如何去（可能）测量激光光束质量
摘要
本教程的目标是介绍重要的概念和定义一些常用术语涉及到激光光束质量;简要回顾光束质量的一些定义和测量方法以及相关的一些问题如标准化光束质量测量;最后来表达一些作者的个人见解在这个问题上。“也许”称号本教程的目的是传达,衡量,甚至严格定义,任何一个详尽的测量激光光束质量仍然是一个有争议的一个悬而未决的话题,可能会继续一段时间。
1。背景:一些理想光束配置文件
为了深入了解激光光束质量的概念,让我们考虑三个基本接近理想的激光资料如图1中所示的示例。如果例如近场和远场的统一的狭缝梁由下公式给出
然后我们可以定义一个产品近场远场光束,基于其宽度的一半输入平面和第一次零输出平面上,也就是。
第一个空之间的远场光束在本例中包含84.5%的远场能量一个正方形输入孔。如果我们考虑一个圆形而不是“大礼帽”与近场光束和远场资料给出的
那么近场远场产品基于输入半径和第一个零由光束输出。远场光束在第一个空还包含=总功率的84%。最后,如果我们考虑一个理想TEMo梁与腰和一个横向维度远场资料给出的
然后高斯光斑尺寸的变化是由w(z)和距离。
20是高斯光束腰的位置。表示的近距离和远场波束宽度w,对应于半宽度在l / e2强度,
近场远场产品对于这种情况
这个宽度包含86%的总功率圆高斯光束。
总的结论是,近场和远场光束宽度的乘积的基本接近理想的光束配置文件是由t X乘以一个数值因素的统一,根据波束宽度是如何定义的。大小这个数值的因素可能是作为一个衡量“光束质量(越低更好),因为一个人可以怀疑(和容易证实),不太理想光束配置文件大大大近场远场产品比这些基本的例子。
“高斯函数”
从上述结果，以及关于稳定光谐振器的广泛文献模式，高斯光束可能表现出最好的或最好个激光束的轮廓。这个半正确的想法有时会扩展到更危险的结论是，如果一个人观察到一个好的高斯光束实验室，因此具有近似理想或单模式或TEMo模式激光器。这不是必然的情况作为一个警告示例，图2显示了高精度高斯光束轮廓实际上是一个完全“非高斯高斯”光束。特殊的配置文件，它具有几乎完美的高斯形状，实际上是从不相干的高阶Laguerre-Gaussia模式的叠加，特别是TEMol的44％模式，17％TEMlo，19％TEM11，11％TEM20和6％TEM21绝对没有TEMoo在所有这个光束在传播时将保持几乎完全高斯，但是由于它具有如下定的M〜TZ 3.1的M平方值，它将分歧-3.1倍作为真正的TEMoobeam的距离。
- 基本问题：定义光束宽度
开发有意义的“光束质量”测量用于日常使用的核心问题与真实的，日常的，空间相干或非干的激光束是简单的：什么是给定它的“宽度9”，有意义，实用，容易测量的定义在任何给定平面z处的时间平均强度分布I（x，y） （这里的正确的术语是真的“辐照度”，而不是“强分布”，但是老习惯会死亡。）我们不是在这些讨论中关注光束的相位曲线，即使相位曲线将对波束传播产生重大影响，原因有两个：首先是相位曲线比强度曲线更难测量，更重要的是不连贯或多模光束甚至不具有有意义的固定相分布。
假设在给定平面处的实际光束的横向强度分布看起来像图3所示。正如Mike Sasnett所说：“试图定义一个独特的像这样的不规则光束轮廓的宽度就像试图测量宽度一个使用卡尺棉花球“。可能的波束宽度的定义建议或用于过去的光束包括：宽度（或半宽）首先为空值。方差0，一个或另一个横向的强度分布。l / e或l / e2间隔点的宽度。“D86”直径，含有总光束能量的86％。横刀宽度介于10％-90％或5％-95％之间的集成强度。具有相同峰强度和相同总功率的矩形轮廓的宽度。某种最适合高斯的宽度适合测量的轮廓。任何数量的其他定义。 注意以上定义适用于不同的光束轮廓可以给出非常不同的宽度值，实际上它们中的一些甚至不能应用于某些类型的配置文件。 了解一般在那里也很重要在不同定义产生的度之间没有通用的转换因子;从一个宽度定义到另一个宽度定义的转换取决于（在某些情况下）
强度分布的确切形状。
以单个数字或少量参数表示。 一个原因是给定光束轮廓的“质量”取决于光束的应用意。 是在更基本的层面上，无法甚至定义一个严格的而激光束宽度的普遍测量意味着没有一个通 本教程的主要结论之一是，至少还没有一个普遍适用和普遍有意义的定义激光束质量可用的方法哪个可以评估任意激光器的近场和远场宽度的乘积像我们在第1节中所做的那样，然后使用zX产品前面的标量因子衡量梁的质量。
3第二时刻和M平方法
