Качество лазерного пучка. Пример измерения.
В советской практике качество лазерного пучка стандартами не регламентировалось и, как правило, оценивалось «в дифракциях». Например, выражение «в пучке три дифракции» означало, что расходимость пучка в три раза больше дифракционной. При этом подразумевалось, что расходимость исследуемого пучка уже «очищена» от геометрической составляющей, поскольку в противном случае «количество дифракций» могло быть чрезмерно большим и давать явно заниженную оценку качества пучка. Оценка дифракционной расходимости производилась с использованием модели идеального излучателя с соответствующей выходной апертурой. В частности, для излучателя с круглой апертурой со значением диаметра пучка на выходной апертуре лазера D и длиной волны λ дифракционная расходимость определялась по формуле:
В пределах этого угла (первого темного кольца на картине Эйри) содержится 84% полной энергии излучения.
Что касается расходимости, то она измерялась по уровню интенсивности 0,135 (1/е2) от максимальной, исходя из тех соображений, что в пределах этого угла (по крайней мере для Гауссова пучка ) содержится практически такая же доля (86,5%) энергии.
Современные международные стандарты явно тяготеют к рекомендациям для исследований преимущественно Гауссовых пучков и группируются, в основном, вокруг двух оценок качества: ВРР и М2 .
ВРР ( beam parameter product - произведение параметров пучка), определяется как произведение диаметра пучка в перетяжке на полный угол раходимости излучения (мм мрад). (Примечание: В некоторых источниках параметр ВРР определяют как произведение радиуса пучка в перетяжке на половину угла расходимости, т.е. величину в четыре раза меньшую. Поэтому, с целью исключения ошибки, лучше уточнить, что имеется в виду).
На практике измерение ВВР проводят с помощью фокусировки пучка безаберрацонной линзой.
Чем ВРР меньше, тем лучше качество пучка, т.е. тем под меньшим углом (на большем расстоянии) его можно собрать в меньшее по размеру пятно.
Оба сомножителя должны измеряться по второму моменту. ВРР явно зависит от длины волны и в дифракционном пределе равен 4λ/π .(два луча предельно высокого -дифракционного качества с длинами волн 10,6 мкм и 1,064 мкм по параметру ВРР отличаются на порядок -13,5 мм мрад для первого и 1,355 мм мрад для второго).
Параметр М2 , также называемый параметром распространения пучка , в соответствии со стандартом ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008 является наиболее используемым при проведении сопоставительного анализа различных лазеров. Его значение определяется путем деления параметра ВРР на дифракционный предел 4λ/π. Таким образом, снимается зависимость параметра качества пучка от длины волны и он становится безразмерной величиной, показывающей во сколько раз он больше параметра дифракционно-ограниченного пучка с этой же длиной волны. Таким образом, М2 позволяет выразить расходимость пучка с диаметром перетяжки d следующим образом:
При дифракционной расходимости М2 , естественно, равен 1,0.
Измерение параметров качества пучка не составляет труда, когда применяются анализаторы его профиля (например, приборы СИПХ-1, СИЭПХ, СИЭПХ-2 и другие, использующие регистратор РИЦ822). Рассмотрим этот процесс (в соответствии со стандартом ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008) на конкретном практическом примере для случая, когда с помощью безаберрационной линзы была создана искусственная перетяжка излучателя с длиной волны λ=532 нм (см. рисунок).
Сначала (с помощью пробных отсчетов диаметра пучка) была найдена область перетяжки и сделано несколько отсчетов диаметра пучка dП в этой области (отсчеты 4,5,6 в таблице, приведенной на рисунке).
Затем анализатор был смещен от области перетяжки ближе к линзе примерно на длину Рэлея ZR, т.е. в ту область, где диаметр пучка увеличивается в √2 по сравнению с областью перетяжки, и сделано также несколько отсчетов диаметра (отсчеты 1,2,3 в таблице).
Затем анализатор был смещен от области перетяжки дальше от линзы примерно на длину Рэлея ZR и сделаем последние отсчеты диаметра (отсчеты 7,8,9 в таблице).
Полученные результаты измерений диаметра пучка вместе с расстояниями от базовой плоскости (например, от задней главной плоскости линзы), на которых эти отсчеты произведены, были занесены в электронную таблицу Excel (см. рисунок). Им соответствуют зеленые точки на графике.
Затем были вычислены квадраты значений диаметров (синие точки на графике) и построена для них красная линия тренда (полиномиальная, второго порядка, т.е парабола) с отображением ее уравнения, как показано на рисунке.
Исходя из того, что зависимость квадрата диаметра пучка вдоль трассы описывается формулой:
d2=a+bz+cz2
значения коэффициентов a, b, c были определены по линии тренда.
Затем были вычислены (см. рисунок):
- расходимость сфокусированного пучка (именно сфокусированного, а не поступающего на линзу):
- диаметр пучка в перетяжке:
- значение М2 :
- значение ВРР.
Примечания:
1.Используемый анализатор, в общем случае, должен измерять диаметр пучка по вторым моментам (по дисперсиям проекций), поскольку изменение формы распределения от перетяжки к зоне Рэлея может внести существенную погрешность. Кроме того, и это, возможно, главное, использование этого критерия при определении ширины пучка позволяет избежать завышения качества пучка.
2. В случае, если пучок обладает существенным астигматизмом (т.е. фокусировка в двух взаимно перпендикулярных плоскостях осуществляется на различных расстояниях от линзы) анализатор должен обеспечивать возможность определения параметров качества пучка для по отдельности для каждой плоскости.
3. Для уменьшения погрешности измерений параметров качества пучка, число отсчетов во всех областях может быть увеличено по сравнению с приведенным примером (Стандартом ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008 рекомендуется общее число измерений диаметра пучка не менее 10).
