常用的光束質量的定義包括: 遠場光斑半徑、遠場發散角、衍射極限倍數 U 、斯特列爾比、 M2 因子、靶面上的功率或環圍能量比等。
基本介紹
- 中文名:光束質量
- 外文名:Beam quality
評價高能雷射光束的局限性
高能雷射系統的組成
高能雷射系統光束質量的評價方法
光束質量的評價參數
對常用的雷射光束質量評價參數的合理性和適用性進行了分析 ,結果表明, 在理想光束有明確定義的條件下 ,衍射極限倍數 β 和環圍功率比 BQ 值是比較理想和實用的光束質量評價參數, 也是我們建議採用的評價標準 。衍射極限倍數 β 因子定義為:
β = θ/θ 0 ( 1)
式中 θ———被測實際光束的遠場發散角 ;θ 0 ———理想光束(也稱參考光束) 的遠場發散角。
公式( 1) 表明,衍射極限倍數 β 以理想光束作為參照標準 ,表征被測雷射束的光束質量偏離同一條件下理想光束質量的程度, 其值不隨光束通過理想光學系統的變換而變化, 因而可以從本質上反映光束質量。同時只要光束不是太寬 , β 因子的準確測定一般也比較方便 。環圍功率比 BQ 值被定義為:BQ =P0/P ( 2)
式中 P0 ———靶目標上規定尺寸內理想光束光斑環圍功率;P ———被測實際光束光斑環圍功率 。
這裡理想光束取為與被測光束具有相同發射孔徑的均勻光束 ,其發射光強等於實際光束平均強度 。由上述定義,環圍功率比 BQ 值直觀反映目標上光束的能量集中度 ,因此最適合於評價目標處的光束質量。
光束質量的評價程式
為此, 對強雷射光束質量的評價應包括依次對高能雷射器輸出光束質量、強雷射系統發射光束質量和靶目標處光束質量的評價。這種評價程式有利於分析和發現影響強雷射光束質量主要原因 ,可直接反映雷射器在輸出光束質量方面的性能優劣。發射光束質量則是雷射器性能和光束控制系統傳輸性能的綜合體現 。而靶目標處的光束質量不僅取決於強雷射系統的性能 ,還包含了大氣湍流和熱暈效應等對強雷射傳輸的影響。
光束質量的測量
( 1) 燒蝕法
用被測雷射在一定時間內輻照已知燒蝕能的材料 ,測量材料上產生燒蝕分布, 結合燒蝕深度、輻照時間 、材料密度和燒蝕能便可計算材料上的雷射光強分布 。由被燒蝕掉的材料質量,通過標定還可以得到雷射的輸出功率。可見採用這種方法需要一種在輻照條件下已知燒蝕熱的材料 ,而且該材料在燒蝕機理上最好是高度一維的 。例如對於 CO 2 雷射和氟化氫 、氟化氘化學雷射器可採用有機玻璃作為燒蝕材料 。這種方法存在的另一個問題是標校比較複雜 。
( 2) CCD 測量法
在利用紅外 CCD 測量強雷射光斑時 , 通常是把強雷射分光取樣並進一步衰減後用紅外 CCD 直接接收光束測量 ,得到低功率光強分布 , 再由圖像處理系統分析處理後得到各種光束特性參數 。另外通過標校後還可以得到絕對光強分布 。這種方法的缺點在於將強雷射大幅度衰減後 ,光強分布的大量高階分量被濾掉 ,從而無法得到完整的光強分布和準確的光斑尺寸 , 測量誤差很大 ,也可以利用紅外 CCD 相機拍攝強雷射照射在漫反射屏上的光斑以得到相對的空間光強分布 , 如果經過標校還可以得到絕對光強分布 。這種測量方法除了存在上述 CCD 直接接收測量法的缺點外 ,還存在著因各方向漫反射不均勻帶來的測量誤差以及標校更困難的問題 。美國空軍武器實驗室研製了專用測量強雷射光強分布的金屬靶盤, 用被測雷射照射已知熱傳導性質的薄金屬靶盤 , 通過測量靶盤後表面上各點的溫度和照射時間 , 便可求得靶盤上雷射強度分布 。對靶盤材料的要求是能經得起強雷射照射 、回響快 , 在數據採樣時間內熱傳導是高度一維的 ,這樣就可以將靶盤後表面上任意一點的回響直接和前表面對應點的輻射聯繫起來 。對於 30 μ m 厚的靶盤 , 當吸收的雷射束強度低於 1 . 4 kW/cm2 時 , 可用鋼盤( SS304) , 吸收量為 2 kW/cm2 水平時 ,可用鎳盤( Ni200), 若盤吸收量超過 7 kW/cm2 ,則可採用傾斜靶盤的方法 。對於不同的光強水平 ,靶盤前表面上採用不同的塗層 ,如石墨等 。利用靶盤技術可以測量的光強範圍為 50W/cm2 ~ 912 kW/cm2 。標準靶盤測量誤差隨峰功率密度增加而增加 ,當雷射功率密度為 50 ~ 400 W/cm2時其測量誤差相應為 7 %~ 9 . 5 %。
