光束质量

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光束质量

定义:衡量激光光束的聚焦程度

激光光束的光束质量具有多个定义,通常被用来衡量激光光束在特定情况下(例如,有限的光束发散角的情况下)聚焦的程度。常用的量化光束质量的方法有: — 光束参数乘积(BPP),也就是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与其相同波长的衍射极限高斯光束的BPP的比值 — M2的倒数,光束质量很高时这一值很大

光束质量高代表波前平滑,因此采用透镜对光束聚焦时,当波前是平面时得到焦点。图1中的波前形状很难聚焦,也就是给定光斑大小的光束发散角变大了。

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图1:光束质量比较差的激光光束,该光束很难聚焦。

衍射极限高斯光束的光束质量最好,这时M2 = 1。许多激光器的光束都接近这一值,尤其是单横向模式(参阅单模工作)的固态体激光器和采用单模光纤光纤激光器,或者一些低功率激光二极管(尤其是VCSELs)。但是有些高功率激光器(例如,固态体激光器和半导体激光器,例如二极管激光阵列)的 M2值高达100甚至超过1000,这通常是由于增益介质中热效应引起的波前畸变或者激光晶体有效模式面积和泵浦面积不匹配,而高功率半导体激光器中光束质量差是由于采用了多模波导。而上面的情形中,光束质量差通常与高阶共振模式被激发有关。

聚焦衍射极限光束时(也就是该处光束半径为最小值),光波前是平的。由于光学元件质量差引起的波前不规则,例如透镜组的球形象差,增益介质的热效应,圆孔衍射或者寄生反射灯,都会使光束质量变差。对于单色光束,利用相位掩膜完全补偿波前畸变理论上可以保持光束质量,但是实际中非常困难,即使畸变是稳态的也是如此。可以采用更灵活的方案,将自适应光学与波前传感器相结合。

采用非共振的模清洁器或者模清洁腔可以提高激光光束的光束质量。但是这会损失部分光功率。

激光器的亮度由输出功率和光束质量决定。

有时光束质量被定性的用于某些地方,表示的意义与之前描述的聚焦程度关系很小。有些应用中,需要得到非常平滑的光束强度截面,例如高斯型,这时不需要考虑光束发散角。光束的质量不需要采用之前采用的 M2,光束可以具有相对比较小的 M2值但是同时具有多个峰值,而也有光束具有非常平滑的光束形状但是发散角很大,因此 M2值很大。


目录

测量光束质量

根据ISO标准11146,可以采用拟合过程计算光束质量因子 M2,应用于测量光束在传输方向上光束半径的变化(如图2)。为了得到正确结果,在光束半径的严格定义和数据点的位置选取时,需要遵守一些规则。

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图2:根据测量的焦散面计算得到的光束质量。黑色的数据点是用来拟合曲线的点,忽略了灰色的数据点。(根据ISO标准11146,需要平均选取数据点,有些位于焦点附近,而其他的点则离焦点有一段距离)

商用的光束分析仪可以在几秒内自动测量光束质量。仪器是测量不同位置处的光束剖面来得到光束质量的。采用不同原理的光束分析仪,例如,采用CCD和CMOS相机或者旋转刀边或旋转刀缝,在允许的光束半径范围,光功率,波长范围等方面是不同的。例如,缝或者刀边扫描仪可以扫描比相机系统更高的功率,对于近高斯型光束测量很准确,而采用相机系统更适用于复杂波形。如果光束功率随时间变化则会产生其它的问题,例如,调Q激光器的输出光。这时需要用一个快门与激光脉冲同步。

为了消除移动部件对系统的影响,可以采用空间光调制器[8],而不需要移动探测器。

另外的测量方法包括:采用光束通过模式匹配的被动光振荡器后的透射光测量,或者采用波前传感器,例如,Shack-Hartmann传感器。此时分析激光光束只需要分析某一平面的波前面即可。


应用中光束质量的重要性

当需要紧聚焦光束时,高的光束质量非常必要。在激光材料加工、印刷、标记、切割和钻探中需要很高的光束质量,而焊接和其它表面处理则相对不太需要很高的光束质量,因为它们采用的光斑较大,因此可以采用光束质量稍差的高功率激光二极管。激光切割和远程焊接中,需要光束质量相对较高(M2值不要大于10)用于较大工作距离(也就是工件与聚焦目标之间距离),这样是为了保护光学元件避免烟雾和损伤。在光束传输系统中,光束质量高可以减小光束直径,这样可以采用更小更便宜的光学元件(例如,镜子棱镜)。还有,增大有效瑞利长度(给定光斑大小)可以提高纵向对准允差。

