激光光束

2021-02-22 10:53:17 浏览:572

定义

在一个方向传播的光束。

大多数情况下,激光器辐射的光都是激光光束。即辐射光束在一个特定方向传播,光功率集中在几个平方毫米的小区域上。

激光光束与高斯光束很接近,高斯光束光强的横剖面可由高斯方程描述,在传播方向上其宽度会发生改变。光束很宽时尺寸改变很小,而紧聚焦光束的尺寸则变化很快。

图 1 高斯光束焦点附近电场分布。这里光束半径稍大于波长,光束发散角很大。

通常激光光束具有很高的空间相干性,因此光束质量很高。所以,激光光束具有很好的聚焦性能,可以形成具有很低光束发散角的准直光束。

激光光束的光学带宽通常很小,因此时间相干性也很高。很高的相干性的一个缺点就是容易形成斑纹图样。

激光光束在透明介质中传播时功率几乎不变,在吸收或散射介质中会快速衰减。非各向同性介质(介质折射率是局部变化的)也会使激光光束形状发生畸变。这可能是由于增益介质中的热透镜产生的热效应引起的。

一些激光器工作于连续模式,但是激光光束包含一系列脉冲,通常为每秒几百万甚至几十亿个脉冲。

大多数激光光束是线偏振的,即电场在与传播方向垂直的某一个方向振荡。而有些激光器辐射的激光的偏振态是不确定的。

功率足够高的可见光激光光束在空气中传播时是可见的。因为光束在空气中传播会受到尘埃粒子以及密度涨落的散射,散射的光到达眼睛,于是光束就是可见的。当激光光束射向漫散射物体时,例如白屏,可以在屏幕上看到一个更亮的点,因为大多数的光功率都散射到了这一个点上。

近场和远场激光光束

近场激光光束是指束腰(焦点)附近的区域。而远场则是指远离束腰时的光束截面,即距焦点的距离远大于有效瑞利长度。远场强度截面能够给出光束发散角,而如果在近场需要得到光束发散角只能测量波前。由于实际中很难直接得到远场光束,需要采用聚焦透镜得到焦平面上的强度截面,从而可以得到缩小版的远场图样。

实验表征激光光束

可以采用许多装置的技术来表征激光光束:

  • 可以采用功率计测量激光光束的总功率。还可以用能量计来测量脉冲激光器的脉冲能量。
  • 可以采用光束质量分析仪测量强度截面(辐照剖面),该仪器需要采用照相机。一些激光光束存在“热点”,即该区域强度更高,有可能产生损伤现象。伴线结构,晕圈等其它现象会引起光束不均匀。光束强度截面的形状在传播过程中也会发生改变。
  • 有些装置不是测量整个光束截面,而是仅测量光束半径或直径。光束半径的定义可以为半高半宽值,也可能是强度变为峰值强度的 1/e2时对应的半径。这在高斯光束中有讲述。
  • 波前传感器,例如Shack-Hartmann类型,可以用来测量光束波前的形状。
  • 光束质量(M2因子)可以由多个强度截面计算得出,或者由某一位置的强度和波前计算得出。
  • 激光光束存在光束指向涨落,可以在一个合适位置监测光束中的某一点(强度分布的中心)来测量该涨落。
  • 偏振态可由通过不同指向的偏振器后的透射功率得出,也可以由旋光测定法得出。

在激光器应用中,采用合适的方法进行束流诊断是非常必要的,因为遇到的许多问题都能采用这种装置检测出来。

参考文献

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

参阅:激光、准直光束、相干、光束质量、高斯光束、光束发散角、光束指向涨落、激光辐射偏振、斑纹、光束质量分析仪、功率计

激光器

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