亮度

2021-04-20 15:20:33 浏览:501

定义

通常定性的描述,与激光器的输出功率和光束质量有关;定量化描述需要与照度结合一起。

亮度通常用于激光器和激光光束中,通常是纯描述性的,非定量的应用。而定量的定义不止一个,这就会造成混乱。有时,亮度被看做照度值,而又有些地方被看做辐射量(如下)。重要的差别在于辐照量用于光功率及其相关量,而照度值则是用来估计光辐射的强度。

尽管美国联邦标准1037C建议将亮度概念在生理感觉方面仅仅作为非定量的参考,但是现在普遍采用它用于其它方面。在激光器技术中,激光光源的亮度(定量情况)通常认为等于其辐射量,是总功率除以焦点模式面积和远场角度的乘积,单位通常为W sr−1 cm−2。本词条下面都采用这一定义。

具有适中发散角的衍射极限光束(傍轴近似适用),由光束发散角和光束半径之间的关系可得:

上式表明,除了与功率和光束质量相关外,亮度还依赖于波长。

而非衍射极限的光束亮度变小,减小的因子为光束质量因子 M2在x和y方向分量的乘积。

还有一个定义为光功率除以 M2因子,没有考虑波长。对于衍射极限光束,这一值等于光功率,通常来讲,用其描述在特定孔径和工作距离(有限光束发散角)时焦点处最大光强是非常恰当的。

亮度是描述激光光束整体的性质,而不是描述某一空间变化的量,例如强度。

还存在另一个不同的量为光谱亮度。而有些作者有时只提及亮度是非常容易混淆的。另外还有相对亮度,这只是一个定性的量,与照度有关。

提高亮度

激光器(光学泵浦)的一个重要特性是产生的激光光束的亮度比泵浦光源的亮度大很多,而输出功率低于泵浦功率,光束质量则比泵浦光源高很多。这种激光器也被称为亮度转换器,尤其是当这一功能在应用中是主要的特点。

采用低亮度泵浦光源

在光学泵浦激光器的发展过程中,需要采用低亮度的泵浦光源,因为这一光源在给定输出功率情况下通常比较便宜。例如,大面积激光二极管(也叫做高亮度激光二极管)在单位瓦特的输出功率时的成本比二极管线阵高。然而,低亮度泵浦在激光器设计中也会产生许多不利的效应。并且在不同的条件下产生的效应也不同,在这种情况下,可达到的输出功率、功率效率、脉冲长度或者脉冲重复速率都会比较低。

这一限制可以与能量转换过程中的熵问题对比理解:熵增加过程可能不会直接造成能量损耗,但是会间接的损耗可用能量。由于光束质量下降而导致亮度减小表示很少模式的光辐射拓展到多个模式中,这确实会提高熵。但是,性能变差并不总是与熵问题直接相关,还部分与增益介质能实现的物理参数以及几何问题相关。

参阅:光谱亮度、激光器、亮度转换器、光束质量、衍射极限光束、激光器设计

基础光学

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