Techniques trend analysis of propagating laser beam quality measurement

Different methods of measuring a propagating laser beam quality are summarized.The disadvantages in traditional way in measuring a laser beam quality is analyzed and the insufficiencies of the Shack-Hartmannin method which is commonly using wave front technique at present is pointed out.Finally,the transmission intensity equation based(TIE-based)measuring way in a laser beam quality evaluation and the corresponding advantages are discussed,which is believed to be a deve-l oping trend in laser beam evaluation.

由M^2参数定义的光束传输变换理论

本文推导了任意光束与Ｍ２参数有关的光腰和发散角经过薄透镜的变换规律，定义了广义的Ｒ（ｚ），导出了广义的ＡＢＣＤ法则。

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·

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.

激光光束传输因子M^2的一些问题

本文讨论与 M2 因子有关的一些问题 ,指出在近轴近似条件下由光束的二阶强度矩定义的 M2 因子满足 M2 ≥ 1 ,其中只有对基模高斯光束等式才成立 .由光束的功率通量值定义的 M2 因子 ( M2pc)有可能小于 1 ,M2pc的大小取决于所定义的光斑半径内包含的光功率的百分数 .通过计算光场的二阶矩 ,我们获得了轴向相干叠加的高斯光束的 M2

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。

衍射极限倍因子M^2的实验测量

目的测量He-Ne激光器(波长632.8nm)和半导体激光器(波长650nm)的M2因子。方法根据ISO/TC172/SC9/WG1N80文件对M2因子的测量原理及要求,用美国Spiricon公司生产的LBA-300PC激光束分析仪,沿光传播方向在不同z位置,测出光束宽度,由测量数据进行双曲线拟合,确定束腰直径和远场发射角,计算M2因子。结果所测全内腔玻璃外壳He-Ne激光器的M2=1.422,半导体激光器的M2=1.599。结论市场上流通的He-Ne激光器和廉价的半导体激光器大都可以用于医学应用,不适于用作干涉计量或全息照相等方面的应用。

截断拉盖尔-高斯光束的M_G^2因子

用广义截断二阶矩方法对截断圆对称拉盖尔 高斯光束的广义光束传输因子 (MG2 因子 )作了研究 ,得到了MG2 因子的解析公式 ,并用数值计算例作了说明。研究表明 ,截断圆对称拉盖尔 高斯光束MG2 因子与截断参数和光束的阶数有关。随着截断参数的增加 ,MG2 因子逐渐趋近于无截断圆对称拉盖尔

部分相干厄米-高斯光束在湍流大气中的M^2因子

基于广义惠更斯-菲涅耳原理和Winger分布函数二阶矩的定义,推导出部分相干厄米-高斯(PCHG)光束在湍流中的M2因子的解析表达式,并进行了数值计算和分析.研究结果表明:湍流中PCHG光束的M2因子由光束的阶数、相干长度、束腰宽度、波长以及湍流的折射率起伏结构常数和传输距离来决定;随着光束阶数、大气湍流的折射率起伏结构常数以及传输距离的增大,以及光束相干长度的减小,PCHG光束在湍流大气中的M2因子明显增大;对于给定的传输距离,存在最佳初始束宽使大气湍流中PCHG光束的M2因子最小;完全相干厄米-高斯光束和高斯-谢尔模型(GSM)光束在大气湍流中的M2因子变化规律可以作为本文研究的特例.

轴向相干叠加高斯光束的M^2传输因子

本文分别用标量叠加和矢量叠加的方法 ,对由两个束腰位置不同的高斯光束相干叠加而成的光束的传输特性进行了研究 ,结果表明 ,这种光束的传输因子M2 不再是常数 。

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。

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．

光束品质因子M^2及其性质

讨论了光束品质因子 Ｍ２

板条激光器VRM光腔输出激光光束质量实验比较

针对磷酸盐钕玻璃板条激光器，采用含不同ＶＲＭ的不同谐振腔型对输出激光光束质量进行了实验比较研究，与普通平凹腔的光束质量也作了比较。测量系统经过数据校核，结果是正确的，所得测量结果对ＶＲＭ在板条激光器中的应用有参考价值。

