Руководство для начинающих по оценке качества лазерного луча и измерению коэффициента M2
Теория учит нас, что по своей форме большинство лазерных лучей должно иметь форму гауссова пучка. Основная мода гауссова пучка (TEM00) является идеалом, который большинство производителей лазерных систем хотят достичь по трем основным причинам:
- интенсивность такого пучка максимальна на оптической оси, что делает оптическую мощность и интенсивность хорошо сконцентрированными;
- он имеет самую низкую расходимость, поэтому его часто рассматривают как тонкий луч света, который не расширяется;
- это дифракционно-ограниченный пучок, а это означает, что при фокусировке перетяжка пучка является наименьшей, которая может быть получена для этой конкретной длины волны.
Но в реальной жизни ничто не является совершенным, и чистый гауссовский луч с профилем TEM00 и колоколообразной кривой, которая распространяется бесконечно, к сожалению, никогда не достигается.
Вы можете задаться вопросом (как и многие люди), насколько близок Ваш реальный лазер к совершенству? В этом руководстве мы познакомим Вас с концепцией измерения качества лазерного луча с параметром M2, который количественно определяет качество лазерного луча и расскажем, как измерять коэффициент M2 для реального лазера.
Как определить качество лазерного луча?
Первые лазеры были сделаны в 60-х годах, но только в начале 90-х Энтони Э. Зигман предложил стандарт измерения того, насколько близок лазерный луч к идеальному гауссову пучку или, другими словами, определения качества лазерного пучка.
В принципе, дело сводится к проверке того, насколько реальная перетяжка и расходимость пучка отличаются от тех же характеристик идеального гауссова пучка на той же длине волны.
Параметр пучка BPP (произведение параметров пучка) является одним из индикаторов качества лазерного луча, он определяется как произведение наименьшего радиуса луча (радиус перетяжки пучка, w0) с половину угла расходимости пучка (θ), измеренного в дальнем поле. Единицы измерения для BPP: мм-мрад.
BPP = θ w0
Идеальные гауссовские пучки имеют наименьший BPP для заданной длины волны. Поскольку мы знаем, что θideal = λ / (π w0, ideal), BPP для идеального пучка упрощается до BPPideal = λ / π. Хотя это просто для расчета, BPP - не лучший инструмент для сравнения одного лазера с другим, потому что его идеальное значение изменяется с длиной волны.
То, что предложил Зигман, заключается в использовании безразмерного значения качества лазерного луча путем деления значения BPP реального лазерного на одно из значений идеального лазера. Поэтому мы получаем соотношение, указывающее насколько близок Ваш лазерный луч к совершенному гауссову пучку, и Зигман назвал это значение M2 ("эм-квадрат").
M2 = π θ w0 / λ
Одна хорошая особенность коэффициента M2 заключается в том, что он безразмерен (т.е. нет единиц измерения), что упрощает сравнение разных лазеров. С другой стороны, это немного противоречит интуиции, но более низкие значения M2 показывают лучшее качество, чем более высокие значения. Фактически наилучшим возможным результатом является M2 = 1, а по мере увеличения значения M2 качество лазера снижается.
Почему важно знать качество луча Вашего лазера?
После определения коэффициента M2 его можно ввести в уравнения распространения гауссова пучка. Когда Вы знаете коэффициент M2, эти уравнения описывают, как распространяется Ваш реальный лазерный луч, насколько он может быть сфокусирован, и как быстро он расходится.
Знание значения M2 для Вашего лазера позволит Вам узнать, насколько сильно Ваш лазерный луч может быть сфокусирован. Сфокусированные лазерные лучи особенно важны, когда Вы используете лазер для обработки материалов или визуализации, потому что более мелкие перетяжки пучка означают, что могут быть достигнуты более высокие плотности мощности, а также лучшее разрешение.
В системах с волоконной оптикой также широко распространена практика поиска лазеров с коэффициентом M2, близким к 1, чтобы обеспечить хорошее сопряжение с одномодовыми волокнами.
Перетяжка реального пучка определяется по формуле:
Как Вы можете видеть в приведенном выше уравнении, лазерные лучи с меньшим значением коэффициента M2 могут быть сфокусированы сильнее, чем лазеры с высоким значением M2.
