Кіріспе
Электромагниттік сәуленің ені
Электромагниттік сәуленің диаметрі немесе ені – сәуле осіне перпендикуляр және оны қиып өтетін кез келген белгілі бір сызық бойындағы диаметр. Сәулелердің көбінесе өткір жиектері болмайтындықтан, диаметрді әртүрлі тәсілдермен анықтауға болады. Сәуле енін анықтаудың бес әдісі жиі қолданылады: D4σ, 10/90 немесе 20/80 пышақ жиегі, 1/e2, FWHM және D86. Сәуле ені сәуле осіне перпендикуляр жазықтықта ұзындық бірліктерімен өлшенуі мүмкін, бірақ ол бұрыштық енді де білдіруі мүмкін, яғни сәуле көзінде сәуле қамтитын бұрыш. Бұрыштық ен сәуле таралуы деп те аталады. Сәуле диаметрі көбінесе оптикалық режиміндегі электромагниттік сәулелерді сипаттау үшін қолданылады, кейде микротолқынды режимінде де қолданылады, яғни сәуле шығатын апертура толқын ұзындығына қарағанда өте үлкен болған жағдайларда. Сәуле диаметрі әдетте дөңгелек қималы сәулеге қатысты айтылады, бірақ міндетті түрде солай болуы керек емес. Мысалы, сәуле эллипстік қимаға ие болуы мүмкін, онда сәуле диаметрінің бағыты, мысалы, эллипстік қиманың үлкен немесе кіші осіне қатысты көрсетілуі керек. "Сәуле ені" термині сәуле дөңгелек симметрияға ие емес жағдайларда қолдануға қолайлы.
The beam diameter or beam width of an electromagnetic beam is the diameter along any specified line that is perpendicular to the beam axis and intersects it. Since beams typically do not have sharp edges, the diameter can be defined in many different ways. Five definitions of the beam width are in common use: D4σ, 10/90 or 20/80 knife edge, 1/e2, FWHM, and D86. The beam width can be measured in units of length at a particular plane perpendicular to the beam axis, but it can also refer to the angular width, which is the angle subtended by the beam at the source. The angular width is also called the beam divergence. Beam diameter is usually used to characterize electromagnetic beams in the optical regime, and occasionally in the microwave regime, that is, cases in which the aperture from which the beam emerges is very large with respect to the wavelength. Beam diameter usually refers to a beam of circular cross section, but not necessarily so. A beam may, for example, have an elliptical cross section, in which case the orientation of the beam diameter must be specified, for example with respect to the major or minor axis of the elliptical cross section. The term "beam width" may be preferred in applications where the beam does not have circular symmetry.
Рейли сәулелерінің ені
Сәулеленген қуаттың ең жоғарғы нүктесі мен бірінші нөлдік нүктесінің (осы бағытта қуат сәулеленбейтін) арасындағы бұрыш Рейли сәулелену ені деп аталады.
Толық ені жартысы
Сәуленің енін анықтаудың ең оңай жолы – сәулелену қарқындылығы сәуленің ең жоғары қарқындылығының белгілі бір бөлігін құрайтын екі диаметралды қарама-қарсы нүктені таңдап, олардың арақашықтығын сәуленің ені ретінде өлшеу. Бұл бөлік үшін 1/2 (-3 дБ) таңдау жасау логикалық, онда есептелген диаметр сәуленің толық енін, оның максималды қарқындылығының жартысына дейін (FWHM) көрсетеді. Бұл жарты қуат сәуле ені (HPBW) деп те аталады.
