光束質(zhì)量的評價(jià)方法課件

光束質(zhì)量評價(jià)方法------

四種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)及其適用激光范圍

參考文獻(xiàn)：1-10《激光光束質(zhì)量的評價(jià)方法》光束質(zhì)量評價(jià)方法激光光束質(zhì)量是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的論題,對不同應(yīng)用的激光光束其質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)一般不同。

本文給出了幾種有代表性的激光光束質(zhì)量的評價(jià)方法,并分別對各種評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)的合理性與適用性進(jìn)行了分析;研究了實(shí)際應(yīng)用中對激光光束質(zhì)量的一些要求和相關(guān)的評價(jià)參數(shù)。文章簡介激光光束質(zhì)量是一個(gè)很有現(xiàn)實(shí)意義的論題,對不同應(yīng)用的激光光束2評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1、M2因子或其倒數(shù)K因子(光束傳輸因子)2、衍射極限倍數(shù)因子(β)3、桶中功率比(BQ)4、斯特列爾比(SR)評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)1、M2因子或其倒數(shù)K因子(光束傳輸因子)3空間束寬積光束在空間域的寬度（束腰寬度）和光束在頻域的寬度（遠(yuǎn)場發(fā)散角）的乘積

光束半徑隨傳輸距離變化的雙曲線，

在z=0時(shí)有最小值

這個(gè)位置被稱為高斯光束的束腰位置

空間束寬積光束在空間域的寬度（束腰寬度）和光束在頻域的寬4M2因子

M2因子

5從對M2因子和相關(guān)概念的分析可知:

與遠(yuǎn)場發(fā)散角、聚焦光斑尺寸等[4]相比較,M2因子更為嚴(yán)格和全面地表征了激光光束質(zhì)量?？梢宰C明激光通過理想無像差和無窮大孔徑光學(xué)系統(tǒng)時(shí),雖然束腰直徑或遠(yuǎn)場發(fā)散角要變化,但作為比較的物理量即束腰直徑與遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積,M2因子是一個(gè)不變量。因此,使用M2因子比之僅用聚焦光斑尺寸或發(fā)散角衡量光束質(zhì)量更為全面一些。從對M2因子和相關(guān)概念的分析可知:6應(yīng)用類型對于低功率高斯型激光光束,用M2

因子]定義光束能量,即光束光腰處光斑半徑與遠(yuǎn)場發(fā)散角的乘積為一常數(shù),避免了只用光斑半徑或遠(yuǎn)場發(fā)散角作為光束質(zhì)量的判據(jù)帶來的不確定性。

局限M2因子不適合于評價(jià)高能激光的光束質(zhì)量,高能激光的諧振腔一般是非穩(wěn)腔,輸出的激光光束不規(guī)則,將不存在"光腰",而且,對于能量分布離散型的高能激光光束,由二階矩定義計(jì)算得到的光斑半徑與實(shí)際相差很遠(yuǎn)。得到的M2因子誤差很大。M2因子要求光束截面的光強(qiáng)分布不能有陡直邊緣,比如對于"超高斯光束"M2因子就不適用

.應(yīng)用類型7衍射極限倍數(shù)因子(β)的定義及確定1、定義式衍射極限倍數(shù)因子定義為β=θ/θ0。式中,θ為被測實(shí)際光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角,θ0為理想光束(也稱參考光束)的遠(yuǎn)場發(fā)散角。2、（如何確定）參考光束的選擇對于同一實(shí)際光束,選取不同的參考光束會得到不同的β值,這樣就給β因子的測定帶來了不確定性和混亂,因此必須統(tǒng)一和規(guī)范參考光束的選擇。有研究表明,選取與被測光束發(fā)射孔徑或面積相同的圓形實(shí)心均勻光束為參考光束,得到的遠(yuǎn)場發(fā)散角是所有相同孔徑光束中衍射角最小的,適用于以β因子來評價(jià)激光武器系統(tǒng)的光束質(zhì)量。衍射極限倍數(shù)因子(β)的定義及確定1、定義式衍射極限倍數(shù)因8遠(yuǎn)場發(fā)射角（角譜寬度）定義

圖示遠(yuǎn)場發(fā)射角（角譜寬度）定義

圖示9遠(yuǎn)場/近場光學(xué)遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場是指距發(fā)射機(jī)5個(gè)波長或更遠(yuǎn)處的電磁場，該處的徑向電場可忽略。由天線發(fā)生的功率通量密度近似的隨距離的平方呈反比的關(guān)系的場域。傳統(tǒng)的光學(xué)理論，如幾何光學(xué)、物理光學(xué)等，通常只研究遠(yuǎn)離光源或者遠(yuǎn)離物體的光場分布，一般統(tǒng)稱為遠(yuǎn)場光學(xué)。遠(yuǎn)場光學(xué)在原理上存在著一個(gè)遠(yuǎn)場衍射極限，限制了利用遠(yuǎn)場光學(xué)原理進(jìn)行顯微和其它光學(xué)應(yīng)用時(shí)的最小分辨尺寸和最小標(biāo)記尺寸。近場近場存在于距電磁輻射源(例如發(fā)射天線)一個(gè)波長范圍內(nèi)的電磁場。近場光學(xué)則研究距離光源或物體一個(gè)波長范圍內(nèi)的光場分布。在近場光學(xué)研究領(lǐng)域，遠(yuǎn)場衍射極限被打破，分辨率極限在原理上不再受到任何限制，可以無限地小，從而基于近場光學(xué)原理可以提高顯微成像與其它光學(xué)應(yīng)用時(shí)的光學(xué)分辨率。遠(yuǎn)場/近場光學(xué)遠(yuǎn)場遠(yuǎn)場是指距發(fā)射機(jī)5個(gè)波長或更遠(yuǎn)處的電磁場，10適用激光范圍（近場光束）