Измерение качества луча также позволит Вам узнать, как расходится лазерный луч. Когда Вы знаете расхождение пучка, Вы можете предсказать размер Вашего лазерного луча практически в любой точке пространства. Радиус реального пучка определяется как:
И расходимость в дальнем поле для реального лазера определяется как:
В приведенном выше уравнении Вы можете видеть, что лазеры с высоким коэффициентом M2 расходятся быстрее, чем лазеры с низким значением M2. Производители лазеров любят предоставлять коэффициент M2 в своих спецификациях, потому что он дает пользователям представление о том, насколько легко будет работать с таким лазером.
Как рассчитывается коэффициент M2?
Предложение Зигмана стало популярным из-за его простоты, но экспериментально это не так просто, и из этих принципов возникают некоторые неопределенности. Например, если Вы хотите измерить радиус перетяжки пучка в лаборатории, как Вы можете быть уверены, что Ваше измерительное устройство расположено точно в фокусе?
И как далеко Вы должны отойти, чтобы оказаться в дальнем поле, чтобы измерить расходимость? Достаточно ли этих двух точек? Люди из Международной организации по стандартизации или ISO приняли решение положить конец всей этой путанице, поэтому они написали стандарт, поясняющий, как правильно измерить и вычислить M2: ISO 11146.
Стандарт ISO объясняет метод вычисления M2 из набора измерений диаметра луча таким образом, чтобы минимизировать источники ошибок. Вот основные шаги:
- начните с коллимированного луча;
- сфокусируйте его с помощью линзы свободной от аберраций;
- измерьте диаметр пучка в различных положениях около фокальной точки: возьмите по меньшей мере 10 точек, примерно половину в пределах одной длины Рэлея, а другую половину за пределами 2 длин Рэлея.
- используйте уравнения регрессии, чтобы аппроксимировать данные гиперболой для осей X и Y. Это повышает точность расчета, минимизируя погрешность измерения.
Отсюда выберем значения θ, w0, zR и M2 для каждой оси.
Стандарт ISO также содержит несколько дополнительных правил измерения диаметров (особенно при использовании матричных сенсоров, таких как CCD или CMOS):
- убедитесь, что диаметр занимает не менее 10 пикселей;
- используйте область интереса в 3 раза больше диаметра;
- вычислите диаметр, используя определение D4σ;
- перед измерением всегда удаляйте фоновый шум.
Какое оборудование необходимо для измерения качества лазерного луча?
На самом базовом уровне вам нужен только объектив, профилометр луча и линейка. Вы можете прочитать заметку, поясняющую шаг за шагом, как измерить качество профиля луча с помощью этих основных инструментов и оценить качество лазерного луча с помощью бесплатного программного обеспечения GenTec-EO.
Хотя это недорогой способ, этот метод требует много времени, поэтому Вам хотелось бы, чтобы Ваш лазер был достаточно стабильным, чтобы его значение M2 не изменялось при измерении диаметра! Простой способ увеличить скорость сбора данных - это установить профилометр луча на моторизованный транслятор и автоматизировать сбор данных.
В случае с движущимся транслятором настройка системы и процедура автоматизации может занять некоторое время, поэтому Вы можете сэкономить много времени и усилий, потому что мы уже сделали это за Вас! Наша автоматическая система измерения качества лазерного луча Beamage-M2 идет на несколько шагов впереди, чем описано выше, и так легко настраивается, что Вы можете начать измерять значения M2 за несколько минут в первый раз и менее чем через минуту Вы уже их получите.
Является ли измерение M2 правильным для Вас?
Теперь, когда Вы знаете больше об измерении качества лазерного луча, у Вас будет лучшее представление о том, действительно ли это то, что Вам нужно измерить. Имейте в виду, что коэффициент M2 является индикатором того, насколько близок Ваш лазерный луч к идеальному гауссовскому лучу TEM00.
Если, например, Вы пытаетесь разработать лазер с пучками, такими как пучки Бесселя, или гауссовыми пучками более высокого порядка с профилями в виде кольца, то M2, вероятно, не является хорошим индикатором для Вас.
Вот и все! Теперь Вы понимаете основы измерения коэффициента M2… Есть вопросы? Не стесняйтесь связаться с нами, мы будем рады ответить!
