其他问题也会产生影响。然后可能需要使快门与激光脉冲同步。可以使用空间光调制器来避免任何移动部件而不是通过光束移动探测器。替代测量方法基于通过模式匹配的无源光学谐振器或波前传感器的传输。激光束的完整特性只需要在单个平面上进行分析。

光束质量对应用的重要性

例如,当需要强聚焦光束时,高光束质量可能很重要。在激光材料加工领域,印刷、打标、切割和钻孔通常需要高光束质量,而焊接、钎焊、硬化和各种其他类型的表面处理在这方面不太重要,因为它们处理的光斑较大,因此可以直接应用光束质量相对较差的高功率激光二极管(直接二极管激光器)。对于切割和远程焊接,相对较高的光束质量(M2≤10) 可以使用大工作距离(即工件和聚焦物镜之间的大距离),这是非常需要的,例如为了保护光学器件免受碎屑和烟雾的影响。此外,高光束质量会降低光束传输系统中的光束直径,从而可以使用更小、更便宜的光学元件(例如反射镜和透镜)。此外,增加的有效瑞利长度(对于给定的光斑尺寸)增加了纵向对准的容差。

当泵浦光束在到达激光晶体之前必须通过各种光学部件(例如分色镜)时,高光束质量使大工作距离成为可能,这对于二极管泵浦激光器的设计也很重要。干涉仪、光学数据记录、激光显微镜等通常需要非常高(接近衍射极限)的光束质量,以及高空间相干性。锁模激光器必须始终具有高光束质量,因为高阶横模的激发会干扰脉冲形成过程。

某些激光器的典型光束质量

一般来说,光束质量不是由激光器的类型决定的,但有一些典型的趋势:

  • 大多数低功率二极管泵浦 固态激光器表现出高(接近衍射极限)光束质量。

  • 这同样适用于各种气体激光器,例如氦氖激光器和CO2激光器

  • 一些高功率 固态激光器的光束质量较差,主要是因为激光晶体中的强烈热效应会导致光束失真。此外,在高光束质量和高功率效率或高光束质量和低对准灵敏度之间可能存在设计权衡。

  • 低功率激光二极管通常具有较高的光束质量,而高功率激光二极管基本上总是具有较差的光束质量。本质上,这是因为高功率需要大的发射孔径,这使得所使用的波导高度多模。(数值孔径不能大幅降低。)

优化激光束质量

从固态体激光器获得高光束质量的关键因素是:

  • 优化的谐振器设计,具有合适的模式面积(特别是在增益介质中)和对热透镜的低敏感性

  • 良好的谐振器对准

  • 最小化的热效应,尤其是从热透镜中的增益介质

  • 高质量的光学元件(特别是关于增益介质)

  • 优化的泵浦强度分布(有时需要具有良好光束质量的泵浦源)——端泵浦比侧泵浦更容易实现

非线性光学中的光束质量

光束质量不仅是激光器的问题,也是非线性频率转换的问题。而热透镜在非线性晶体的材料仅在非常高的平均功率电平(因为只有通过寄生吸收发生弱加热)发生时,光束质量可受到其他效果:

  • 空间走离可以在空间上移动相互作用的光束,使重叠变弱,相互作用在空间上变得不对称。

  • 对于强转换,例如在倍频器或光学参量放大器中,在光束轴附近可能存在泵浦光束的强烈耗尽甚至反向转换,在极端情况下会导致明显的环形结构。增益引导会使此类问题更加严重。光束质量问题已被证明会限制高增益非线性频率转换设备的功率可扩展性。

  • 对于超短脉冲,群速度失配和其他效应甚至会导致与时间相关的光束质量。

此外,在非线性频率转换设备中使用光束质量较差的激光束会显着破坏转换效率。

可以使用数值计算机模型研究非线性光学中的光束质量效应,该模型可以模拟所涉及光束的空间(也可能是时间)轮廓的演变。

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