模规MG－1的光束质量检测实验

在高斯光束传输方程的基础上，介绍了模规ＭＧ－１的组成和工作原理，给出了单模稳频Ｈｅ－Ｎｅ激光和Ａｒ￣＋激光光束质量的实验测试结果。

基于远场同轴全息的激光M^(2)因子测量技术

激光光束质量M^(2)因子的动态测量对激光器的设计、制造与应用均具有重要意义。本文提出了一种基于远场同轴全息的光纤激光器光束质量M^(2)因子动态测量方法。通过偏振移相同轴全息技术直接获取待测激光的远场复振幅信息,利用角谱传输及透镜变换理论求解激光在自由空间中的光场强度分布,从而实现M^(2)因子的动态测量。实验搭建了远场同轴全息装置,测量了不同纤芯直径光纤在632.8 nm波长下的激光光束质量,其结果与BEAM SQUARED商用光束质量仪的测量结果一致。本文所提方法仅需0.02 s即可实现光纤激光的M^(2)因子测量,比商用光束质量仪的测量速度提高了两个数量级以上。此外,本装置结构紧凑,能够避免透镜引入的装调及加工误差。

高斯光束的合成特性分析

建立了矩形阵列高斯光束合成模型,采用数值模拟方法计算了光束间距、单元光束特性以及阵列结构等参数对非相干合成和同相位相干合成的远场峰值强度及光束质量的影响,描述了非同相位相干合成可能产生的结果,讨论了同轴与非同轴合成,相干与非相干合成的特点。结果表明:非相干和同相位相干合成时的光束质量随着单元光束的增多而变差,并且随着光束间距与单元光束束腰之比的增大而下降;而非同相位相干合成的结果较为复杂,可能产生完全相消干涉,合成光束"重心"离轴及束腰位置偏移等现象。分析认为:同轴合成可以获得最佳的光束质量,是值得采用的合成方式。此外,同轴相干合成优于非相干合成的充分条件是将单元光束之间的相位差控制在(-π/4,π/4)以内。

高精度激光参数测量系统中衰减系统的研究与评价

分析了楔形镜和中性玻璃衰减片组对光束的衰减原理，采用反射式楔形镜作为无像差定量衰减器，并同时使用中性玻璃衰减片组微调光束能量。实验测量了LD泵浦激光模式发生器基模和高阶模条件下激光束的M^2因子，结果表明：楔形镜反射式衰减器对光束质量无显著影响，将楔形镜第一次表面反射作为无像差定量衰减,入射角在0～55°范围内，单棱镜表面反射光束能量为入射光能量的4．3％，通过多块组合可以得到更大的衰减；可采用中性玻璃衰减片组对激光光束的衰减进行精细控制，使其满足CCD探测器动态范围要求。该结论可为高精度激光参数测量装置光衰减系统的研制提供理论依据。

各种实际光束的M^2参数特性比较

首先证明基模高斯光束具有最小的Ｍ~２值，进而讨论了多模激光束、部分相干光束和波前畸变光束的Ｍ~２值的特性，以及相互之间的关系。

对激光光束质量一些问题的认识

从对激光光束质量研究进展开始,讨论了在傍轴和非傍轴范畴内激光光束质量的一些问题,主要是非傍轴光束的光束质量评价。光束传输的非傍轴矢量二阶矩理论可用于计算多种非傍轴光束的M2因子,但对M2因子的物理解释却有困难。例如,在非傍轴范畴,M2因子依赖于束腰宽度与波长之比,并可小于1。但远场发散角之值可趋于90,°这将导致很大的M2因子值。另一方面,若将公式中的光强用时间平均坡印廷矢量z分量代替,桶中功率(PIB),或等价地,!参数可推广用于评价非傍轴光束的远场光束质量。PIB表征了光束功率的可聚焦能力,是一种简明、直观评价不同激光光束的方法。然而,在!参数的公式中的束宽是按功率含量百分比定义的,因此双曲线传输规律不再严格成立。