光學(xué)理論必備：激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)
瀏覽次數(shù)：1351 發(fā)布于：2023-04-26
激光光束質(zhì)量是激光器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，是從質(zhì)的方面來(lái)評(píng)價(jià)激光的特性。但是，較長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，對(duì)光束質(zhì)量一直沒(méi)有確切的定義，也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法，對(duì)科研和應(yīng)用都帶來(lái)了不便。
1988年，A.E.Siegman引入了一個(gè)無(wú)量綱的量-光束質(zhì)量因子參數(shù)，較科學(xué)合理地描述了激光光束質(zhì)量，并被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標(biāo)準(zhǔn)草案采納，激光光束質(zhì)量因子的研究和測(cè)量也成為近幾年研究的熱點(diǎn)。
常用來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的方法有:
原衍射極限倍數(shù)因子、斯特列爾比、環(huán)圍能量比、M2因子或其倒數(shù)K因子(光束傳輸因子),各種光束質(zhì)量的定義對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用目的,所反映光束質(zhì)量的側(cè)重點(diǎn)也不同。光束質(zhì)深圳市華聯(lián)歐國(guó)際貿(mào)易有限公司是歐美工業(yè)備品備件一站式服務(wù)商，貨源充足，型號(hào)齊全，質(zhì)量可靠，售后服務(wù)佳。專(zhuān)業(yè)原裝行貨，正品保證，歡迎來(lái)電咨詢(xún)!所有產(chǎn)品售后有質(zhì)保，并且有終身免費(fèi)技術(shù)指導(dǎo)。我們有專(zhuān)業(yè)的客服團(tuán)隊(duì)，24小時(shí)進(jìn)行服務(wù)。下面是深圳華聯(lián)歐小編精心為大家推薦的產(chǎn)品科普一下光學(xué)理論必備：激光光束質(zhì)量評(píng)價(jià)，如果您喜歡可以繼續(xù)閱讀詳細(xì)瀏覽一下去看看了解一下吧，關(guān)注收藏我們網(wǎng)址，每天為大家推送更多的干貨!
激光光束質(zhì)量是激光器的一個(gè)重要技術(shù)指標(biāo)，是從質(zhì)的方面來(lái)評(píng)價(jià)激光的特性。但是，較長(zhǎng)時(shí)期以來(lái)，對(duì)光束質(zhì)量一直沒(méi)有確切的定義，也未建立標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量方法，對(duì)科研和應(yīng)用都帶來(lái)了不便。
1988年，A.E.Siegman引入了一個(gè)無(wú)量綱的量-光束質(zhì)量因子參數(shù)，較科學(xué)合理地描述了激光光束質(zhì)量，并被國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織1991年的ISO/TC172/SC9/WG1標(biāo)準(zhǔn)草案采納，激光光束質(zhì)量因子的研究和測(cè)量也成為近幾年研究的熱點(diǎn)。
常用來(lái)評(píng)價(jià)光束質(zhì)量的方法有:
原衍射極限倍數(shù)因子、斯特列爾比、環(huán)圍能量比、M2因子或其倒數(shù)K因子(光束傳輸因子),各種光束質(zhì)量的定義對(duì)應(yīng)于不同的應(yīng)用目的,所反映光束質(zhì)量的側(cè)重點(diǎn)也不同。光束質(zhì)量的好壞,應(yīng)視具體的應(yīng)用目的作出評(píng)價(jià)。
光束質(zhì)量是從質(zhì)的方面來(lái)評(píng)價(jià)激光的特性,對(duì)激光器設(shè)計(jì)、制造、檢測(cè)、應(yīng)用等有重要作用。探討如何完善光束質(zhì)量因子的普適性,分析影響光束質(zhì)量的因素,并進(jìn)行控制,具有重要意義。
對(duì)于分析遠(yuǎn)程激光測(cè)距和激光測(cè)高的精度來(lái)說(shuō)，測(cè)距光束質(zhì)量檢測(cè)是其中重要的環(huán)節(jié)，特別是光束的能量分布狀況以及發(fā)散角和束寬的大小，對(duì)測(cè)距回波的影響較明顯，而激光光束質(zhì)量因子比較能反映測(cè)距激光的質(zhì)量，提高測(cè)量的精度。
原衍射極限倍數(shù)因子定義為被測(cè)實(shí)際光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角與理想光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的比值,其表達(dá)式為
遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)射角θ用漸近線(xiàn)公式θ=limz→∞/w(z)z,確定w(z)為光斑寬度,z為光斑所對(duì)應(yīng)的位置。在旁軸近似和光闌孔徑衍射可忽略情況下 ,自由空間中光束寬度w(z)滿(mǎn)足如下傳輸方程:
w2(z)=w20+(M2)2〔λ/(πw0)〕2(z-z0)2 (2)
式中z0為束腰w0所在位置。對(duì)理想高斯光束,光斑寬度w(z)用光強(qiáng)max值1/e2處的寬度來(lái)定義,在所定義的光斑尺寸內(nèi)含有高斯光束總功率的86.5%。
原衍射極限倍數(shù)因子β主要適用于評(píng)價(jià)剛從激光器諧振腔發(fā)射出的激光束,能較合理地評(píng)價(jià)近場(chǎng)光束質(zhì)量,它是描述激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的靜態(tài)性能指標(biāo),并沒(méi)有考慮大氣對(duì)激光的散射,湍流和熱暈等作用。
在激光對(duì)抗武器系統(tǒng)中,β主要由激光武器系統(tǒng)出射光束的βL和經(jīng)過(guò)光束定向器的光束βD決定,便有
它為高能激光武器系統(tǒng)的光束質(zhì)量提供了評(píng)價(jià)依據(jù)。
β值的測(cè)量依賴(lài)于光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角的準(zhǔn)確測(cè)量,由于激光本身的因素和在激光束傳輸過(guò)程中眾多因素的影響,使得遠(yuǎn)場(chǎng)光束的強(qiáng)度分布中含有較多的高階空間頻率分量,強(qiáng)激光經(jīng)衰減后用CCD接收測(cè)量光斑寬度的辦法,很難探測(cè)到光斑的高階分量,相對(duì)的空間強(qiáng)度分布很難反映出光斑的高階分量,所得的β值不能真實(shí)反映由于高階彌散引起的能量損失。它的準(zhǔn)確測(cè)量要求對(duì)探測(cè)系統(tǒng)較高,不適合于評(píng)價(jià)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓馐?/section>
環(huán)圍能量比,也稱(chēng)靶面上(或桶中)功率比,定義為規(guī)定尺寸內(nèi)理想光斑環(huán)圍能量(或功率)與相同尺寸內(nèi)實(shí)際光斑環(huán)圍能量(或功率)的比值的方根。其表達(dá)式為
BQ值是針對(duì)能量輸送、耦合型應(yīng)用,結(jié)合光束在目標(biāo)上的能量集中度進(jìn)行遠(yuǎn)場(chǎng)光束質(zhì)量的評(píng)價(jià)。
BQ值區(qū)別于β值的是它包含了大氣的因素,是從工程應(yīng)用,破壞效應(yīng)的角度描述光束質(zhì)量的綜合性指標(biāo),是激光武器系統(tǒng)受大氣影響的動(dòng)態(tài)指標(biāo)。BQ值把光束質(zhì)量和功率密度直接聯(lián)系在一起,是能量集中度的反映,對(duì)強(qiáng)激光與目標(biāo)的能量耦合和破壞效應(yīng)的研究有著非常實(shí)際的意義。
單一的桶對(duì)光強(qiáng)的空間分布描述有所不足,而且必須明確理想光束的選取,從工程應(yīng)用角度,用較為簡(jiǎn)單、實(shí)用的辦法,選取與激光武器發(fā)射系統(tǒng)主鏡尺寸相當(dāng)?shù)膶?shí)心平面波作為理想光束。
對(duì)于“硬破壞”激光武器,規(guī)范尺寸要盡可能的小,要求較高的峰值功率密度,規(guī)范尺寸以發(fā)射系統(tǒng)主鏡的主徑尺寸D對(duì)應(yīng)的衍射極限尺寸較合適,它所含能量為系統(tǒng)發(fā)射總能量的84%,對(duì)于“軟殺傷”激光武器,要求靶面范圍內(nèi)有較高的能量份額,較高的平均功率密度,規(guī)范尺寸可選為破壞目標(biāo)的尺寸。
BQ值常用不同限孔能量測(cè)量法以及能對(duì)空間絕對(duì)能量分布測(cè)量的探測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)量,要求具備可直接接收高能激光的強(qiáng)光陣列探測(cè)器或靶盤(pán)儀。
它是常用于評(píng)價(jià)強(qiáng)激光光束質(zhì)量的方法,但由于高功率激光器,例如氟化氫(HF),氟化氘(DF)和氧碘化學(xué)激光器(COIL),一般采用非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),輸出光束不是高斯光束,衡量非穩(wěn)腔激光器產(chǎn)生激光束的質(zhì)量,有一些不確定之處。
斯特列爾比定義為實(shí)際光束軸上的遠(yuǎn)場(chǎng)峰值光強(qiáng)與具有同樣功率、位相均勻的理想光束軸上的峰值光強(qiáng)之比。其表達(dá)式為:
式中,Δ-激光光束的波像差,λ-激光波長(zhǎng)。斯特列爾比因子反映了遠(yuǎn)場(chǎng)軸上的峰光強(qiáng),它取決于波前誤差,能較好地反映光束波前畸變對(duì)光束質(zhì)量的影響。
