M^2因子概念和激光光束质量控制

本文对 M^2因子概念的物理意义和在激光光束质量控制中的应用作了详细分析,还就 M^2因子概念的推广和某些问题作了讨论。

阶跃光纤低阶线偏振模的M^2因子分析

针对阶跃光纤输出低阶线偏振模(Linear Polarization,LP),利用二阶距定束宽,多点拟合法计算了几个低阶LPmn模相干和非相干叠加时的M2因子.结果表明,对同一LPmn模式,光纤的归一化频率参量V减小到截止频率时,M2因子出现峰值;当V远离截止频率时M2因子趋于一定值.低阶LPmn模非相干叠加时,叠加后的较高阶模成分越大,合成光束的光束质量越差,光束在一定的条件下可能比基模更接近于理想高斯光束;而相干叠加时,合成后的M2因子可以大于参与叠加的较高阶模的光束质量因子.

克尔效应对高斯光束质量M^2因子的影响及抑制

用分步傅里叶方法计算了高斯光束在克尔介质中的传输过程,采用最小均方根办法对光场进行二项式曲线拟合得到光束质量因子,计算结果表明:当B积分在2rad以内,克尔效应越强则它对因子影响越大;同时,它的这种影响能力也受到光束宽度和光束腰平面到克尔介质的距离的两个因素的影响,即光束越宽,影响越小,距离越大,影响反而较小;最后,基于B积分的可叠加性,提出用具有负非线性折射率系数的非线性介质来补偿正克尔效应、降低光束因子,并指出两端补偿是最优的方式之一·

截断平顶高斯光束M^2因子的比较研究

使用熵束宽、渐近分析和环围功率法对截断平顶高斯光束的束腰宽度w、远场发散角θ0和M2因子作了比较研究.结果表明:按不同束宽定义得到的截断平顶高斯光束的w、θ0和M2因子不同,且与截断参量a/ w0(a为光阑半宽度,w0为平顶高斯光束初始束腰宽度)有关.随a/ w0的增加,三种方法计算得到的w、θ0和M2都分别趋于某常量.

部分相干高斯光束的M^2因子及模系数

分析了以模式间相互独立的厄米 -高斯光束为基底的部分相干高斯光束。导出了部分相干高斯光束的模系数、权重因子和 M2因子的表达式 ,并讨论了各模式权重因子与 M2因子之间的关系。研究表明 ,只需要由实验测得光强分布便可确定部分相干高斯光束的模系数、M2因子和模结构。

非傍轴截断双曲余弦高斯光束的M^2因子

基于功率密度的二阶矩方法,对非傍轴截断双曲余弦高斯(ChG)光束的束宽、远场发散角和M2 因子进行了研究。数值计算结果表明,非傍轴截断ChG光束的M2因子不仅与截断参数δ、偏心参数α有 关,而且与初始束腰宽度和波长之比ω0／λ有关。在δ足够小时,M2因子可小于1。当δ→0时,远场发 散角趋于渐近值63．435°。对于α=0(Ω0=0)和δ→∞的特例,我们的结果分别退化为非傍轴截断高斯 光束和非傍轴无截断ChG光束的M2因子。

非傍轴平顶高斯光束M^2因子两种定义的比较研究

基于功率密度的二阶矩方法,推导出了非傍轴平顶高斯(FG)光束束宽和远场发散角的解析表达式·研究表明,当w0/λ→0时,远场发散角趋于渐近值θmax=63.435°,与阶数无关·使用非傍轴高斯光束代替傍轴高斯光束作为理想光束,研究了非傍轴FG光束的M2因子,并与传统定义的M2因子作了比较·在非傍轴范畴,非傍轴FG光束的M2因子不仅与阶数N有关,而且与w0/λ有关·按照定义,当w0/λ→0时,非傍轴FG光束的M2因子不等于0,对阶数N=1,2,3时,M2因子分别趋于0.913,0.882和0.886·当N→∞时,M2因子取最小值M2min=0.816·

对“部分相干高斯光束的M^2因子及模系数”一文的评论

指出了发表于《强激光与粒子束》刊 2 0 0 0年 1 2卷 6期由楚晓亮、张彬所写“部分相干高斯光束的 M2因子及模系数”(简称楚文 )一文中的错误并作了物理分析。首先 ,楚文没有什么新的结果 ,因为同样的方法和同样的结果可在《Opt.Lett.》1 998年 2 3卷 1 3期和《Appl.Opt.》1 999年 38卷 2 5期中查到。再者 ,在楚文中未对如何唯一确定束腰尺寸 v0 和如何产生他们所提出与文献 [2 ,3](文献 [3]发表于《IEEE J.Quant.Electron.》1 999年 35卷 6期 )不同的部分相干高斯光束作任何物理解释 ,甚至连“设束腰尺寸 v0 已知”的话也未提及 ,因此从楚文会导致错误的结论。

部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M^2因子

根据光束在介质中传输强度二阶矩计算公式,推导出部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输的M2因子解析表达式,并将高斯-谢尔模型光束在增益或损耗介质中的传输作为特例统一于一般表达式中。研究结果表明:部分相干平顶光束在增益或损耗介质中传输时的M2因子与光束传输距离、光束相干长度、光束阶数及介质的特性有关。光束在增益或损耗介质中传输的这种特性为应用和控制光束传输提供了理论依据。

激光引信发射组件M^2因子的测试研究

激光引信发射组件中,由于线性阵列激光二极管的光斑是由若干激光二极管的光斑叠加而成,其M2因子的测量不能简单地按照单个激光二极管M2因子的方法进行测量。以ISO11146标准中的二阶矩法为基础,使用CCD采集聚焦后的光斑图像,并对光斑图像进行分块处理,从而得到激光引信发射组件的M2因子。

