M do kwadratu - M squared

W nauce o laserach parametr M ² , znany również jako współczynnik propagacji wiązki lub współczynnik jakości wiązki, jest miarą jakości wiązki laserowej . Reprezentuje stopień odchylenia wiązki od idealnej wiązki Gaussa . Jest obliczany ze stosunku iloczynu parametrów wiązki (BPP) wiązki do iloczynu wiązki Gaussa o tej samej długości fali . Odnosi się do rozbieżności wiązki lasera z minimalnym rozmiarem skupionej plamki, jaki można osiągnąć. W przypadku wiązki lasera jednomodowego TEM ₀₀ (Gaussa) M ² wynosi dokładnie jeden. W przeciwieństwie do iloczynu parametrów wiązki, M ^{2 nie} ma jednostek i nie zmienia się wraz z długością fali.

Wartość M ² dla wiązki laserowej jest szeroko stosowana w przemyśle laserowym jako specyfikacja, a jej metoda pomiaru jest regulowana przez normę ISO.

Pomiary

Dostępny w handlu przyrząd pomiarowy M ²

Istnieje kilka sposobów definiowania szerokości belki. Podczas pomiaru iloczynu parametru belki i M ² , używa się szerokości D4σ lub „drugiego momentu” belki do określenia zarówno promienia talii belki, jak i rozbieżności w polu dalekim.

M ² można zmierzyć przez umieszczenie detektora matrycowego lub profilera szczeliny skanującej w wielu pozycjach w wiązce po ogniskowaniu jej soczewką o wysokiej jakości optycznej i znanej ogniskowej . Aby prawidłowo uzyskać M ^2, należy wykonać następujące kroki:

1. Zmierz szerokości D4σ w 5 pozycjach osiowych w pobliżu talii belki (miejsce, w którym belka jest najwęższa).
2. Zmierz szerokości D4σ w 5 pozycjach osiowych w odległości co najmniej jednej długości Rayleigha od talii.
3. Dopasuj 10 punktów pomiarowych do , ${\ Displaystyle W ^ {2} (z) = W_ {0} ^ {2} + M ^ {4} \ lewo ({\ Frac {\ lambda} {\ pi W_ {0}}} \ prawej) ^ { 2} (z – z_ {0}) ^ {2}}$

Tutaj jest połowa szerokości belki i jest to położenie talii belki z szerokością . Montaż 10 punktów danych daje M ² , i . Siegman wykazał, że wszystkie profile belek - Gaussowski, flat top , TEMxy lub dowolny kształt - muszą być zgodne z powyższym równaniem, pod warunkiem, że promień belki wykorzystuje definicję D4σ szerokości belki. Używanie innych definicji szerokości belki nie działa. ${\ displaystyle W (z)}$${\ Displaystyle {\ tekst {D4}} \ sigma (z)}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle W_ {0}}$${\ displaystyle z_ {0}}$${\ displaystyle W_ {0}}$

Zasadniczo można by użyć pojedynczego pomiaru w talii, aby uzyskać średnicę talii, pojedynczego pomiaru w dalekim polu, aby uzyskać rozbieżność, a następnie użyć ich do obliczenia M ² . Powyższa procedura daje jednak dokładniejszy wynik w praktyce.

Użyteczność

M ² jest użyteczny, ponieważ odzwierciedla, jak dobrze skolimowana wiązka lasera może być zogniskowana na małym punkcie lub jak dobrze można skolimować rozbieżne źródło lasera. Jest to lepszy przewodnik po jakości wiązki niż wygląd Gaussa, ponieważ istnieje wiele przypadków, w których wiązka może wyglądać w sposób gaussowski, ale ma wartość M ² daleka od jedności. Podobnie, profil intensywności wiązki może wydawać się bardzo „nie-Gaussowski”, ale mieć wartość M ² bliską jedności.

Jakość belki jest ważna w wielu zastosowaniach. W komunikacji światłowodowej wiązki o wartości M ² bliskiej 1 są wymagane do połączenia ze światłowodem jednomodowym .

M ² określa, jak mocno skolimowana wiązka o danej średnicy może być skupiona: średnica ogniska zmienia się jak M ² , a skala natężenia napromienienia wynosi 1 / M ⁴ . Dla danej wnęki laserowej średnica wiązki wyjściowej (skolimowanej lub skupionej) skaluje się jako M, a natężenie napromienienia jako 1 / M ² . Jest to bardzo ważne w obróbce laserowej i spawaniu laserowym , które zależą od wysokiej płynności w miejscu spoiny.

Ogólnie M ² rośnie wraz ze wzrostem mocy wyjściowej lasera. Trudno jest uzyskać jednocześnie doskonałą jakość wiązki i wysoką moc średnią ze względu na soczewkowanie termiczne w medium wzmocnienia lasera .

Wielomodowa propagacja wiązki

Prawdziwe wiązki laserowe często nie są gaussowskie, są wielomodowe lub mieszane. Propagacja wiązki wielomodowej jest często modelowana z uwzględnieniem tak zwanego „osadzonego” Gaussa, którego szerokość wiązki jest M razy mniejsza niż szerokość wiązki wielomodowej. Średnica wiązki wielomodowym następnie M razy większy od wbudowanego wiązki gaussowskiej wszędzie i rozbieżność M razy większy, ale czoła fali krzywizna jest taka sama. Belka ma wielomodowe M ² razy obszaru wiązki, ale 1 / M ² mniejszą intensywnością wiązki niż osadzony belki. Odnosi się to do dowolnego systemu optycznego, a zatem minimalny (zogniskowany) rozmiar plamki lub szerokość wiązki wielomodowej wiązki laserowej jest M razy większa niż szerokość osadzonej wiązki Gaussa.

Zobacz też

• Profiler wiązki laserowej
• Stosunek Strehla

Bibliografia