1/e2 ені
1/e2 ені шекті үлестірілімдегі екі нүкте арасындағы қашықтыққа тең, бұл нүктелердің мәні максималды мәннің 1/e2 = 0,135 есесіне тең. Көп жағдайларда, интенсивтілік максималды мәннің 1/e2 = 0,135 есесіне дейін төмендеген нүктелер арасындағы қашықтықты өлшеу маңыздырақ. Егер максималды мәннің 1/e2 есесіне тең болатын екі нүктеден артық нүктелер болса, онда максималды мәнге ең жақын екі нүкте таңдалады. 1/e2 ені Гаусс сәулелерінің математикасында маңызды роль атқарады, онда интенсивтілік профилі сипатталады. Лазерлерді қауіпсіз пайдалану жөніндегі американдық ұлттық стандарт Z136.1 2007 (6-бет) сәуле диаметрін сәуленің көлденең қимасындағы диаметріне қарама-қарсы жатқан екі нүкте арасындағы қашықтық ретінде анықтайды, мұндағы бірлік ауданағы қуат бірлік ауданағы ең жоғары қуаттың 1/e (0,368) есесіне тең. Бұл лазер сәулесіне рұқсат етілген максималды әсерді есептеу үшін қолданылатын сәуле диаметрінің анықтамасы. Федералдық Әуе Қосылысы (FAA) да FAA бұйрығы JO 7400.2, Para. 29 1 5d-де лазер қауіпсіздігі есептеулерінде 1/e анықтамасын қолданады. 1/e2 енін өлшеу үшін шекті үлестірілімнің үш нүктесі ғана қажет, ал D4σ және пышақ жиегінің ендері шекті үлестірілімнің интегралына тәуелді. 1/e2 енін өлшеу нәтижелері D4σ енін өлшеу нәтижелерінен шулырақ болады. Көп режимді шекті үлестірілімдерде (бірнеше шыңы бар сәуле профилі) 1/e2 ені көбінесе мағыналы мән бермейді және сәуленің нақты енін қате бағалауы мүмкін. Көп режимді үлестірілімдер үшін D4σ ені жақсырақ таңдау болып табылады. Идеалды бір режимді Гаусс сәулесі үшін D4σ, D86 және 1/e2 енін өлшеу бірдей мән береді. Гаусс сәулесі үшін 1/e2 ені мен жартылай ең үлкен кеңістіктегі толық ені арасындағы қатынас келесідей: , мұндағы – сәуленің 1/e2 кеңістігіндегі толық ені.
The American National Standard Z136.1 2007 for Safe Use of Lasers (p. 6) defines the beam diameter as the distance between diametrically opposed points in that cross section of a beam where the power per unit area is 1/e (0.368) times that of the peak power per unit area. This is the beam diameter definition that is used for computing the maximum permissible exposure to a laser beam. In addition, the Federal Aviation Administration also uses the 1/e definition for laser safety calculations in FAA Order JO 7400.2, Para. 29 1 5d. Measurements of the 1/e2 width only depend on three points on the marginal distribution, unlike D4σ and knife edge widths that depend on the integral of the marginal distribution. 1/e2 width measurements are noisier than D4σ width measurements. For multimodal marginal distributions (a beam profile with multiple peaks), the 1/e2 width usually does not yield a meaningful value and can grossly underestimate the inherent width of the beam. For multimodal distributions, the D4σ width is a better choice. For an ideal single mode Gaussian beam, the D4σ, D86 and 1/e2 width measurements would give the same value. For a Gaussian beam, the relationship between the 1/e2 width and the full width at half maximum is , where is the full width of the beam at 1/e2.
Бычак жиегінің ені
CCD сәуле профильдегіші пайда болғанға дейін сәуле ені пышақ шеті әдісімен бағаланды: лазер сәулесін қырағымен кесіп, кесілген сәуленің қуатын қырағы орнына байланысты өлшеңіз. Өлшенген қисық – шеттік үлестірілімнің интегралы болып табылады, ол толық сәуле қуатынан басталып, нөлдік қуатқа дейін біртекті түрде төмендейді. Сәуле ені – өлшенген қисықтың максималды мәнінің 10% және 90% (немесе 20% және 80%) арасындағы қашықтық ретінде анықталады. Бастапқы мән кішкентай болса немесе алынып тасталса, пышақ шетінің ені, сәуле профиліне қарамастан, 20/80 жағдайында толық сәуле қуатының 60%-ына, ал 10/90 жағдайында 80%-ына сәйкес келеді. Ал D4σ, 1/e2 және FWHM ендері сәуленің пішініне байланысты қуаттың үлесін қамтиды. Сондықтан, 10/90 немесе 20/80 пышақ шетінің ені – пайдаланушы сәуле енінің толық сәуле қуатының белгілі бір бөлігін қамтитынына көз жеткізгісі келгенде пайдалы өлшем болып табылады. Көптеген CCD сәуле профильдегіш бағдарламалық құралдары пышақ шетінің енін сандық түрде есептей алады.
