Методы оценки качества лазерного пучка 

Методы оценки качества лазерного пучка

Будь то в таких прикладных сценариях, как лазерное производство, сварка и прецизионная резка, или в процессах оптимизации конструкции, повышения качества и диагностической оценки самих лазерных устройств, качество лазерного пучка служит основным критерием для характеристики свойств лазера и оказывает непосредственное влияние на фактические эксплуатационные показатели. Существует множество методов оценки качества пучка; здесь мы кратко представим несколько распространенных подходов, включая коэффициент превышения дифракционного предела (β), коэффициент охваченной мощности (или коэффициент охваченной энергии) BQ, параметр M², число Штреля (SR) и коэффициент распространения пучка (BPF).

1. Коэффициент превышения дифракционного предела (β): Данный коэффициент определяется как отношение угла расходимости исследуемого пучка в дальней зоне к углу расходимости идеального пучка в дальней зоне. Математически это выражается следующим образом:
При расчете β в качестве эталона используется идеальный пучок; однако существуют различные варианты выбора этого идеального эталона — например, гауссов пучок или идеальная плоская волна. Следовательно, в отсутствие четко заданного эталонного пучка становится затруднительным сравнивать значения β для различных систем или объективно оценивать относительное качество разных пучков, что в некоторой степени ограничивает общую применимость этого показателя.

2. Коэффициент охваченной мощности (BQ): Также известный как коэффициент охваченной энергии, BQ определяется как квадратный корень из отношения мощности, охваченной пятном идеального пучка, к мощности, охваченной пятном исследуемого пучка, измеренным в пределах апертуры заданного размера в плоскости мишени.

BQ также опирается на идеальный пучок в качестве эталона, что требует выбора конкретного типа идеального пучка. Однако, в отличие от β, коэффициент BQ напрямую связывает качество пучка с плотностью мощности и тесно увязан с конкретной целевой задачей; он эффективно отражает распределение энергии пучка в плоскости мишени, что делает его весьма ценным показателем для оценки инженерных приложений, воздействия на материалы (в частности, эффектов повреждения) и аналогичных параметров.

3. Число Штреля (SR):
SR представляет собой отношение пиковой мощности исследуемого лазерного пучка в фокальном пятне к пиковой мощности идеального пучка в его фокальном пятне. Этот показатель часто используется для характеристики качества лазерного пучка при его распространении через атмосферу. Основной физический смысл приведенного выше преобразованного выражения заключается в том, что отношение Штреля (SR) количественно оценивает влияние искажений волнового фронта пучка на общее качество этого пучка. При распространении лазерного пучка через атмосферу он подвергается различным искажениям, включая как линейные, так и нелинейные искажения (например, эффект теплового самовоздействия — «тепловое размытие»). В подобных сценариях для смягчения этих эффектов и повышения качества пучка, как правило, применяются системы адаптивной оптики (что является распространенной практикой, в частности, в системах лазерного оружия). На данном этапе можно сравнить отношение Штреля (SR) — являющееся мерой качества пучка — до и после применения системы адаптивной оптики, тем самым оценив способность данной системы корректировать искажения пучка.

4. Фактор M²: Международная организация по стандартизации (ISO) рекомендует использовать фактор M² для оценки качества пучка. Однако этот параметр применим исключительно к гауссовым пучкам и не может быть использован для оценки пучков, представляющих собой плоские волны.

Фактор M² представляет собой относительную величину, использующую в качестве эталона идеальный гауссов пучок. Для лазерных пучков, формируемых с помощью неустойчивых резонаторов — например, пучков, генерируемых CO2-, HF- или химическими кислородно-йодными лазерами, — отсутствие четко выраженной перетяжки пучка делает фактор M² непригодным для оценки.

5. Фактор распространения пучка (BPF): Фактор BPF определяется как отношение двух процентных величин: (1) доли мощности измеряемого пучка, сосредоточенной внутри круга, размер которого соответствует размеру диска Эйри с центром в точке попадания на мишень (относительно общей лучистой мощности, падающей на мишень); и (2) доли мощности, сосредоточенной в диске Эйри в дальней зоне дифракции, возникающем при дифракции идеальной плоской волны на круглой апертуре (относительно общей мощности лазера, генерирующего эту идеальную плоскую волну). Хотя это словесное определение может показаться несколько громоздким, для облегчения понимания можно обратиться к следующей формуле:

В идеальных условиях — а именно, в картине дифракции в дальней зоне для круглой апертуры — мощность, сосредоточенная внутри диска Эйри, составляет 84% от общей мощности. Следовательно, вышеупомянутое уравнение может быть упрощено следующим образом:

Фактор BPF применим к лазерным пучкам, испускаемым резонаторами различных типов; более того, он позволяет сравнивать значения BPF для различных систем, тем самым выступая в качестве метрики для оценки качества пучка. Каждый из вышеупомянутых методов оценки качества пучка имеет свою специфическую область применения, а также присущие ему ограничения. На практике выбор соответствующих оценочных метрик и методик должен основываться на всестороннем анализе конкретных требований и сценариев эксплуатации. Китайский национальный стандарт GB/T 32831-2016 «Методы оценки и испытаний высокоэнергетических лазерных пучков» содержит подробные определения и процедуры тестирования для этих и других актуальных параметров; заинтересованные лица могут загрузить данный документ из сети Интернет для более детального изучения.