Почему качество пучка ухудшается с ростом мощности лазера? 

Почему качество пучка ухудшается с ростом мощности лазера?

Вы увеличиваете ток накачки с 1 А до 3 А, и показания измерителя мощности утраиваются — отлично.
Однако значение M², отображаемое на анализаторе пучка, изменяется с 1,1 до 2,3. Диаметр сфокусированного пятна значительно увеличивается, а угол расходимости в дальней зоне также возрастает.
Хотя мощность выросла, качество пучка снизилось.
Это не свидетельствует о неисправности лазера и не является простым совпадением — это неизбежное физическое следствие работы полупроводниковых лазеров на высокой мощности.

Фактор M²: количественный показатель качества пучка
Фактор M² (также известный как коэффициент качества пучка или кратность дифракционного предела) определяется как отношение произведения радиуса перетяжки и угла расходимости реального пучка к аналогичному произведению для идеального гауссова пучка:

M² = (w₀ · θ) / (λ / π)
Уравнение (1) — Определение M²; для идеального гауссова пучка M² = 1.

Значение M² = 1 соответствует идеальному дифракционному пределу; для реальных лазеров M² всегда больше 1. Значение M² = 2 означает, что диаметр сфокусированного пятна в два раза превышает диаметр пятна идеального гауссова пучка, а глубина фокуса уменьшается до одной четвертой от исходного значения.

Резюме: чем ближе значение M² к единице, тем лучше; этот параметр напрямую определяет, насколько плотно можно сфокусировать пучок и на какое расстояние он способен распространяться. Рост значения M² свидетельствует о том, что при использовании той же фокусирующей оптики больше невозможно получить пятно столь малого размера, как прежде.

Эффект тепловой линзы: выше мощность — сильнее искажения резонатора
В полупроводниковых лазерах (а также в твердотельных лазерах), работающих на высокой мощности, активная среда нагревается под воздействием света накачки, что приводит к возникновению радиального градиента температуры. Поскольку показатель преломления зависит от температуры (dn/dT > 0) — при этом центр среды нагревается сильнее, а края остаются более холодными, — формируется так называемая «тепловая линза»:

• Более высокий показатель преломления в центре → Увеличение оптического пути → Эквивалент положительной линзы
• Тепловая линза изменяет модовую структуру резонатора; как следствие, размер пятна основной моды изменяется в зависимости от выходной мощности
• Поперечные моды более высоких порядков избирательно усиливаются тепловой линзой, что приводит к увеличению параметра M²

Этот процесс неизбежен: пока присутствует выходная мощность, будет происходить нагрев; где есть нагрев — возникает тепловая линза; а где есть тепловая линза — наблюдается ухудшение качества пучка (рост M²).

Конкуренция между поперечными модами: высокая мощность «зажигает» паразитные моды
При низких уровнях мощности усиление внутри лазерного резонатора преимущественно «монополизируется» основной поперечной модой (TEM₀₀). По мере роста мощности эффекты насыщения усиления не позволяют основной моде продолжать «поглощать» всё доступное усиление целиком, что приводит к возбуждению поперечных мод более высоких порядков (TEM₁₀, TEM₀₁, и т. д.):

• Мода TEM₁₀ характеризуется наличием двух боковых лепестков, что приводит к снижению плотности энергии в центре пучка и расширению светового пятна
• Одновременная генерация нескольких поперечных мод ведет к снижению пространственной когерентности пучка, вызывая рост параметра M²
• В лазерах, сопряженных с многомодовыми волокнами, такое явление рассматривается как допустимый компромисс, заложенный в конструкцию устройства

Это объясняет, почему в технических характеристиках многих лазеров указываются два значения мощности: «одномодовая мощность» и «многомодовая мощность». В одномодовом режиме работы значение M² может приближаться к единице, тогда как в многомодовом режиме M² обычно превышает 2.

1. Является ли отвод тепла достаточным?
   Проверьте работу системы термоэлектрического охлаждения (TEC); понизьте температуру опорной плиты, после чего повторно измерьте значение M².

2. Превышает ли выходная мощность диапазон, соответствующий одномодовому режиму работы?
Обратитесь к техническому описанию (даташиту), чтобы определить границу перехода от одномодового к многомодовому режиму, и убедитесь, что работа устройства не выходит за пределы этого ограничения.

3. Происходит ли смешение мод на оптическом тракте?
Проверьте волокно на наличие изгибов или механических напряжений; Используйте пространственный фильтр для очистки пучка.

4. Требуются ли одновременно *и* высокая мощность, *и* высокое качество пучка?
Рассмотрите возможность использования волоконного лазера (который по своей природе является одномодовым) или применения решений для формирования пучка.Между мощностью и качеством пучка существует внутреннее противоречие: высокая мощность порождает тепловые эффекты, которые, в свою очередь, ухудшают качество пучка. Это не инженерный недостаток, а скорее физическое ограничение. Лишь осознав это ограничение, можно принять правильные компромиссные решения на этапе проектирования — стоит ли смириться с ухудшением качества пучка (ростом параметра M²), активно подавлять моды высших порядков или же выбрать иную архитектуру лазера.