總述：β因子能較合理地評價(jià)近場光束質(zhì)量,它是描述激光系統(tǒng)光束質(zhì)量的靜態(tài)性能指標(biāo),但并沒有考慮大氣對激光的散射、湍流和熱暈等作用。β因子為高能激光武器系統(tǒng)的光束質(zhì)量提供了評價(jià)依據(jù)。β值的測量依賴于光束遠(yuǎn)場發(fā)散角的準(zhǔn)確測量。局限性：由于激光本身的因素和在激光束傳輸過程中眾多因素的影響,使得遠(yuǎn)場光的強(qiáng)度分布中含有較多的高階空間頻率分量,強(qiáng)激光經(jīng)衰減后用CCD接收測量光斑寬度的辦法,很難探測到光斑的高階分量,相對的空間強(qiáng)度分布很難反映出光斑的高階分量,所得的β值不能真實(shí)反映由于高階彌散引起的能量損失。它的準(zhǔn)確測量對探測系統(tǒng)的要求較高,不適合于評價(jià)遠(yuǎn)距離傳輸?shù)墓馐?。適用激光范圍（近場光束）總述：β因子能較合理地評價(jià)近場光束11桶中功率比(BQ)也稱環(huán)圍能量比/靶面上能量比1、定義式

2、（如何確定）參考光束參數(shù)由于強(qiáng)度分布的橫向尺度受到衍射極限的限制,桶的尺寸主要根據(jù)目標(biāo)尺寸與衍射極限尺寸的相對大小以及具體的應(yīng)用場合來選取,即用理想光束的“衍射極限桶”中的桶中能量與實(shí)際光束在同一桶中的桶中能量比值的開方作為這種應(yīng)用目的下的光束質(zhì)量的評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)希望的光斑尺寸小于目標(biāo)尺寸時(shí),為了更充分地反映目標(biāo)上的激光能量分布,作為對式(的補(bǔ)充,可用一個(gè)“桶系列”中的能量多少來衡量能量集中度?！巴跋盗小笔蔷哂幸?guī)范尺寸的幾個(gè)同心環(huán)圍,“規(guī)范尺寸”可取為理想光束遠(yuǎn)場光斑上的幾個(gè)特征尺寸(見下面的說明)。另一種等價(jià)的做法是,用幾個(gè)規(guī)范的能量百分比所相應(yīng)的光斑尺寸評價(jià)遠(yuǎn)場光束的質(zhì)量。桶中功率比(BQ)也稱環(huán)圍能量比/靶面上能量比1、定義式12適用范圍（遠(yuǎn)場光束）總述:BQ值把光束質(zhì)量和功率密度直接聯(lián)系在一起,反映了激光束在目標(biāo)靶面上的能量集中度,適合于對遠(yuǎn)場光束質(zhì)量的評價(jià),對強(qiáng)激光與目標(biāo)的能量耦合和破壞效應(yīng)的研究有著非常實(shí)際的意義。1、對遠(yuǎn)距離能量輸送、耦合型的應(yīng)用(如激光空間供能),實(shí)際中關(guān)心的是焦斑上的激光能量分布能否使盡量多的能量集中在應(yīng)用所需的桶中或“靶面上”尺度內(nèi)。此時(shí)適用BQ值。2、BQ值常用不同限孔能量測量法以及能對空間絕對能量分布或光強(qiáng)分布測量的探測系統(tǒng)進(jìn)行測量,要求具備可直接接收高能激光的強(qiáng)光陣列探測器或靶盤儀。與其他評價(jià)指標(biāo)不同,BQ值是專門用于評價(jià)目標(biāo)處強(qiáng)激光光束質(zhì)量的指標(biāo),直觀反映靶目標(biāo)上強(qiáng)激光的能量集中度。因此在評價(jià)目標(biāo)處的強(qiáng)激光光束質(zhì)量和激光對靶目標(biāo)的破壞效果時(shí),最適合采用BQ值指標(biāo)。局限性：由于高功率激光器,例如氟化氫(HF)、氟化氘(DF)和氧碘化學(xué)激光器(COIL),一般采用非穩(wěn)腔結(jié)構(gòu),輸出光束不是高斯光束,衡量非穩(wěn)腔激光器產(chǎn)生激光束的質(zhì)量,采用BQ值有一些不確定之處。適用范圍（遠(yuǎn)場光束）總述:BQ值把光束質(zhì)量和功率密度直接聯(lián)系13關(guān)于“靶”靶，顧名思義是目標(biāo)的打擊點(diǎn)，其打擊行為俗稱打靶。靶主要分為平面靶和腔靶兩類。平面靶的形態(tài)相對簡單，一般是由某種材料制作成平面形態(tài)；腔靶即為激光注入打擊到某種柱腔或者球形腔中，其材料和結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。兩類靶型的尺寸一般都是mm量級，激光束聚焦打靶的光斑尺寸一般是百微米量級。靶場是激光裝置系統(tǒng)末端，服務(wù)于打靶的場地。激光聚焦打靶是國防軍事實(shí)驗(yàn)以及遠(yuǎn)期民用聚變發(fā)電的重要驅(qū)動應(yīng)用。關(guān)于“靶”靶，顧名思義是目標(biāo)的打擊點(diǎn)，其打擊行為俗稱打靶。靶14實(shí)際工作中對激光光束質(zhì)量的評價(jià)方法和參數(shù)

實(shí)際工作中對激光光束質(zhì)量的評價(jià)方法和參數(shù)

15斯特列爾比SR

斯特列爾比SR