上述各种波束宽度定义中的方差定义可能最接近普遍和数学上严格的表述。因此，这个定义已经成为所谓的“M-square9”方法的基础用于表征激光束，我们将尝试在本节中解释。 个通过评估光束强度分布I（x，y）的第二时刻开始，跨越矩形坐标x（或者替代地跨y坐标）的形式。
其中xo是梁的重心（它作为一个旁注，在a中严格传播）直线为光束传播）。 然后可以发现这第二时刻服从形式的通用，严格，二次自由空间传播规则
其中o，o是梁腰的方差; 0 0是角扩散的方差光束从腰部离开; 而zo是沿着z的梁腰的位置轴。 最重要的是这种二次传播依赖性成立的事实对于任何实际的激光束，无论是高斯还是非泛型，完全相干或部分非相干，单模或多重横向模式。 而且，在至少只要有人证明，梁宽度的二次依赖性是严格的仅适用于二次宽度，而不是任何其他宽度定义以上所列。 事实上，上面列出的一些宽度定义不仅可以在这里沿着轴是多个最小值或者下降，但是波束宽度可能会不连续沿着梁的某些位置跳跃。
一般光束宽度定义
现在发生的是对于形式为I（z）= exp [-2x2 / wz] EZ的高斯光束轮廓exp [-x2 / 20z]，非常广泛使用的高斯束点尺寸参数w只是两倍方差，即w，20。 因此对于任何任意的，真实的，潜在的非泛音束采用点尺寸或波束宽度定义是方便的。
在这里，我们使用资本W作为任意实际波束的通用波束宽度符号定义与高斯波束参数w一致，用于理想的高斯TEMo梁。 作为一个附注，人们可以发现几乎所有但最病态的光束轮廓具有D FZ 3W或D FZ n W的全宽度或直径的孔2 99％的能量传输通过孔。
然后传播上述定义的基于二阶矩的波束宽度Wx和Wy在自由空间中的距离与理想高斯的高斯斑点大小w（z）完全相同光束，除了在远场扩展中插入M 2增因子的梁。 也就是说，对于任何任意的波束（相干或非相干）和任何选择横轴，可以使用二次矩宽度定义写入
其中Mx和My是特定光束的特征参数。 因此，使用这些定义可以写入用于任意波束的近场远场积形成。
换句话说，参数M：和M i给出任意的“质量”的度量梁在第1节定义的意义上。这些M 2值的一般属性包括：对于任意任意的波束轮廓，M $的值为gt; 1，其极限为仅针对单模TEM高斯光束发生M 2 SE 1M〜值明显地提供了“衍射受限多少倍”的量度实际光束在每个横向上。任意的非扭曲的真实激光束可以被完全表征，至少在这一点上通过六个参数，即Wax，WOy，ZO ,, zoy，M :, M i。
“嵌入高斯”图片
M2参数最有用的特征之一是M 2值及其相关的Wo和t o参数可以直接应用于光束的设计实际激光束的列车如下。 给定光束的M2参数横向方向，可以设想出腰围尺寸的“嵌入高斯”梁并且一般地由点尺寸W（Z）给出
这个嵌入式高斯光束不一定具有任何物理现实，即它是不一定代表真实光束的最低阶模分量。 一罐然而进行光束传播或设计计算，其中传播这一点假设嵌入高斯通过多个透镜和傍轴元件，发现焦点和其他属性的嵌入式高斯。 然后可以实际光束将完全相同地传播通过相同的系统时尚，除了每个平面上的实际光束的点尺寸W（z）将是精确的比假想嵌入高斯的计算的斑点大小w（z）大M倍在系统的每个平面上进行射束。
M 2的实际问题
基于强度分布方差的两倍的实射光束尺寸的概念，并且所得到的M 2参数此非常有用以及在数学上是严格的。然而，与这种方法相关的一些重要的实际问题包含：实际强度曲线的第二时刻可能难以准确测量，因此相关联的波束宽度或M2测量值受到相当大的误差除非仔细完成特别地，如果使用例如CCD进行强度分布测量相机，背景噪声，基线漂移，相机非线性和数字化可以导致测量误差。基于二阶矩的波束宽度定义大大加重了尾部或外部强度分布的翅膀，其中光束强包含在广泛的背景中或“基座”将具有二次矩宽度明显大于其中心叶宽度。 （另一方面，梁与最后，还有一个尚未解决的概念问题与二次方法其中理想化的光束狭缝或顶帽梁，似乎在远（甚至是）有无限的第二时刻在近处）场，因此似乎有无限M 2值。这实际上并不是这样实际光束测量的实际问题，但理想的狭缝光束似乎有一个无限的M 2值是可以理解的混乱。底线是基于方差方法的M 2值是数学上的严格而且绝对有用，但绝对不能讲述整个故事。承认这一点，强烈建议将实际光束的M 2值作为参考值“光束质量”为该光束，但作为光束传播因子于该参数确实给出了一个严格而非常有用的测量方法，即光束如何通过自由传播
确实通过任何类型的近轴光学系统。
4扭绞梁