Кескінді алумен біріктірілген пышақ шеті әдісі
Бұршақ шеті техникасының басты кемшілігі – өлшенген мән тек сканерлеу бағытында көрсетіледі, бұл маңызды сәуле ақпаратының көлемін азайтады. Бұл кемшілікті жою үшін коммерциялық түрде ұсынылатын инновациялық технология, көп бағытты сәуле сканерлеу арқылы сәулені бейнелеуге ұқсас кескінді жасауға мүмкіндік береді. Механикалық түрде пышақ шетін сәуле арқылы жылжыту арқылы, детектор аймағына түсетін энергия мөлшері кедергі арқылы анықталады. Профиль, пышақ шетінің жылдамдығы және оның детектордың энергия көрсеткіштерімен байланысы бойынша өлшенеді. Басқа жүйелерден өзгеше, ерекше сканерлеу әдісі сәуленің бойымен өту үшін бірнеше түрлі бағытталған пышақ шеттерін пайдаланады. Томографиялық реконструкцияны қолдану арқылы математикалық процестер лазерлік сәуленің мөлшерін әртүрлі бағыттарда, CCD камералары жасаған кескіндерге ұқсас етіп қайта жасайды. Бұл сканерлеу әдісінің басты артықшылығы – пиксел өлшемімен байланысты шектеулердің болмауы (CCD камераларындағыдай) және қазіргі CCD технологиясымен қолданылмайтын толқын ұзындығындағы сәулелерді қайта құруға мүмкіндік беруі. Реконструкция терең ультракөк түстен алыс инфрақызылға дейінгі сәулелер үшін мүмкін.
D86 ені
D86 ені – сәуле профилінің центрінде орналасқан және сәуле қуатының 86% құрайтын шеңбердің диаметрі. D86 мәнін табу үшін центрінен бастап қуатының 0,86 пайызын қамтитынша, айналасындағы шеңберлердің ауданы есептеліп шығарылады. Бұрынғы сәуле енінің анықтамаларынан өзгешелігі, D86 ені маргиналды үлестірулерден туындамайды. 50, 80 немесе 90 емес, 86 пайызды таңдау себебі – жоғары нүктесінің 1/e2 деңгейіне дейін интегралдалған дөңгелек Гаусс сәуле профилі, жалпы қуатының 86% құрайды. D86 ені, әсіресе белгілі бір аймақтағы қуат мөлшерін анықтау қажеттілігі туындайтын қолдануларда жиі қолданылады. Мысалы, жоғары энергиялы лазерлік қарулар мен лидарлардың қолданылуы үшін, мақсатқа қанша қуат жеткізіліп жатқанын дәл білу қажет.
Өлшем
Халықаралық ISO 11146-1:2005 стандарты лазерлік сәулелердің енін (диаметрін), дивергенция бұрыштарын және сәуле таралу коэффициенттерін (егер сәуле стигматикалық болса) өлшеу әдістерін көрсетеді, ал жалпы астигматикалық сәулелер үшін ISO 11146-2 стандарты қолданылады. D4σ сәуле ені – ISO стандартымен белгіленген анықтама, ал M² сәуле сапасы параметрін өлшеу үшін D4σ енін өлшеу қажет. Басқа анықтамалар D4σ туралы қосымша мәліметтер береді. D4σ және пышақ жиегінің ендері бастапқы деңгейге сезімтал, ал 1/e² және FWHM ендері сезімтал емес. Сәуле енімен қамтылған сәуленің жалпы қуатының үлесі қолданылған анықтамаға байланысты. Лазерлік сәулелердің енін камераға бейне түсіру арқылы немесе лазерлік сәуле профилі қолдану арқылы өлшеуге болады.