常應(yīng)用于大氣光學(xué)中,主要用來(lái)評(píng)價(jià)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)光束質(zhì)量的改善性能。
斯特列爾比SR對(duì)高能激光武器系統(tǒng)自適應(yīng)光學(xué)修正效果的評(píng)價(jià)有重要作用。高能激光武器系統(tǒng)主要包括高能激光器和光束定向器兩大分系統(tǒng)。
當(dāng)高能激光武器系統(tǒng)有自適應(yīng)光學(xué)修正時(shí),僅從激光器出射光束的光束質(zhì)量、光束定向器出射口光束質(zhì)量以及高能激光到達(dá)靶面的光束質(zhì)量還不足以反映自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)高能激光在能量空間輸運(yùn)中光束質(zhì)量的改善,還需要對(duì)光束進(jìn)行自適應(yīng)修正前后的光束質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。
采用SR從相位角度反映光束質(zhì)量,能較好地反映自適應(yīng)系統(tǒng)對(duì)波前畸變的修正性能。通過(guò)對(duì)自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)和閉環(huán)條件下SR的測(cè)量和對(duì)比,可分析自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)的工作性能,定義
上式可以反映自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)對(duì)波前畸變的矯正效果。自適應(yīng)光學(xué)系統(tǒng)在閉環(huán)工作條件下,也存在抖動(dòng)的問(wèn)題,光束的抖動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響光束的質(zhì)量。
通過(guò)對(duì)影響光束質(zhì)量的主要因素進(jìn)行分析,采用零點(diǎn)反饋補(bǔ)償法和補(bǔ)償波前畸變的方法對(duì)光束質(zhì)量控制有重要實(shí)用意義。但Strehl比只反映遠(yuǎn)場(chǎng)光軸上的峰光強(qiáng),不能給出能量應(yīng)用型所關(guān)心的光強(qiáng)分布。
此外,它只能粗略地反映光束質(zhì)量,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中不能提供非常有用的指導(dǎo)。
激光光束質(zhì)量M2因子被國(guó)際光學(xué)界所公認(rèn)并由國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO)予以推薦。M2因子克服了常用光束質(zhì)量評(píng)價(jià)方法的局限,用M2因子作為評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)激光器系統(tǒng)進(jìn)行質(zhì)量監(jiān)控及輔助設(shè)計(jì)等具有十分重要的意義。
M2因子評(píng)價(jià)方法常用于低功率激光器產(chǎn)生光束截面上光強(qiáng)分布為連續(xù)的激光光束。由于采用光束的二階矩定義束寬,對(duì)測(cè)量?jī)x器要求較高。
在亮度公式中,用激光束腰直徑來(lái)表示光源發(fā)光面積ΔS=14λd2o,用激光束遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散角來(lái)表示光源發(fā)射立體角ΔΨ=14πθ2f,并把d0θf積用M2因子表示出來(lái),則激光束亮度公式就可表示:B=PΔS·ΔΨ=P(M2)2·λ2(21)這樣,激光束的特征就可以用功率、波長(zhǎng)、光束質(zhì)量幾個(gè)參數(shù)表示出來(lái),光束質(zhì)量M2因子是表征激光束亮度高、空間相干性好的本質(zhì)參數(shù)。
將光場(chǎng)在空域及頻域的分布來(lái)表示光束質(zhì)量M2因子,即M2=4πσsσsv,便可知道M2因子能夠反映光場(chǎng)的強(qiáng)度分布與相位分布的特性〕。相對(duì)其它評(píng)價(jià)方法來(lái)說(shuō),M2因子能較好地反映光束質(zhì)量的實(shí)質(zhì),具有較強(qiáng)的普適性,并且積分地反映了光強(qiáng)的空間分布。
M2因子不適合于評(píng)價(jià)高能激光的光束質(zhì)量,高能激光的諧振腔一般是非穩(wěn)腔,輸出的激光光束不規(guī)則,將不存在“光腰”,而且,對(duì)于能量分布離散型的高能激光光束,由二階矩定義計(jì)算得到的光斑半徑與實(shí)際相差很遠(yuǎn)。得到的M2因子誤差很大。
M2因子要求光束截面的光強(qiáng)分布不能有陡直邊緣,比如對(duì)于“超高斯光束”M2因子就不適用。
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