激光束 Laser beams

2022-11-14 17:10:58 浏览:220

定义

主要沿一个方向传播的光束。

在大多数情况下,激光以定向良好的光束形式发射光,称为激光束。 这意味着光主要沿某个方向传播,通常大部分光功率集中在一平方毫米量级的小区域。

激光束通常接近高斯光束,其中光学强度的横向轮廓可以用高斯函数描述,其宽度沿传播方向变化。

激光束 Laser beams

图1:高斯光束焦点周围电场分布的快照。在本例中,光束半径仅略大于波长,并且光束发散性很强。

通常,激光束表现出高度的空间相干性,这与高光束质量有关。 因此,人们获得了良好的聚焦能力和形成光束发散非常低的准直光束的潜力。

当激光束击中某些物体(例如激光材料加工中的工件)时,到达的光学强度也称为辐照度。

高斯光束的传播可以用一组相对简单的方程来计算。 在光束质量不理想的情况下,可以使用一组广义方程,其中还涉及所谓的光束质量因子M2. 在这种情况下,方程无法预测光束轮廓的详细演变,而只能预测基于强度分布的第二个矩的光束半径(D4σ方法)。

激光通常具有较小的光带宽,因此时间相干性也很高。 高度相干性通常不需要的后果是倾向于形成激光散斑图案。

激光束在透明介质中传播时几乎不会改变,或者在吸收或散射介质中迅速衰减。 不均匀的介质(即具有局部变化折射率的介质)也会扭曲激光束的形状。 这可能是由于热效应(例如增益介质中的热透镜效应)而发生的。

一些激光器连续发射,但激光束也可以由快速脉冲序列组成,每秒有数百万甚至数十亿个脉冲(→脉冲重复率)。 然后,光分布可以被描述为一种“光子弹”的常规序列。

激光通常是线性偏振的,即电场在垂直于传播方向的某个方向上振荡。 然而,一些激光器发出的光具有不确定的波动偏振状态。

从侧面可以看到激光束吗?

在空气中传播时,可以看到具有足够高功率的可见光激光束。 这是因为光功率的一小部分被空气中的尘埃颗粒和/或密度波动散射,因此可以到达观察眼。 当激光束击中一些漫散射物体(例如白色屏幕)时,在该屏幕上会看到一个更亮的点,因为大部分光功率在这一点上是散射的。

激光束的近场和远场

近场被理解为光束腰部(焦点)周围的区域。 远场涉及远离腰部的轮廓,即与有效瑞利长度相比,与焦点相比较大的距离。 远场强度分布揭示了光束发散的细节,在近场中,只有通过波前测量才能获得。 由于直接进入远场通常不切实际,因此可以使用聚焦透镜(或镜子)在其焦平面上获得强度分布,从而显示远场模式的缩小版本。

激光束聚焦的限制

激光束可用于将光能量传输到相当小的光斑或远距离的低发散度。 然而,这存在局限性,涉及光学波长,光束质量和所用聚焦或准直光学器件的横向尺寸。 下面将讨论其中一些限制,始终假设光束通过均匀介质传播(即,在途中没有增加光束畸变)。

如果激光束聚焦到光束半径的光斑(光束腰部) w0,表现出一定的光束发散角,该角与腰部光束半径成反比,与M2因素:

激光束 Laser beams

使用的聚焦光学器件必须能够处理该量的发散;其局限性源于光学元件的有限数值孔径。 此外,如果聚焦必须与聚焦光学元件保持较大距离和/或腰部半径小或光束质量低,则聚焦光学元件中的光束半径必然会很大。 光学元件需要相应的大开孔径。 这些因素实际上可以设置焦点中可实现半径的下限,或可容忍半径的上限M2因素.

在某些情况下,可以优化焦点中的光束半径,使距焦点一定距离处的半径尽可能小。 为此,必须选择腰梁半径,使有效瑞利长度等于上述传输距离。 然后,在远处位置得到的半径将是腰梁半径的≈1.41倍。

如果发出的光不必聚焦在聚焦光学元件上,则应将焦点放在光学元件和远点之间的中间。 理想情况下,有效瑞利长度将是传输距离的一半。 距离点处的光束半径将与聚焦光学元件处的光束半径相同,比光束聚焦处的光束半径大≈1.41倍。

例如,如果将1064 nm的高斯激光束发送到月球(距离380 000 km)以照亮那里的小点,则焦点中的理想半径将为8 m,使得瑞利长度为190 000 km。 聚焦光学系统和月球上的半径将为11.3米。 如果用过的发送望远镜不能那么大,月球上的照明点就会更大。

当从某些具有有限开孔径的聚焦光学器件创建光束焦点时,如果增加该距离,可能的腰部半径将增加。 此外,该距离有一个最大值;在极端情况下,距离等于光束的有效瑞利长度,所得的腰部光束半径将小于聚焦光学元件处的光束半径平方根2(≈1.41)。 因此,人们可以根据初始半径和最大聚焦距离轻松计算瑞利长度。

激光束的实验表征

有各种设备和技术可以在各个方面表征激光束;请参阅有关激光束表征的文章。

对于许多激光应用,必须有适当的光束诊断方法,因为使用此类仪器可以识别许多可能的问题。

激光束的切换

如果在某些时候不需要激光束 - 例如,出于安全原因 - 原则上可以简单地关闭激光。 然而,这并不总是实用的。 在某些情况下,人们会应用某种光束快门,必要时可以使用它阻挡光束。 切换也可以自动化,例如,在激光外壳打开时自动锁定光束。 对于周期性开关,有光学斩波器。

参考文献

[1] H. Kogelnik and T. Li, “Laser beams and resonators”, Appl. Opt. 5 (10), 1550 (1966), doi:10.1364/AO.5.001550
[2] A. E. Siegman, “Defining, measuring, and optimizing laser beam quality”, Proc. SPIE 1868, 2 (1993), doi:10.1117/12.150601
[3] A. E. Siegman, Lasers, University Science Books, Mill Valley, CA (1986)

激光物理

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