光束质量高可以允许工作距离比较大,这在设计二极管泵浦激光器时也非常重要,因为泵浦光束在进入激光器晶体前需要通过很多光学元件(例如,二向色镜)。

干涉仪、光学数据记录、激光显微镜等类似领域通常需要很高的光束质量(近于衍射极限)和高空间相干性

锁模激光器需要具有很高的光束质量,因为高阶纵向模式的激发会干扰脉冲形成过程。


一些激光器的光束质量

通常来讲,光束质量不依赖于激光器类型,但是也存在一些规律: — 大多数低功率二极管泵浦固态激光器的光束质量很高(接近衍射极限)。 — 许多气体激光器与上相同,例如氦氖激光器二氧化碳激光器。 — 一些高功率固态激光器的光束质量很差,主要是因为激光器晶体的强热学效应引起光束畸变。另外,需要在高光束质量和高功率效率之间权衡,或者高光束质量和低对准灵敏度之间。 — 低功率激光二极管通常具有比较高的光束质量,而高功率激光二极管的光束质量则比较差。这主要是因为功率高需要辐射孔径大,因此采用的波导具有多个模式。(不能减小数值孔径


优化激光光束质量

为了得到高光束质量的固态体激光器,关键因素为: — 优化谐振腔设计得到合适的模式面积(尤其是在增益介质中)和对热透镜效应的低灵敏度 — 谐振腔对准 — 将热效应最小化,尤其是增益介质中的热透镜效应 — 高质量光学元件(尤其是增益介质) — 优化的泵浦强度分布(有时需要泵浦光源光束质量比较高),采用端泵浦边泵浦更简单


非线性光学中的光束质量

不仅激光器中需要考虑光束质量,非线性频率转换中也需要考虑。由于只有当平均功率很高时,非线性晶体材料中才存在热透镜效应(因为只有弱寄生吸收产生热),还存在其它效应会影响光束质量: — 空间游走会使相互作用光束发生偏移,因此交叠变小,相互作用在空间上不对称。 — 在倍频或者光参量放大器等强频率转换过程中,在光束轴向的泵浦光束存在很强的损耗甚至会背向转换,极限情况下会形成明显的环形结构。增益导引会使这一问题更加严重。光束质量问题会限制高增益非线性频率转换装置的功率扩展性[5]。 — 对于超短脉冲群速度失配和其它效应甚至会使光束质量随时间变化。

在非线性频率转换装置中,如果采用的激光的光束质量很差会极大的降低转换效率。 非线性光学中光束质量的影响可以采用一些数值模型来研究,表征光束空间分布(甚至随时间的分布)的变化情况。


参考文献

[1] ISO Standard 11146, “Lasers and laser-related equipment – Test methods for laser beam widths, divergence angles and beam propagation ratios” (2005)

[2] A. E. Siegman, “New developments in laser resonators”, Proc. SPIE 1224, 2 (1990)

[3] A. E. Siegman, “Defining, measuring, and optimizing laser beam quality”, Proc. SPIE 1868, 2 (1993) [4] T. F. Johnston Jr., “Beam propagation (M2) measurement made as easy as it gets: the four-cuts method”, Appl. Opt. 37 (21), 4840 (1998)


[5] G. Arisholm et al., “Limits to the power scalability of high-gain optical parametric oscillators and amplifiers”, J. Opt. Soc. Am. B 21 (3), 578 (2004)


[6] R. Paschotta, “Beam quality deterioration of lasers caused by intracavity beam distortions”, Opt. Express 14 (13), 6069 (2006)


[7] E. Perevezentsev et al., “Comparison of phase-aberrated laser beam quality criteria”, Appl. Opt. 46 (5), 774 (2007)


[8] C. Schulze et al., “Beam-quality measurements using a spatial light modulator”, Opt. Lett. 37 (22), 4687 (2012)



参阅:衍射极限光束高斯光束M2因子光束半径光束发散角光束参数乘积亮度光束分析仪热透镜谐振腔设计模清洁器波束成形器