上一节描述的二次方法和6个束参数给出具有固定组的任何光束的简单和完整的描述的主横轴沿其传播方向。可以参考这样的光束作为“简单散光束9”，腰围尺寸Wo和W然后在z和y腰上测量束尺寸的不对称性;腰部位置，20，并给出了像传统散光这样的措施的梁;而M：和Mz的值表征了什么可以被看作第二个两种横向光束的散光或“发散不对称”方向。上面给出的W，（z）和W，（z）的公式实际上是任何的横梁的横轴z和y轴的选择，尽管6梁的值参数将随坐标系旋转而改变。腰围将会承受但是，它们的最小值将以最大值分隔量，如果坐标轴x和y是hf2值将是最有意义的选择与光束本身的主轴重合。
确实存在更多的一般种类的“twisted9”光束，其中主体相位或强度分布的轴可以作为旋转（“扭转”）180度光束从z = -m传播到 m。作为一种这样的扭转光学的简单示例梁可能会想到由两个相同的TEMoobeams指向并行的梁组成但是在其共同的腰平面上，一个束位于另一个光束之上。现在把水平面的上梁转到右边稍微点一点较低的光束稍微点到左边。结果是强度分布由...组成在腰平面垂直取向但扭转或旋转的两个点顺时针方向，因为它们在z中向前传播（反之亦然传播）从腰部向后）。这种梁还有许多其他更复杂的例子具有强或相位扭曲，或两者一起。这种梁通常需要十个参数将其完全描述为二阶，包括所有的第二时刻交叉矩及其轴向变化。 Nemes的一些文章描述了他们属性更详细。
5表征光束质量的其他方法
认识到与二次方法有关的困难，还有其他问题用于表征激光束的“质量”的二次方法的有用扩展或替代方案？ 第一个答案是，而不是测量第二个时刻从使用CCD相机测量的完光束强度分布或可比较技术，通常更加方便和合理准确地制作刀刃沿横梁的两个横向测量。 原则上可以操纵一个完整且仔细测量的刀刃轮廓来确定第二时刻相当准确地，但是仅测量单刀刃宽度通常是方便的，例如，在10％至90％之间，然后将其转换为近似方差合适的转换公式。
获取关于第二个光束外的光束轮廓的附加信息的一种方式时刻或M2值也是决定所谓的峰度参数在光束轮廓的第四个时刻，并给出关于该轮廓的附加信息光束轮廓的锐度。但实际上，如果是第二个时刻难以准确地确定真正的光束，第四个时刻更是如此。
另一个潜在的光束参数似乎经常被引用，但很少明确定义为Strehl比，基实际波束的轴上（或峰值）远场相对于一些理想光束的相同数量。 不幸的是理想比较光束通常没有明确的识别 - 例如，理想的光束是光束具有相同的强度布，但是单相输出（在这种情况下，Strehl比为对于具有凌乱强度特征的光束来说真的不是一个特别好的测量方法），还是它相同的光束功率均匀分布在激光器的出孔径上可能不是一个特别有意义的比较）？
如果想要超越的话，也许是最有用的表征激光束的方法简单的M2参数并出一个较大的数字集合是给予“权力的桶“（PIB）曲线，即给定束直径或束内分数功率曲线宽度对直径或宽度。 正如我们将在下面的部分中说明的那样即使是完整的光束强度分布，曲线也可以更有信息清楚地显示出中央束叶中的总光束率是多少，光束功率可能分布在弱但大面积的背景中或延伸到远离主梁部分的座。 甚至几个准确沿着这样的PIB曲线的测量点可以显着增加理解的激光束的质量。
6相位阵列和“铲斗中的力量”曲线
激光振荡器越大越强大，一般来说越难实现以单一横向模式振荡，或提供具有良好波束质量的输出光束。因此，特别是考虑到微波相控阵系统并不奇怪，那些经常出现的光学相控阵列 - 其中一个开始的系统一组具有良好的单个光束质量的小到中等尺寸的激光器，然后将这些激光器的输出组合成单个光束，其产总功率阵列具有良好的光束质量每个激光器。
激光振荡器越大越强大，一般来说越难实现以单一横向模式振荡，或提供具有良好波束质量的输出光束。因此，特别是考虑到微波相控阵系统并不奇怪，那些经常出现的光学相控阵列 - 其中一个开始的系统一组具有良好的单个光束量的小到中等尺寸的激光器，然后将这些激光器的输出组合成单个光束，其产生功率阵列具有良好的光束质量每个激光器。
要考虑的情况包括6个单独的TEmo高斯光束，其布置在具有近场强度分的“螺栓孔”波束图案的圆上如图4所示。这不是一个不现实的模型; 高效的大率C 0 2激光器有基本上以这种方式构造，使用布置在围绕中心轴线的风扇
全文共7963字，剩余内容已隐藏，支付完成后下载完整资料
资料编号：[143814]，资料为PDF文档或Word文档，PDF文档可免费转换为Word
以上是毕业论文外文翻译，课题毕业论文、任务书、文献综述、开题报告、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
