Введение

В лазерной науке параметр M2, также известный как отношение распространения луча или фактор качества луча, является мерой качества лазерного луча. Он характеризует степень отклонения луча от идеального гауссова луча.

Измерение

Есть несколько способов определения ширины луча. При измерении произведения параметров луча и M2 используется ширина луча D4σ или "второй момент" для определения как радиуса талии луча, так и расходимости в дальней зоне. Измеряют ширину D4σ в 5 осевых положениях вблизи талии луча (место, где луч наиболее узкий). Измеряют ширину D4σ в 5 осевых положениях на расстоянии не менее одной длины Рэлея от талии. Аппроксимируют 10 измеренных точек данных по формуле, где – половина ширины луча, а – положение талии луча с шириной. Аппроксимация 10 точек данных позволяет определить M2, , и Сигман показал, что все профили луча – гауссовский, с плоским верхом, TEMxy или любой другой формы – должны следовать вышеуказанному уравнению, при условии, что радиус луча использует определение ширины луча D4σ. Таким образом, профиль интенсивности луча может выглядеть сильно отличающимся от гауссовского, но при этом иметь значение M2, близкое к единице. Качество луча важно для многих применений. Для сопряжения с одномодовым оптическим волокном требуются лучи с M2, близким к 1. M2 определяет, насколько плотно можно сфокусировать коллимированный луч заданного диаметра: диаметр фокусного пятна изменяется пропорционально M2, а интенсивность – обратно пропорционально M4. Для данной лазерной резонатора диаметр выходного луча (коллимированного или сфокусированного) изменяется пропорционально M, а интенсивность – обратно пропорционально M2. Это особенно важно при лазерной обработке и лазерной сварке, которые зависят от высокой плотности потока энергии в зоне сварки. Как правило, M2 увеличивается с ростом выходной мощности лазера. Одновременно получить отличное качество луча и высокую среднюю мощность затруднительно из-за термического линзирования в лазерной среде усиления.

Многорежимная распространение луча

Настоящие лазерные лучи часто имеют не гауссово распределение, будучи многомодовыми или смешанными. Распространение многомодового пучка часто моделируется путем рассмотрения так называемого "встроенного" гауссиана, у которого талия пучка в M раз меньше, чем у многомодового пучка. Диаметр многомодового пучка повсюду в M раз больше диаметра встроенного гауссиана, а расхождение в M раз больше, однако кривизна волнового фронта остается неизменной. Площадь многомодового пучка в M² раз больше, а интенсивность в 1/M² раз меньше, чем у встроенного пучка. Это справедливо для любой оптической системы, и, следовательно, минимальный размер сфокусированного пятна или талия многомодового лазерного пучка в M раз больше талии встроенного гауссиана.