[激光原理与应用-62]:激光器 - 光学 - 怎样测量光斑和光束质量?
目录
一、概述
二、光强分布
三、光束直径
四、光束相机
五、M²因子测量
六、束腰以及大小
七、发散角
八、正态分布/高斯分布
其他概念
一、概述
激光的直径和光强度分布可通过光束轮廓分析仪测量,但为了判定光束质量,还需要加上M²测量扩展套件,两者组合能沿传播方向扫描光束并采集多个光斑直径而算出M²数值。
光斑是光束在平面上的投影。
二、光强分布
激光谐振腔中的光强分布通过横模表征,而理想的激光器发射TEM00基模高斯光束,它具有最低阈值、最小束腰和最小发散角,并且输出光束的横向强度轮廓没有分瓣。
高阶模的效率更低,而且束腰和发散角更大,尤其容易出现在高功率激光中。实际光束是混模的,包含TEM00模和高阶模。
其它重要的光束形状可从高斯光束变换。
三、光束直径
表达光束直径的常用定义有三种:
第一种是半高宽(FWHM),它以最高光强点为中心,在强度降低50%的两个点之间测量光束直径。对于高斯光束,在此计算宽度范围内包含约76%的功率。
第二种是1/e²光束直径,一般采用机械式光束分析仪测量高斯光束。对于高斯光束,FWHM光束直径的1.7倍等于1/e²光束直径。
第三种是D4σ直径是ISO11146标准中推荐用于任意光束的,包括高阶模光束。这种方法测量整个光束的轮廓特征,需要注意补偿背景光。
四、光束相机
光束相机能测量任意光束轮廓,不过由于高灵敏传感芯片,可能需要衰减才能防止饱和甚至损坏仪器,而且测量时要做背景光补偿。为了计算强度轮廓,每个像素的电流根据三维坐标系统处理,光束直径根据ISO11146推荐的D4σ方法计算。
相机式光束分析仪的优点是没有运动部件,而且能测量任何光束轮廓,包括高阶横模,甚至能同时测量多束激光。不过,它们一般基于硅探测器,工作波长只有UV到NIR范围,而且需要处理数据量更大。
Thorlabs新一代相机式光束分析仪(BP207系列)采用被动制冷的500万像素黑白CMOS芯片;具有双倍成像面积的1200万像素版本也在研发中。它安装了六位置滤光片转轮,提供最高60 dB衰减。
五、M²因子测量
为了测量准直光束的M²因子,需要使光束聚焦并在焦点前后扫描。直接的方法是把光束分析仪装在位移台上沿光路运动,采集多个点上的X和Y直径,由此确定束腰并根据实际与理想光束的参量积之比算出M²因子。
这种装置既占空间,还要让光束分析仪运动,特别是对于狭缝式分析仪,这还可能引入额外的测量噪声。因此,Thorlabs M²测量系统设计使用折叠光路:光束分析仪固定在设备的输出端口,聚焦透镜位于输入端口,使用两个转向镜使光束通过闭光的外壳。两个反射镜都装在精密位移台上,可以移动光束的聚焦位置,逐点测量光束直径。
六、束腰以及大小
光束半径最小的位置。
激光光束的束腰指的是光束传播方向上光束半径最小的地方。
这个地方的光束半径成为束腰半径。
七、发散角
光束发散角是用来衡量光束从束腰向外发散的程度。
在自由空间光通信的应用中需要非常小的光束发散角。
具有非常小发散角的光束,例如光束半径在很长的传输距离内接近常数,被称为准直光束(近似直线)。
由于波动性,光束中存在一些发散是不可避免的(假设光在各向同性介质中传输)。紧聚焦光束的发散角更大。如果一个光束发散角远大于物理上决定的发散角,那么光束就具有很差的光束质量。
八、正态分布/高斯分布
其他概念
束腰(beam waist) | 联合光科
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