计算激光光束M^2因子的两种新方法

对实际激光光束M2因子的计算测量作了一些讨论，给出了两种计算测定实际激光束M2因子的新方法：由光束不同截面的光斑半径来得到M2因子；测得激光束某个截面的光强分布求出激光束的M2因子．

M^2因子测量仪

Arden Photonic公司已经把采用衍射光学元件的BQM-30投放市场，该仪器能测量M。因子参数。衍射光学元件（DOE）由12-bitCCD构成，沿光轴从9个平面获得强度数据，来模拟和计算M^2。对采自每个光束剖面的强度数据进行高斯变换或者二阶矩阵变换，使其与给定的光束参数相符。来自光头的数据通过USB2．0接口传输到控制CPU．因此测量可以使用膝上电脑来进行，使系统容易移动。

双曲正弦高斯光束的M^2因子和相干模分解

基于二阶矩方法和正交模系展开法，推导出双曲正弦高斯光束的光束传输 Ｍ２ 因子和模相干系数的解析表达式，从而建立了双曲正弦高斯光束的相干模分解理论．提出了一种在实验室中产生双曲正弦高斯光束的简单方法．

基于正交散焦光栅的1064 nm脉冲激光M^2因子测量

传统光束质量测量装置不能有效测量脉冲激光的M^2因子。为实时检测脉冲激光M^2因子,将正交散焦光栅和短焦透镜密接配合使用,同时测量待测光束9个不同位置处的光强分布,用二阶矩方法计算束宽,并经双曲线拟合得到被测光束的~2因子。根据高斯光束的薄透镜变换理论,分析了被测光束束腰宽度和束腰位置变化对测量精度的影响,得到了正交散焦光栅M^2因子测量系统对测量参数要求低、动态工作范围大等结论。实验测量了1064 nm Nd:YAG固体脉冲激光器单个脉冲的M^2因子、脉冲之间的M^2因子变化和光束M^2因子随电压的整体变化情况。结果表明此系统实现了对脉冲激光M^2因子的测量,并能实时检测激光工作过程中的M^2因子变化。

截断光束的广义M^2因子测量的实验研究

提出了一种可广泛适用于截断光束和非截断光束的广义M2因子测量的实验方法和相应的数据处理方法。在利用广义强度二阶矩计算光束束宽时,以积分角谱范围能够包含光束总能量的75%以上作为积分范围的选取标准,并遵循现有的国际标准化组织(ISO)规定的测量步骤和方法对截断高斯光束的广义M2因子进行了测量,并将不同截断参量时的实验结果与理论计算结果进行了比较,证明了该方法的正确性。研究结果表明,根据该方法测量截断光束M2因子时,只须将非截断光束M2因子测量的数据处理部分进行适当修正,而无需增加其他硬件开销,该方法简便易行且测量步骤仍可遵循国际标准化组织规定。

非圆对称光束M^2因子矩阵的实验研究

M^2因子的计算和测量与所采用的坐标系有关,所以对光斑为非圆对称的光束进行M^2因子测量时,若选取的实验室坐标系不同或者是在非完全相同的实验条件下进行的测量,测量所得的M^2因子并不唯一,这给实际应用中光束质量的评价带来了不便。为更方便地进行光束质量的评价,使得不同的实验室坐标系下测量所得M^2因子统一,引入了两个交叉项来表征待测光束光斑主轴与实验室坐标系的位置关系,定义了M^2因子矩阵。同时研究了M^2因子矩阵的测量原理和方法,搭建了M^2因子矩阵测试系统,实验研究了非圆对称光束的束宽以及M^2因子随坐标系旋转的变化规律,测出了M^2因子矩阵。

湍流大气中部分相干双曲余弦高斯光束的M^2因子

基于广义惠更斯菲涅耳原理和维格纳分布函数的二阶矩方法,推导出部分相干双曲余弦高斯(ChG)光束在湍流大气中的束宽、远场发散角和M2因子的解析表达式。研究结果表明,部分相干ChG光束在湍流大气中传输时,均方根角宽度、M2因子和相对M2因子随着传输距离的增大而增大,且与束腰宽度、波长、离心参数、相干参数及湍流强度等有关;均方根角宽度随着光束离心参数的增大存在极小值。当传输距离较远时,随着离心参数的增大,M2因子存在极小值;离心参数较大的光束受湍流的影响较小。

H-S波前传感器在测量光束质量因子M^2中的应用

仿真研究了H-S测量2M因子等光束质量指标的全过程和可行性。结果表明,由H-S测量的圆形光束的2M因子值与原始光束的2M因子值基本相当,有很好的一致性。由此认为,H-S除了可以评价远场测量系统探测得到的光斑的各种量,比如PSF,OTF,衍射极限,环围能量等远场特性,而且还可以从2M因子来说明光束质量的特性。

厄米-双曲正弦-高斯光束的M^2因子

从二阶矩的定义出发 ,给出了一类新光束———厄光 双曲正弦 高斯 (HShG)光束M2 因子的解析公式 ,公式表明HShG光束的M2 因子是光束阶数n和参数α的函数 .作为本公式的特例 ,给出了厄光 正弦 高斯 (HSiG)双束、双曲正弦 高斯 (ShG)光束以及正弦 高斯 (SiG)光束M2 因子的解析公式 .对HShG光束的束腰宽度、远场发散角及M2 因子做了数值计算 ,并对所得结果作了分析 .