光束质量
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激光束的光束质量是激光束特性的一个重要方面。它可以以不同的方式定义,但通常被理解为在特定条件下(例如有限的光束发散度)激光束可以聚焦得多紧的度量。量化光束质量最常用的方法是:
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- 光束参数乘积(BPP),即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除以具有相同衍射极限的高斯光束的相应乘积。
y>cmKE BPP 或 M2 因子的低值意味着高光束质量。
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高光束质量意味着平滑的波面(例如,整个光束剖面具有很强的的相位相关性),这样,用透镜聚焦光束就能获得波面为平面的焦点。扰乱的波面(见图1)使光束聚焦更加困难,在给定光斑大小的情况下,光束发散会增大。
jUR# 图1:光束质量较差的激光束。与理想的高斯光束相比,波阵面有些混乱,这使得光束更难紧密聚焦。
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.fh?=B[o# 在衍射受限的高斯光束中,M2 可以获得最高的光束质量,其 M2 = 1。许多
激光器都能接近这个值,特别是在单横向模式下运行的的固态体激光器(→单模工作)和基于单模
光纤的光纤激光器,还有一些低功率激光二极管(特别是 VCSELs)。
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z%& 另一方面,特别是一些大功率激光器(如固态体激光器和
半导体激光器,如二极管激光器)的 M2 非常大,可以超过100或者甚至远高于1000。在固态激光器中,这通常是由于增益介质中热引起的波面畸变和/或激光晶体中的有效模式面积和泵浦面积不匹配的结果,而在高功率半导体激光器中,光束质量差的原因则是使用了高度多模波导。在这两种情况下,光束质量不佳都与高阶谐振器模式的激发有关。
lnC Wu@{ MJ/%$ 在衍射受限光束的焦点(束腰)(即光束半径达到其最小值的位置),光波面是平坦的。波面的任何扰动,例如,由于质量差的
光学元件、透镜的球面像差、增益介质中的热效应、孔径的衍射或寄生反射,都会影响波面的质量。对于单色光束,原则上可以通过相位掩膜等方法来恢复光束质量,但在实际应用中通常很难做到,即使在畸变是稳定的情况下也是如此。一种更灵活的方法是使用自适应光学与波前
传感器结合使用。
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N[bf.5T 使用非共振模式清洁器或模式清洁器腔可以在一定程度上改善激光光束的光束质量。然而,但是,这会导致光功率的损失。
-r'seb5 KJJb^6P48W 激光器的亮度,或者更准确地说,其辐射度,是由其输出功率和光束质量共同决定的。
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