( 3) 光斑陣列探測器國內曾研製了專用的量熱型強雷射光斑陣列探測器。該探測器陣列由 252 個探測單元構成 ,利用它可以直接測量強雷射光斑能量分布 。此外 ,還研製了 32 單元快回響強雷射測試系統原理樣機, 通過衰減強雷射採用光電二極體探測 ,提高了回響速度 ,從而可以測量瞬時光強分布 。
在實際測量光束的衍射極限倍數時 ,通常採用近場方法 ,即利用一個聚焦光學系統將被測雷射束聚焦或用擴束聚焦系統將光束擴束聚焦後 ,在焦平面上測量光束寬度 w f ,利用 :θ= w f/ f ( 3)求得遠場發散角( 這裡 f 為聚焦光學系統焦距), 再按定義計算得到衍射極限倍數 β 。
然而對於高能雷射器 ,因為直接輸出的雷射功率過高 ,設功率為 104 W ,光束直徑為 Υ為 100 mm , 則相應的平均光強約達 120 W/cm2 , 聚焦後約增 8 個量級 。對於這樣的光強水平 ,任何光學元件和探測器件都要被燒壞 , 所以不能直接聚焦測量 ,而需要對輸出光束分光取樣並進一步衰減後再聚焦 。根據衰減聚焦後的光強水平不同 , 可用紅外 CCD 直接接收測量焦平面上的光斑或對焦面處漫反射屏上的光斑成像( 為了避免探測器飽和 , 有時還需要利用衰減片對漫反射光進一步衰減後才能測量), 最後通過圖像處理系統對低功率光斑圖像進行分析處理後得到焦斑半徑 。
由於發射望遠鏡本身就是一個擴束聚焦系統 , 因此可用於測量發射望遠鏡處光束的衍射極限倍數 β 。測量時 , 為儘可能排除大氣影響 , 把發射望遠鏡焦距調至最短 ,在焦平面上測量光斑並得到光斑半徑 , 利用公式( 1) 和( 3) 求得 β ,公式( 3) 中 f 為此時發射望遠鏡系統的焦距 。這時的 β 值是由雷射器性能和光束控制系統的光學質量共同決定的 ,它標誌著整個強雷射系統的發射光束質量 。對於上述測量發射光束質量的方法 ,由於發射望遠鏡調焦範圍有限 , 其最短焦距仍有一定長度 , 在這段光路上大氣湍流和熱暈效應等對光束質量會有明顯影響 ,所以需要對測量結果加以修正 。
在強雷射的套用中, 通常是將發射系統調焦至目標上, 使目標上得到最大功率密度 , 以達到最大作用效果 。因此與測量發射光束質量類似, 原則上可以通過測量靶目標上焦斑光強分布得到束寬, 利用公式( 1) 和( 3) 求得目標處光束的衍射極限倍數 β , 此時望遠鏡的焦距也即光束傳輸距離。此時的焦斑尺寸是雷射束經過遠距離大氣傳輸後得到的焦斑尺寸,包含了大氣湍流和熱暈效應等引起的光束擴展,所以相應的衍射極限倍數 β 反映了大氣傳輸對光束質量的影響。
儘管原則上在靶目標處仍然可採用衍射極限倍數 β 衡量光束質量 ,但是在實際套用中, 一方面因為焦斑尺寸隨傳輸距離地增大而增大 ,當靶目標距離比較遠時 ,焦斑尺寸遠大於探測器接收面 ; 另一方面由於高能雷射器腔模的非理想性 ,光束控制系統的非理想變換以及大氣傳輸過程中的各種線性和非線性效應,導致遠場目標處的光束擴展非常嚴重 ,光場分布極其複雜 , 其中含有大量高階空間頻率分量。這些高階分量的強度遠小於峰值強度 ,利用通常的光強分布測量方法, 如燒蝕法 、CCD 測量法或專用的強雷射光斑面陣探測器, 由於受靈敏度 、測量動態範圍 、探測面尺寸等所限 ,實際上不可能探測出來 ,但所有這些高階分量加起來在光束總能量中占有相當大的比例。在這種情況下不可能得到完整的光強分布,也不可能得到準確的焦斑尺寸和相應的衍射極限倍數 β 。所以在遠場靶目標處 ,實際上無法準確測量衍射極限倍數 。
為此 ,在評價遠場目標處的光束質量時只能採用BQ 值指標 。實際上 ,評價靶目標處光束質量時採用BQ 值的最大優點在於,它的測定只需要測量靶目標上一定規範尺寸內的能量值, 無需整個光斑的能量分布信息,比測定衍射極限倍數容易得多 。為此建議在評價遠距離靶目標處的光束質量時 ,統一採用一定規範尺寸的環圍功率比 BQ 值作為評價指標 。決定遠場靶目標上雷射功率密度的因素很多 ,如雷射發射功率、光束質量和傳輸距離等 ,另外不同套用目的對光強水平的要求也不同 。所以靶目標處雷射光強分布應根據具體情況和實際光強水平 ,採用能探測相應光強水平的方法或面陣探測器來測量。