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用于表征光束质量的几个参数

发布时间:2020-07-22 10:01:21 浏览量:40


随着光领域的快速发展,在一些需要高精度激光应用场景下人们对光束质量的要求越来越高,下面我将介绍一下可以表征光束质量的几个判断方式以及它们的适用性。


1.聚焦光斑尺寸ωf和远场发散角θ

聚焦光斑尺寸ωf衡量光束质量是简单又直观的方法。但是,聚焦光斑大小是与聚焦光学系统有关。聚焦光斑尺寸越小,光束远场发

散角越大,准直距离也越短。因此常用聚焦光斑尺寸导出远场发散角θ这一判断依据。设一聚焦光学系统焦距为f,光阑直径为D,理想情

况下的均匀平面波聚焦后,聚焦光斑(艾里斑)半径为ωf=1.22λf/D,而远场发散角θ=ωf/f。激光远场发散角θ表明了激光不显著发散

开来可传播的距离,与聚焦能量有关,是常用的光束质量判据。 


2.光束质量因子β

光束质量因子β(又称为衍射极限倍数因子)是使用较为广泛的一种激光光束质量评价指标,其定义为实际光束远场发散角θ(上文中的远场发散角)与理想光束远场发散θ角之间的比值,即β=θ/θ


实际光束的β值一般均大于1,β数值越小,光束质量越高(类似于M )。但是运用β评定光束质量时需要忽略不计测量系统造成的衍

射影响,β因子必须与测量光学系统的参数无关,此时它是衡量激光器输出光束质量的一个合理特征参数;且因之可反映实际光束在远

场平面内的能量集中度和可聚焦性,所以β因子同样适用于能量型应用的场合。相对而言β因子很明显的不足在于,因接收激光远场光

的测量设备靶面有限,当激光光束经远距离传输后光束质量退化较为严重时,远场光斑的高阶分量难以探测,此时的β因子无法真实

反映出激光光束高阶弥散所引起的能量损失;且对于不同类型激光器,相应的理想参考光束选取尚存在一定争议。


3.斯特列尔比S 

斯特列尔比S通常指的是峰值斯特列尔比,其定义为实际焦斑处峰值功率I与理想焦斑处峰值功率I的比值。S=I /I ,斯特列尔比S反映的是激光在远场实际焦斑处的峰值功率,可以体现出实际光束远场的聚焦性能,因此被广泛应用于考察波像差影响因素的场合,如大气光学和自适应光学领域;实际光束的S一般小于1,S越接近1,则光束质量越好。值得注意的是,斯特列尔比S 无法给出能量应用型系统所关注的空间光强分布信息。另外斯特列尔比S只能反映光束质量的优劣,对光学系统设计和优化缺乏足够的指导能力。


4.光束传播因子M 

最常用的光束质量评价标准,被国际光学组织和国际标准组织ISO认证的评价参数。光束传播因子M 定义为光束空间束宽积ωθ与理想光束空间束宽积ω θ 之间的比值,公式为M =ωθ/ω θ 。M 因子同时考虑了束宽和远场发散角的变化对激光光束质量的影

响。通常,激光光束在经过理想的光学系统时,空间光束束宽积是不变量,避免了聚焦光斑尺寸或远场发散角评价光束质量的不确定性。(TEM模)高斯光束具有最好的光束质量,即M =1;M 因子越大,实际光束偏离理想高斯光束越远,则光束质量越差。


用M因子评价激光光束质量仍存在许多困难,比如非稳腔型高能激光器输出光束不存在“光腰”的情况、能量分布离散型到靶光束束

宽的二阶矩定义适用性、硬边光阑截断光束质量评价上的适用性等。而且在高能激光系统等能量输送型应用场合,实际光束的远场能量

集中度优劣不能简单的通过其M 因子来进行衡量。


5.环围能量比BQ

环围能量比BQ,也称靶上区域中功率比,定义为理想光束在某一“规范区域”中的环围能量E实际光束在同一区域中的环围能量E之间比值的方根,即BQ= 。环围能量比反映的是远场焦斑上的能量集中度,尤其适合能量输送、耦合型应用场合中的

光束质量评价。对于实际测试光束,BQ≥1,且BQ越接近1则光束质量越好。但单一的区域中能量(功率)对焦斑光强空间分布的描述

有所不足,若取不同的“规范区域”尺寸,对不同输出特性的激光光束质量横向评价会得出截然不同的结论,因此该方式亦需结合具体

目标。


6.光束传输因子BPF

由于单台激光器功率的增加,光束传输因子BPF被引入。它的计算方式为BPF=1.19 ,其中P为实际光束远场焦斑半径1.22λf/D的区域中功率, 为输出光束的总功率;光束传输因子BPF可直接用于定量分析远场靶面上的能量集中度,从而评价高能激光系统输

出光束质量的优劣。其中,参考光束选取为圆形理想均匀平面光束。实际BPF值总小于1,越接近1时光束质量越好,该方法由中国科学

家首次提出,前景良好值得推广。