О форме профиля пучка лазерного излучения
Профиль пучка лазерного излучения в фокусе безаберрационной линзы исчерпывающим образом характеризует его расходимость и дает возможность конкретизировать ее значение по любому критерию (современные анализаторы используют до 25 критериев расходимости).
Часто высказывается мнение, что наиболее предпочтительным распределением интенсивности пучка является Гауссово, поскольку такому распределению соответствует наивысшее качество пучка.
В этом мнении две неточности. Во-первых, не всегда Гауссово распределение является предпочтительным (особенно с учетом затрат на достижение такого распределения). Во-вторых, не всегда пучок, по форме близко приближающийся к Гауссову, обладает высоким качеством (т.е., способностью к фокусировке). Рассмотрим суть проблемы, приняв Гауссов профиль за основу.
Одномодовый лазер формирует в дальней зоне (и в фокусе линзы) профиль, приближающийся к Гауссову. Отклонение наблюдается обычно в крыльях распределения (если теоретическое Гауссово распределение при движении от центра быстро «уходит в ноль», то практическое «несколько задерживается», что физически объясняется наличием слабого внеосевого излучения). Поэтому параметр качества пучка М2, как правило, и в случае одномодовой генерации несколько превышает значение 1,0. Наличие слабого ореола вокруг пучка делает его более островершинным по сравнению с Гауссовым.
Более того, такой профиль затрудняет однозначную оценку его ширины. Для пояснения сути проблемы приведем два отображения измерителем СИЭПХ-2 результата измерения одного и того же профиля пучка, визуально не отличающегося от Гауссова.
На первом рисунке пучок относительно мал по сравнению с общей областью измерения распределения (площадью интегрирования), а на втором (в результате увеличения в два раза масштаба отображения) он сопоставим с областью измерения (площадью интегрирования).
Как известно, для Гауссова пучка три нижеприведенные оценки его ширины, должны совпадать, однако в данном случае этого не наблюдается. Эти оценки составляют:
Масштаб 1:1 Масштаб 2:1
- по интенсивности по уровню 0,135 ……
- по энергии по уровню 0,865…………
- по второму моменту…………………
Разница в значениях особенно велика для оценок по интенсивности и по второму моменту при Масштабе 1:1 (достигает 1,68 раза). Это объясняется тем, что в данном случае фокальное пятно имеет слабый (визуально не наблюдаемый) ореол, а оценка по второму моменту (т.е. по дисперсиям проекций профиля) наиболее чувствительна к наличию ореола (при определении дисперсии каждая точка распределения входит с весом, пропорциональным квадрату расстояния от центра проекции). Более того, ширина пятна по второму моменту, будучи формально правильной, явно завышена с практической точки зрения (при Масштабе 1:1 эллипс, отображающий размер пятна по данному критерию, охватывает значительную кольцевую область с пренебрежимо малой интенсивностью).
Ширина по второму моменту в наибольшей степени уменьшается при увеличении масштаба, поскольку в этом случае уменьшается также и влияние ореола (его периферийная часть просто оказывается за пределами области обработки).
Оценка ширины пучка по уровню интенсивности, напротив, вообще не зависит от масштаба, поскольку она основана на обработке только точек со значимой интенсивностью, а они в области ореола отсутствуют.
Степень зависимости ширины по уровню энергии от масштаба занимает промежуточное положение.
Что же делать? Стандарт ГОСТ Р ИСО 11146-1-2008 предусматривает использование только ширины пучка, определенной по второму моменту (по дисперсии проекции). При ее определении размеры области обработки (площади интегрирования) должны в 3-5 раз превосходить ширину пучка (вышеприведенный профиль пучка в Масштабе 1:1 примерно соответствует этому требованию).
При определении качества пучка выполнение этих условий, безусловно, оправдано, поскольку использование дисперсии при оценке ширины пучка позволяет избежать погрешностей, обусловленных изменением формы профиля пучка при перемещении вдоль оси. Кроме того, и это, возможно, главное, использование этого критерия позволяет избежать завышения качества пучка.
Что касается расходимости, то на наш взгляд целесообразно оставить возможность оценки ширины пучка и по другим критериям, которые наилучшим образом (с точки зрения разработчика и пользователя) отражают назначение лазера.
Как было замечено, вышеприведенный пучок является более островершинным, чем Гауссов пучок.
Еще более островершинным (и явно, даже визуально, отличающимся от Гауссова по форме) является профиль, характерный для дальней зоны высокоэнергетических лазеров с неустойчивыми резонаторами. В этом случае, как правило, наблюдается мощный острый керн и относительно широкий ореол. При такой форме профиля потребность в специальных критериях оценки ширины фокального пятна для измерения расходимости представляется еще более очевидной.
В заключение отметим, что в обширной практике измерения профиля пучка встречаются случаи, когда все три вышеприведенные оценки диаметра практически совпадают (свидетельствуя о близости распределения к Гауссову) несмотря на генерацию в многомодовом режиме. По-видимому, наличие ореола компенсируется расширением центральной зоны профиля, который в итоге становится менее островершинным. Разумеется, на улучшении качества пучка это никак не сказывается. Большие значения диаметра в перетяжке и расходимости сфокусированного пучка гарантируют большое значение М2, значительно превосходящее дифракционный предел.
